一種新型棉花色澤儀及棉花色澤測量方法

2023-06-28 23:14:21

專利名稱：：一種新型棉花色澤儀及棉花色澤測量方法
技術領域：
：本發明涉及一種棉花色澤儀及棉花色澤測量方法。
背景技術：
：我國的棉花種植大約有2000年的歷史。目前對於棉花質量檢驗一般是根據棉花的成熟程度、色澤特徵、軋工質量等條件把棉花分為不同等級。其中棉花的色澤檢驗是棉花分級的一個重要依據。早期的棉花色澤檢驗主要是通過分級員的眼睛來確定的，但是人眼目視的主觀測量包含著人為因素，只能初略地評價棉花的色差，而不能對色澤進行絕對測量。從色度學角度來看，對於任何物體的顏色評價都與其照明光源有關，因此作為棉花色澤測量的色度測量儀器必須綜合人眼的光譜光視效率特性和其照明光源的光譜特性，同時在採用統一標準的照明和幾何測量條件下，才能客觀地評價棉花色澤的特性。目前市場上成熟的專用棉花色澤測量儀器是美國Spinlab公司930棉花色澤儀和HVISpectrum,通過測量棉花的反射比Rd和黃度b，實現對棉花分級的測量。我國對於棉花色澤測量的研究己有幾十年的歷史，測量方法和國際上測量棉花色澤的方法一致，都是基於Nickerson-Hunter色度空間，儀器採用5塊標準色板對測量儀器進行色度標定，測量棉花的反射比Rd和黃度b來評價棉花的色澤分級。目前，棉花色澤測量儀器一般採用光電積分法，即930棉花色澤儀所採用的方法，其原理是採用光譜響應符合國際照明委員會CIE色刺激值I7Z曲線的色度傳感器，測量棉花的顏色信息，並基於Nickerson-Hunter色度計算公式計算棉花的Rd和b值。但是由於積分式色度傳感器的匹配是此類色度測量方法的難點，對於ciE標準xrz曲線的匹配精度將是棉花色澤測量中的一個重要誤差因素。因此，雖然對標準色板具有較好的測量精度和重複性，但是對於實際棉花色澤的測量還有偏差，精度不高。目前流行的另一種棉花色澤測量方法是分光光度法，代表儀器是HVI-Spectrum。該方法採用光譜分析儀作為傳感器，測量進入人眼的色刺激函數cp(X)，得到被測物體在各個波長下的光譜能量值，採用積分運算獲得光譜三刺激值，並基於Nickerson-Hunter色度計算公式計算棉花的Rd和b值。該方法把所有光譜信號全部測量下來，因此理論上說沒有誤差。但在實際測量中，一般是間隔lnm/5nm/10nm等對可見光波段進行採樣，如果採用5nm間隔採樣，可見光波段從380nm-780nm共400nm，這樣，如果全部採用波段傳感器就需要81個探測器，即使釆用20nm間隔採樣也需要21個波段傳感器，因此不僅成本巨大，幾十個探測器的安裝也很成問題。
發明內容本發明首先所要解決的技術問題是提供一種測量準確但成本相對較低的新型棉花色澤儀。為此，本發明採用以下技術方案它的傳感器由y(;i)傳感器和5個-10個波段傳感器組合而成的Z(義)傳感器組成，所述5個-10個波段傳感器分別為藍色光波長範圍內的不同波長的傳感器，所述藍色光波長範圍內的不同波長的取值分布分為第一波長區間、第二波長區間、第三波長區間，所述第一波長區間為CIE1964補充標準色度觀察者光譜三刺激值中的Z刺激值峰值區域所對應的波長區間，第一波長區間為435nm-455nm，所述第二波長區間為小於第一波長區間的波長大於等於380nm，所述第三波長區間為大於第一波長區間的波長小於等於560nm;對應上述3個波長區間，都分別設置不少於1個的用於組合成Z(義)傳感器的波段傳感器。第一波長區間優選為440nm-450nm，最優為445nm。根據色度學原理，為了計算光源(光譜功率分布為Pe(;i))或物體的顏色(光譜反射比為p(A))，首先需要測量進入人眼的光譜組成，進入人眼的光譜能量為^;t)，稱為色刺激函數，由測試儀器測量獲得。根據測量所獲得的色刺激函數，可計算出CIE標準色度觀察者光譜三刺激值X、Y、Z，X、Y、Z分別代表了顏色(光源色或物體色)的紅、綠、藍組成成分。y=￡。Ve(;i式(i)z=尺￡Ve(/i)p(;i)式中《(義)為照明物體的光源的相對光譜功率分布，P(A)為物體的光譜反射比，H義)5(A)為CIECIE1931標準色度觀察者光譜三刺激值，x為常數。^ioo七"CIE1931-XYZ系統應用於視場為1°-4°的範圍之內，而當視場大於4。時，人眼對顏色的感覺會發生變化，為了適應10。