CN101718586B - 棉花色泽仪标准色板的标定方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种专用于棉花色泽仪标准色板的标定方法。包括以下步骤：用对称的可见光源按45°方向照射，通过接收、聚焦反射光消除杂散光，传送反射光信号等步骤进行测定，获得待测的棉花色泽仪标准色板在各个波长上的反射信号强度，标定标准色板各个波长上的反射比。本发明还提供一种实现上述标定方法的标定系统。它包括微处理器，测试台，对称连续光谱可见光光源；第一光学系统；第二光学系统，单色仪，光电倍增管，放大器，模拟/数字转换器，由所述微处理器控制下对放大的电信号采样并传送给微处理器。本发明测试条件更接近于棉花色泽的测试条件，有利于棉花色泽仪的标定精度；也可以测试不同面积的标准色板，色板标定更为准确。

Description

棉花色泽仪标准色板的标定方法和系统

技术领域

本发明涉及棉花色泽仪标准色板的标定方法和系统。

背景技术

棉花的色泽检验是棉花分级的一个重要依据。作为棉花色泽测量的色度测量仪器必须综合人眼的光谱光视效率特性和其照明光源的光谱特性，同时测量系统应符合国际标准的照明和几何测量条件，才能客观地评价和交流棉花色泽的测试数据。棉花色泽仪的标定是采用标准色板的方法，目前国内所采用的标准色板基本是直接来源于美国Uster公司所提供的标准色板，因此在国产棉花色泽仪的研制过程，自行研制标准色板将不再需要进口美国Uster公司标准色板，同时对于保证国产棉花色泽仪的测试精度、提高国产棉花色泽仪的国产化程度、棉检行业的自主创新能力和关键共性技术及产品的自给率具有重要意义，而对棉花色泽仪标准色板的标准测量与标定系统的研制，是上述工作的基础和保障。

以往见报道的一般色板的标准测量与标定系统采用分光光度计法。分光光度计是用不连续的波长采样反射物体或透射物体的一种测量仪器。由于不同物体分子的结构不同，对不同波长光线的反射和吸收能力也不同，因此，每种物体都具有特定的反射和透射光谱。能从含有各种波长的混合光谱中，以单色波长分离出来，并测量其反射和透射特性的仪器叫做分光光度计。

分光光度计所使用的波长范围不同，可分为紫外光谱，可见光谱、红外光谱以及全波段光谱，因此，分光光度计可分为可见光分光光度计、紫外/可见光分光光度计、荧光分光光度计、红外分光光度计等。无论是哪一类分光光度计主要都是由光源、单色器、狭缝、吸收器检测器系统5部分组成的。

分光光度计通常提供用白光照明光源。以及包括扩散后折射的反射光，而且允许测量在不连续波长时反射的总光量。分光光度计的准确度是由很多因素决定的，但是最重要的因素之一是光谱波段(即在所测量的光谱中每点波长的范围)。使用分光光度计可以绘制吸收光谱曲线，具有尖峰分光光度法曲线的介质要求分光光度计能通过狭窄的波段，典型的波长间隔是1nm，5nm，比较便宜的仪器通常能通过10nm或20nm的带宽。

常见的分光光度计测量物体色泽采用以下结构和原理：照明光源进入单色仪后，其输出光为单色光。单色光进入其后的光学系统，该光学系统主要为斩光器和反射镜组成，斩光器转动时镜面以相对于被照物体为0°的角度将光束反射到标准，没有镜面时光束以相对于被照物体为0°的角度入射到样品表面，其发射光被积分球混光后由PMT接收并转换为电信号，这样通过对比标准和样品的测量数据，计算样品的光谱反射比，从而标定标准色板。其缺陷是：一方面不适合棉花色泽测量的色板标定，另外，所测量的物体的区域很小，对于色板来说，其测量值不能反映色板的整体情况，影响色板标定的准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种专用于棉花色泽仪标准色板的标定方法。为此，本发明采用以下技术方案：它包括以下步骤：

1)、用对称的可见光源按45°方向照射光谱反射比ρstd(λ)接近于1的标准白板，并在0°角接收标准白板的反射光，

2)、接收、聚焦反射光并消除杂散光，然后传送反射光信号，

3)、接收步骤2)传送的反射光信号，会聚进入单色系统并消除二级光谱，

4)、对所述反射光信号采用扫描式顺序单色处理，使所述反射光信号按照时序被处理为间隔一定波长阶差输出的不同波长单色光，

5)、将步骤4)的单色光的光信号转换为电信号并输出，

6)、放大步骤5)输出的电信号，采样并传送给计算机处理，

7)、由计算机计算，获得标准白板在各个波长上的反射信号强度，

8)、对待测的棉花色泽仪标准色板按照步骤1)-步骤7)进行测定，获得待测的棉花色泽仪标准色板在各个波长上的反射信号强度，

9)、由计算机根据标准白板在各个波长上的反射信号强度以及待测的棉花色泽仪标准色板在各个波长上的反射信号强度，标定棉花色泽仪标准色板各个波长上的反射比。

由于采用本发明的技术方案，通过最适合棉花色泽测量的光源照射角度和反射光接收角，能够最切合棉花色泽测量的实际情况，并且能够根据测试要求使色板的部分或者所有区域都被光源照射，并适于对色板和反射光接收点的距离调节，使得所需要测试的色板有效区域的反射光都能被接收，从而提高色板标定的准确性。

