棉花颜色级快速检测方法研究

文/徐守东 周万怀 梁后军 李浩 刘从九 吴国新 常郝

1 引言

国家标准GB 1103.1—2012《棉花 第1部分：锯齿加工细绒棉》取消了品级，增加了颜色级、轧工质量指标及检验方法，将色特征级修改为颜色级，增加了皮棉颜色级分级图、实物标准。依据该标准，棉花颜色级表示棉花颜色的类型和级别。其中，类型主要由棉花黄色深度确定，级别主要由棉花明暗程度确定。实际检验中，通过感官检验和纤维快速测试仪检验棉花颜色级。

纤维快速测试仪检验棉花颜色级的测试方法依据GB/T 20392《HVI棉纤维物理性能试验方法》，规定棉花黄色色调的深浅程度为黄色深度+b（yellowness），棉花反射光的明暗程度为反射率Rd（reflectance degree）。

目前，各级纤维检验部门均采用美国乌斯特公司生产的HVI纤维检测仪检测棉花颜色级指标。HVI纤维检测仪通过测试皮棉的Rd和+b参数，根据GB 1103.1附录B颜色分级图中所规定的数据，确定皮棉的颜色级别。

由于HVI仪器体积较大（工作占地面积10m2左右），对工作环境要求较高，检测流程较为复杂，难以满足颜色级的快速检测要求。尤其是棉花收购现场，颜色级是棉花收购的重要定价依据，需要快速检测棉花颜色级。本研究根据颜色级的检测原理，选用了国内外几种常用颜色检测仪器，尝试建立这些仪器检测反射率和黄色深度与标称值之间的回归函数，研究使用常用便携式仪器检测棉花颜色级的可行性。

2 试验部分

2.1 试验样品

试验选用标准皮棉样品作为测试对象，分别选择11、12、13、14、21、22、23、31、41共9个类型和级别，每个类型和级别选4个样品，每个样品的反射率和黄色深度分别测试3次后取均值。

2.2 试验仪器

三恩时公司NS800分光色差仪[1]（照明光源：组合LED光源，照明方式：45˚/0˚，感应器：硅光电二极管，积分球尺寸：Φ58mm，测量波长范围：400nm～700nm，波长间隔：10nm，反射率测定范围：0～200%，测量口径：Φ8mm，标准偏差：≤0.1%，台间差：≤ΔE*ab 0.2）；三恩时公司3NH YS3060光栅分光测色仪[2]主要技术参数（照明光源：组合LED光源、UV光源，照明方式：D/8，积分球尺寸：Φ48mm，测量波长范围：400nm～700nm，波长间隔：10nm，反射率测定范围：0～200%，标准偏差：≤0.08%，台间差：≤ΔE*ab 0.15）。

2.3 一元线性回归

一元线性回归[3]是统计学中回归分析预测理论的一种重要方法。在一元线性回归中，有两个变量，其中x变量是可观测的，常称之为自变量或控制变量；y为随机变量，常称之为因变量或相应变量。通过散点或计算相关系数判断x、y之间是否存在显著线性相关关系，即x，y之间存在如下关系：

本研究中分别将标样的反射率值和黄色深度值设定为因变量y，将NS800、YS3060检测的反射率值和黄色深度值设定为自变量x，并分别建立两两之间的一元线性回归方程。

2.4 差异分析

方差分析（Analysis of Variance, ANOVA）[4,5]可用于检验两个及以上样本均值总体差异性的重要统计方法。主要理论基础：

其中，

本研究使用ANOVA检验一元线性回归函数预测值与实际测量值之间的差异性。预测值为x=｛x1，x2，x3，…，xn｝，测量值为y=｛y1，y2，y3，… ，yn｝，通过分析x和y之间的差异性以确定预测值和测量值之间是否存在显著差异。

3 结果与分析

据前所述，棉花颜色级主要由黄色深度+b和反射率Rd决定，试验分别比较了标样和NS800、YS3060对反射率与黄色深度检测情况。将标样的反射率和黄色深度视为标称值，使用一元线性回归分析建立了反射率和黄色深度标称值与NS800、YS3060检测的棉花反射率和黄色深度之间的一元线性回归函数。