大視場的色度測量，CIE於1964年推出C正1964補充標準色度觀察者光譜三刺激值如圖3，在大視場色度測量及計算中以CIE1964-XYZ系統代替C正1931-XYZ系統。棉花色澤的測量就屬於大視場的色度測量。此外，由於人眼對顏色亮度和飽和度分級不存在線性關係，國際上在棉花色澤分級中普遍採用了Nickerson-Hunter色度空間，Nickerson-Hunter色度空間的色度計算公式如式(3)formulaseeoriginaldocumentpage6根據所獲得Y剌激值和Z刺激值採用式(3)計算可以得到棉花的反射比Rd和黃度b。CIE-XYZ作為對棉花色澤測量的原始顏色信息，其測量的準確度直接關係到棉花色澤的測量精度。長期以來，高匹配精度的色度傳感器一直是困擾棉花顏色測量的一個難點。根據Nickerson-Hunter色度空間，構成棉花Rd和b的主要色度信息來自和Z(義)傳感器。由於F(A)傳感器不僅僅運用在棉花色澤測量領域，同時在照度、亮度、光通量等其他光度測量領域中也被廣泛使用，因此長期以來對於r(;i)傳感器的研究較為成熟。目前高精度的y(;i)傳感器匹配誤差fi優於3e/。。而相對於傳感器，z(義)傳感器精度普遍不高。根據z(A)傳感器波長分布特性，發明人把z(;i)傳感器分為若干個波段，分別測試計算並組合成Z(/L)傳感器。由此構成本發明的採用精度較高的r(;i)傳感器和多個波段傳感器組合而成的z(;i)傳感器組成的技術方案，在經過實驗，發明人驚奇地發現，採用該技術方案，最少利用5個波段傳感器組合而成的z(義)傳感器和i個y(;i)傳感器能夠達到測量結果aR<K±1(%)，AbS±0.5的測量精度，不僅保證了測量精度，同時大幅降低了儀器成本和測量成本。在釆用本發明的上述技術方案的同時，本發明還可採用以下進一步的技術方案根據CIE1964標準曲線中Z刺激值短波方向上升速度較快，而長波方向下降速度較慢的特點，第二波長區間內的波長取值間距不大於第三波長區間內的波長取值間距。第二波長區間內的最短波長的取值，滿足所取波長不小於400nm，第三波長區間內的最長波長的取值，滿足所取波長不大於510nm。從第二波長區間內所選取的波長，它們的波長取值與第二波長區間的最大值和最小值之間間距均勻。從第三波長區間內所選取的波長，它們的波長取值與第三波長區間的最大值和最小值之間間距均勻。從第一波長區間內所選取的波長，它們的波長取值與第一波長區間的波長最大值和波長最小值之間間距均勻，或者它們是第一波長區間的波長最大值和波長最小值，或者，它們包含了第一波長區間的波長最大值和波長最小值。以上的進一步的技術方案，均能夠用儘可能少的波段傳感器獲得更理想的測量準確性。圖1為本發明所提供實施例的系統簡圖。圖2為本發明所提供實施例的探頭主體的示意圖。圖3為C正1964補充標準色度觀察者光譜三刺激值中的Y和Z剌激值圖。具體實施例方式參照附圖。本棉花色澤儀實施例中設有i個y(;i)傳感器7和6個波段傳感器組合而成的Z(;i)傳感器，Z(義)傳感器的標號分別為1、2、3、4、5、6，它們集成在探頭100中，探頭100上還集成有用於棉花雜質測量的傳感器10，所述棉花色澤儀還設有與用於棉花雜質測量的傳感器、y(/l)傳感器和所述6個用於組合成Z(義)傳感器的波段傳感器連接的多路放大器20、模擬開關30、模/數轉換器40、微處理器50，多路放大器與模擬開關連接，模擬開關與模/數轉換器連接，模/數轉換器與微處理器連接，微處理器通過RS232接口與計算機連接。其光源採用對稱的光源以45。方向照明棉花樣品，由棉花表面漫反射的光在0°方向被所述傳感器接收。傳感器接受信號後，其輸出的多路光電信號被放大，由微處理器控制模/數轉換器對信號實時採樣並通過RS232接口60輸出到計算機70，由計算機進行數據分析，並計算出反射比Rd和黃度b。所述6個波段傳感器分別為藍色光波長範圍內的不同波長的傳感器，所述藍色光波長範圍內的不同波長的取值分布分為第一波長區間、第二波長區間、第三波長區間，所述第一波長區間為CIE1964補充標準色度觀察者光譜三剌激值中的Z刺激值峰值區域所對應的波長區間，第一波長區間為435nm-455nm，所述第二波長區間為小於第一波長區間的波長大於等於380nm，所述第三波長區間為大於第一波長區間的波長小於等於560nm。所述r(;i)傳感器由用於y(/l)校正的1組濾光片和探測器構成，5個-10個波段傳感器分別由不同波段的濾光片和探測器構成考慮到CIE標準曲線中Z刺激值峰值在445nm，因此波段選取中，第一波長區間優選取其峰值波長445nm。