进一步地，在步骤8)中，首先确定待测的棉花色泽仪标准色板的待测面积，调节待测的棉花色泽仪标准色板的反射光的0°角接收位与待测的棉花色泽仪标准色板之间的距离，使对应待测面积的待测部位的反射光都被接收。

进一步地，在步骤8)中，根据反射光的0°角接收位与待测的棉花色泽仪标准色板之间的距离的远近调节可见光源的强度，使光信号所转换输出的电信号幅度与对电信号的放大和采样过程相匹配，匹配后可以获得采样时待测标准色板所输出的各个波长上的最大反射信号达到采样输入的满量程。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种实现上述标定方法的棉花色泽仪标准色板的标定系统。为此，本发明采用以下技术方案：它包括：

微处理器，

色板的测试台，测试台设有色板放置位，

与标定色板在固定机构上的位置呈45°照射角的对称连续光谱可见光光源；

与待标定色板在固定机构上的位置呈0°角的将所述色板的反射光聚焦并消除杂散光的第一光学系统；

第二光学系统，将光纤输出的光信号会聚进入单色仪并消除二级光谱，

第一光学系统与第二光学系统之间设有传导光信号的光纤，

单色仪，所述单色仪接受第二光学系统输出的光信号，并由所述微处理器控制，扫描式地间隔一定波长阶差输出不同波长的单色光；

光电倍增管，接收所述单色光并转换为电信号；

放大器，对光电倍增管输出的电信号放大，

模拟/数字转换器，由所述微处理器控制下对放大的电信号采样并传送给微处理器，

所述第一光学系统与测试台上的色板放置位的距离可调。

由于采用本发明的技术方案，本发明所提供的标定系统具有以下优点：

1、采用双光路45度照明并在0度接收，其测试条件更接近于棉花色泽的测试条件，有利于棉花色泽仪的标定精度；

2、可以通过调整第一光学系统和被测色板的距离，调整被测色板所被测试到的面积，因此该系统可以测试不同面积的标准色板，色板标定更为准确。

3、由于第一光学系统所获得光信号为较大被测试面积的平均值，因此其光信号更均匀稳定。

在采用上述技术方案的同时，本发明所提供的棉花色泽仪标准色板的标定系统还可采用以下进一步的技术方案：

所述第二光学系统由透镜和用来消除二级光谱的蓝绿光截止滤光片组成。

所述第一光学系统由透镜、光栏和积分镜组成。这样，可以对视场角以外的杂散光进行屏蔽，具有更好的光学抗干扰功能。

所述第一光学系统与测试台上的色板放置位的距离调节由所述控制器控制，所述可见光光源的强度可调并由所述控制器控制。所述第一光学系统与测试台上的色板放置位的距离由所述控制器根据色板待测部位的面积大小而控制调节，所述可见光光源的强度可调并由所述控制器根据第一光学系统与测试台上的色板放置位的距离而控制调节。这样，当被测色板大小改变时，通过调节第一光学系统的测试距离，可以适应色板测试面积的变化，而由于测试面积改变将导致所接收到的光信号强度的改变，光信号在经过光纤，第二光学系统，单色仪及光电倍增管，放大器和ADC后，其信号强弱的变化可以由微处理器进行判别，通过微处理器的控制，可以使光源达到适合标定系统的优化状态和强度。

附图说明

图1为本发明所提供的棉花色泽仪标准色板的标定系统实施例的系统示意图。

图2为第一光学系统的示意图。

图3为第二光学系统的示意图。

具体实施方式

参照附图。本发明所提供的棉花色泽仪标准色板的标定系统包括：

微处理器，微处理器首先承担系统中的单色仪波长扫描的控制，增益控制、信号采样和与计算机的数据通讯功能；进一步地，微处理器还可承担所述第一光学系统与测试台上的色板放置位的距离控制，可见光光源的光强控制。