3.1 反射率检测结果对比分析

3.1.1 反射率检测

试验分别使用NS800、YS3060（分有滤光片和无滤光片两种模式，分别对应YS3060SCI和YS3060SCE）检测标样反射率，检测结果如表1所示：

表1 各仪器检测反射率结果对比

3.1.2 通过散点图初判是否存在线性关系

将反射率标称值分别与NS800、YS3060检测反射率结果组合绘制散点图，观察反射率标称值与NS800、YS3060检测反射率结果之间是否存在线性关系，其结果如图1～图3所示。3.1.3 一元线性回归分析

图1 反射率标称值与NS800检测结果之间的关系

图2 标称值与YS3060SCI检测结果之间的关系

图3 标称值与YS3060SCE检测结果之间的关系

可见，反射率标称值与NS800、YS3060检测反射率结果之间具有较好的线性关系。因此，进一步分别对反射率标称值与NS800、YS3060检测反射率结果进行线性回归分析，结果如表2所示。可以看出，反射率标称值与NS800、YS3060检测反射率结果之间线性相关系数不低于0.899，具有较强的正相关性。

表2 各仪器检测反射率与标称值之间线性相关分析结果

3.1.4 测量值与预测值之间的差异显著性分析

通过ANOVA分别分析各组测量值与预测值（反射率）之间的差异显著性，得到分析结果如表3所示，预测值和测量值之间均无显著差异。

表3 反射率测量值与预测值之间的差异显著性分析结果

3.2 黄色深度检测结果对比分析

3.2.1 黄色深度检测

同理，试验分别使用NS800、YS3060（分有滤光片和无滤光片两种模式，分别对应YS3060SCI和YS3060SCE）检测标样黄色深度，检测结果如表4所示：

表4 各仪器检测黄色深度结果对比

3.2.2 通过散点图初判是否存在线性关系

将黄色深度标称值分别与NS800、YS3060检测黄色深度结果组合绘制散点图，观察黄色深度标称值与NS800、YS3060检测黄色深度结果之间是否存在线性关系，其结果如图4～图6所示。

图4 黄色深度标称值与NS800检测结果之间的关系

图5 黄色深度标称值与YS3060SCI检测结果之间的关系

图6 黄色深度标称值与YS3060SCE检测结果之间的关系

3.2.3 一元线性回归分析

可见，黄色深度标称值与NS800、YS3060检测黄色深度结果之间具有较好的线性关系。因此，进一步分别对黄色深度标称值与NS800、YS3060检测黄色深度结果进行线性回归分析，结果如表5所示。可以看出，黄色深度标称值与NS800、YS3060检测黄色深度结果之间线性相关系数不低于0.971，也均具有较强的正相关性。

3.2.4 测量值与预测值之间的差异显著性分析

同理，通过ANOVA分别分析各组测量值与预测值（黄色深度）之间的差异显著性，得到分析结果如表6所示，预测值和测量值之间均无显著差异。

表6 黄色深度测量值与预测值之间的差异显著性分析结果

4 结论

本研究以标准棉花样品反射率和黄色深度为标称值，分别分析了NS800、YS3060检测棉花反射率和黄色深度与标称值之间的关系。结果表明：NS800、YS3060检测的反射率和黄色深度均与反射率和黄色深度的标称值具有较高的正线性相关性，反射率相关系数不低于0.899，黄色深度相关系数不低于0.971。研究分别建立了NS800、YS3060检测的反射率和黄色深度值与反射率和黄色深度标称值之间的一元线性回归函数。本研究成果为进一步研究和开发快速、便捷的棉花颜色级检测仪器奠定了基础。

表5 各仪器检测黄色深度与标称值之间线性相关分析结果

参考文献：

[1]NS800分光测色仪45˚/0°[EB/OL].http://www.3nh.com/Product/136.html,2017.

[2]光栅分光测色仪YS3060[EB/OL].http://www.3nh.com/Product/329.html,2017.

[3]刘连福.一元线性回归方程中回归系数的几种确定方法[J].沈阳师范大学学报,2008,26(4):406-408.

[4]杨小勇.方差分析法浅析——单因素的方差分析[J].实验科学与技术,2013,11(1):41-43.

[5]L.Eriksson, J.Trygg, S.Wold.CV-ANOVA for significance testing of PLS and OPLSRmodels[J].Journal of Chemometrocs, 2008(22): 594-600.