色板2的测试台1，测试台设有色板放置位。

与标定色板在固定机构上的位置呈45°照射角的对称可见光光源31、32。

与待标定色板在固定机构上的位置呈0°角的将所述色板的反射光聚焦的第一光学系统；所述第一光学系统由透镜41、光栏42和积分镜43组成。

第二光学系统，可以使由光纤输出的光信号会聚进入单色系统并消除二级光谱；所述第二光学系统由透镜51和用来消除二级光谱的蓝绿光截止滤光片52组成。

第一光学系统与第二光学系统之间设有传导光信号的光纤6，

单色仪，所述单色仪接受第二光学系统输出的光信号，并由所述微处理器经波长控制单元控制，扫描式地间隔一定波长阶差输出不同波长的单色光；

光电倍增管PMT，接收所述单色光并转换为电信号；

放大器，对光电倍增管输出的电信号放大，

模拟/数字转换器ADC，ADC由所述微处理器控制下对放大的电信号采样并经RS232/USB等接口传输到计算机，经计算分析后，可以分析被测色板的光谱特性。

所述第一光学系统与测试台上的色板放置位的距离可调。所述第一光学系统与测试台上的色板放置位的距离调节由所述控制器控制，所述距离的调节可以通过对色板放置位调整或通过对第一光学系统的位置调整而实现，比如，色板放置位设置在一丝杠螺母装置上，由微处理器通过对电机的控制而控制丝杠的转动角度，以实现色板放置位的调整，或者将第一光学系统安装在由电机带动的安装座上，通过对电机的控制而控制安装座的位置调节，从而调节第一光学系统相对于色板放置位的距离。所述第一光学系统与测试台上的色板放置位的距离由所述控制器根据色板待测面积大小而控制调节，使对应待测面积的待测有效部位的反射光都能被第一光学系统所接收。

所述可见光光源的强度也为可调，并由所述控制器通过对光源驱动电路的控制而实现，并实现对光源的恒流输出，所述控制器根据第一光学系统与测试台上的色板放置位的距离而对光源强度控制调节。

所述对称连续光谱可见光光源31、32为串联连接，这样可以保证双光源工作在相同的工作电流下，由于其光通量为事先测定并配对，因此所采用的双光源在相同驱动电流下，其光通量接近，这样双光源从2个45度角度照射到测试部位的光强基本相同，保证了均匀性。

在标定时，可采用以下步骤：

1)、用所述对称的可见光光源31、32按45°方向照射光谱反射比ρstd(λ)接近于1的标准白板，并在0°角接收标准白板的反射光。

2)、由第一光学系统接收、聚焦反射光至所述光纤6，由光纤6传送反射光信号。

3)、由第二光学系统接收光纤6传送的反射光信号。

4)、由单色仪在微处理器的控制下对所述反射光信号采用扫描式顺序单色处理，使所述反射光信号按照时序被处理为间隔一定波长阶差输出的不同波长单色光。

扫描的顺序可以从短波方向逐步向长波方向扫描，其扫描间隔可以根据实际需要确定，例如1nm、5nm、10nm、20nm等。

5)、由光电倍增管将步骤4)的单色光的光信号转换为电信号并输出，

6)、由放大器放大步骤5)输出的电信号，在微处理器的控制下，由ADC采样、采样值为Sstd(λ)，经RS232/USB等接口传输到计算机。

7)、由计算机计算，获得标准白板在各个波长上的反射信号强度，

在对标准白板的扫描过程中，由微处理器控制对由PMT输出的电信号经放大后被采样，其采样值为Sstd(λ)。

计算在各波长上的测试仪器常数K(λ)为：K(λ)＝Pe(λ)ρstd(λ)/Sstd(λ)，其中Pe(λ)为照明光源的光谱功率分布，ρstd(λ)为标准白板可见光波段的光谱反射比。

8)、对待测的棉花色泽仪标准色板按照步骤1)-步骤7)进行测定，获得待测的棉花色泽仪标准色板在各个波长上的反射信号强度，

在对棉花色泽仪标准色板的扫描过程中，由微处理器控制对由PMT输出的电信号经放大后被采样，其采样值为S(λ)。

9)、由计算机根据标准白板在各个波长上的反射信号强度以及待测的棉花色泽仪标准色板在各个波长上的反射信号强度，标定棉花色泽仪标准色板。

所需标定的棉花色泽仪标准色板光谱反射比ρ(λ)。由K(λ)＝Pe(λ)ρ(λ)/S(λ)可知：

ρ(λ)＝ρstd(λ)/Sstd(λ)×S(λ)

根据CIE1964补充标准色度系统计算色板XYZ三刺激值。

$\left\{\begin{array}{c}X=K{\∫}_{380}^{780}{P}_e\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{x}\left(\mathrm{\λ}\right)d\left(\mathrm{\λ}\right)\\ Y=K{\∫}_{380}^{780}{P}_e\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)d\left(\mathrm{\λ}\right)\\ Z=K{\∫}_{380}^{780}{P}_e\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{z}\left(\mathrm{\λ}\right)d\left(\mathrm{\λ}\right)\end{array}\right.$

在步骤8)中，首先确定待测的棉花色泽仪标准色板的待测面积，由微处理器根据待测面积，调节待测的棉花色泽仪标准色板的反射光的0°角接收位与待测的棉花色泽仪标准色板之间的距离，使对应待测面积的待测部位的反射光都被第一光学系统接收。

在步骤8)中，还可在进行以下处理：根据第一光学系统与待测的棉花色泽仪标准色板之间的距离的远近，再进一步调节可见光源的强度，使PMT中输出的电信号幅度与其后的放大采样过程相匹配，匹配后可以获得采样时待测标准色板所输出的各个波长上的最大反射信号达到采样输入的满量程，提高采样精度。

Claims (9)

1.棉花色泽仪标准色板的标定方法，其特征在于它包括以下步骤：

1)、用对称的可见光源按45°方向照射光谱反射比ρstd(λ)接近于1的标准白板，并在0°角接收标准白板的反射光，

2)、接收、聚焦反射光并消除杂散光，然后传送反射光信号，

3)、接收步骤2)传送的反射光信号，会聚进入单色系统并消除二级光谱，

4)、对所述反射光信号采用扫描式顺序单色处理，使所述反射光信号按照时序被处理为间隔一定波长阶差输出的不同波长单色光，

5)、将步骤4)的单色光的光信号转换为电信号并输出，

6)、放大步骤5)输出的电信号，采样并传送给计算机处理，

7)、由计算机计算，获得标准白板在各个波长上的反射信号强度，

8)、将步骤1)-步骤7)中的标准白板替换为待测的棉花色泽仪标准色板，并按照步骤1)-步骤7)进行测定，获得待测的棉花色泽仪标准色板在各个波长上的反射信号强度，

9)、由计算机根据标准白板在各个波长上的反射信号强度以及待测的棉花色泽仪标准色板在各个波长上的反射信号强度，标定棉花色泽仪标准色板各个波长上的反射比。

2.如权利要求1所述的棉花色泽仪标准色板的标定方法，其特征在于在步骤8)中，确定待测的棉花色泽仪标准色板的待测面积，调节待测的棉花色泽仪标准色板的反射光的0°角接收位与待测的棉花色泽仪标准色板之间的距离，使对应待测面积的待测部位的反射光都被接收。

3.如权利要求2所述的棉花色泽仪标准色板的标定方法，其特征在于在步骤8)中，根据反射光的0°角接收位与待测的棉花色泽仪标准色板之间的距离的远近调节可见光源的强度，使光信号所转换输出的电信号幅度与对电信号的放大和采样过程相匹配，匹配后获得采样时待测标准色板所输出的各个波长上的最大反射信号达到采样输入的满量程。

4.实现权利要求1所述标定方法的棉花色泽仪标准色板的标定系统，其特征在于它包括：

微处理器，

色板的测试台，测试台设有色板放置位，

与色板在固定机构上的位置呈45°照射角的对称连续光谱可见光光源；

与色板在固定机构上的位置呈0°角的将所述色板的反射光聚焦并消除杂散光的第一光学系统；

第二光学系统，将光纤输出的光信号会聚进入单色仪并消除二级光谱，

第一光学系统与第二光学系统之间设有传导光信号的光纤，

单色仪，所述单色仪接受第二光学系统输出的光信号，并由所述微处理器控制，扫描式地间隔一定波长阶差输出不同波长的单色光；

光电倍增管，接收所述单色光并转换为电信号；

放大器，对光电倍增管输出的电信号放大，

模拟/数字转换器，由所述微处理器控制下对放大的电信号采样并传送给微处理器，

所述第一光学系统与测试台上的色板放置位的距离可调。

5.如权利要求4所述的棉花色泽仪标准色板的标定系统，其特征在于所述第二光学系统由透镜和用来消除二级光谱的蓝绿光截止滤光片组成。

6.如权利要求4所述的棉花色泽仪标准色板的标定系统，其特征在于所述第一光学系统由透镜、光栏和积分镜组成。

7.如权利要求4所述的棉花色泽仪标准色板的标定系统，其特征在于所述第一光学系统与测试台上的色板放置位的距离调节由控制器控制，所述可见光光源的强度可调并由所述控制器控制。

8.如权利要求4所述的棉花色泽仪标准色板的标定系统，其特征在于所述第一光学系统与测试台上的色板放置位的距离由控制器根据色板待测面积大小而控制调节。

9.如权利要求4所述的棉花色泽仪标准色板的标定系统，其特征在于所述对称连续光谱可见光光源为串联连接。

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