考慮到實際加工中幹涉濾光片的波長漂移以及安裝工藝，因此第一波長區間也可以是為445nm土5nm或者445nm土10nm。當第一波長區間取值為445nm±5nm或者445nm±10nm時，在該波段區間內設置不少於1隻波段傳感器。本實施例中，Z(義)傳感器所對應的波長分別為415nm、430nm、445nm、465nm、485nm、505nm，並由上述多波段組成Z(;i)傳感器。測量儀經過標準色板標定後，根據以上的步驟，對美國USDA進口標準棉樣(127#)1套12個樣品進行了實際測量。測量中考慮到棉花樣品與標準色板比較，其均勻性及在各個方向的一致性較差，因此實際測量時，每個棉樣均測量4個方向的Y和Z值並通過Nickerson-Hunter色度計算公式計算獲得Rd和b值，即每測量1次轉動90。，同樣方法旋轉2周後，獲得8個測量數據，以平均值表示最終棉花樣品的Rd和b值。其測量結果如下tableseeoriginaldocumentpage9上述測量結果表明基於多波段傳感器技術的棉花色澤儀，在保證了其色傳感器對棉樣原始色度信號的採樣精度後，其測量值Rd和b的誤差信號ARd±Ll(%)，Ab^±0.5。上述結果是對棉樣的實際測量，相對於色板測量更具有實用價值。權利要求1.新型棉花色澤儀，其特徵在於它的傳感器由Y(λ)傳感器和5個-10個波段傳感器組合而成的Z(λ)傳感器組成，所述5個-10個波段傳感器分別為藍色光波長範圍內的不同波長的傳感器，所述藍色光波長範圍內的不同波長的取值分布分為第一波長區間、第二波長區間、第三波長區間，所述第一波長區間為CIE1964補充標準色度觀察者光譜三刺激值中的Z刺激值峰值區域所對應的波長區間，第一波長區間為435nm-455nm，所述第二波長區間為小於第一波長區間的波長大於等於380nm，所述第三波長區間為大於第一波長區間的波長小於等於560nm；對應上述3個波長區間，都分別設置不少於1個的用於組合成Z(λ)傳感器的波段傳感器。2.如權利要求1所述的新型棉花色澤儀，其特徵在於所述第二波長區間和第三波長區間分別設置不少於2個的用於組合成Z(義)傳感器的波段傳感器。3.如權利要求1或2所述的新型棉花色澤儀，其特徵在於所述第一波長區間為440nm-450nm。4.如權利要求1或2所述的新型棉花色澤儀，其特徵在於所述第一波長為445nm。5.如權利要求1或2所述的新型棉花色澤儀，其特徵在於第二波長區間內的最短波長的取值不小於400rnn,第三波長區間內的最長波長的取值不大於510nm。6.如權利要求1或2所述的新型棉花色澤儀，其特徵在於第二波長區間內的波長取值間距不超過第三波長範圍內的波長取值間距。7.如權利要求1或2所述的新型棉花色澤儀，其特徵在於從第二波長區間內所選取的波長，它們的波長取值與第二波長區間的最大值和最小值之間間距均勻。8.如權利要求1或2所述的新型棉花色澤儀，其特徵在於從第三波長區間內所選取的波長，它們的波長取值與第三波長區間的最大值和最小值之間間距均勻。9.如權利要求1或2所述的新型棉花色澤儀，其特徵在於從第一波長區間內所選取的波長，它們的波長取值與第一波長區間的波長最大值和波長最小值之間間距均勻，或者它們是第一波長區間的波長最大值和波長最小值，或者，它們包含了第一波長區間的波長最大值和波長最小值。10.如權利要求1或2所述的新型棉花色澤儀，其特徵在於它設有與用於棉花色澤測量的r(義)傳感器和所述5個-10個波段傳感器組合而成的Z(義)傳感器連接的多路放大器、模擬開關、模/數轉換器(ADC)、微處理器，其中多路放大器與模擬開關連接，模擬開關與模/數轉換器(ADC)連接，模/數轉換器與微處理器連接，微處理器通過RS232接口與計算機連接；所述用於棉花色澤測量的傳感器和所述5個-10個波段傳感器組合而成的Z(A)傳感器集成在探頭主體中。全文摘要本發明提供了一種新型棉花色澤儀，它的傳感器由Y(λ)傳感器和5個-10個波段傳感器組合而成的Z(λ)傳感器組成，5個-10個波段傳感器分別為藍色光波長範圍內的不同波長的傳感器，藍色光波長範圍內的不同波長的取值分布分為第一波長區間、第二波長區間、第三波長區間，本發明最少利用5個波段傳感器組合而成的Z(λ)傳感器和1個Y(λ)傳感器能夠達到測量結果ΔRd≤±1(％)，Δb≤±0.5的測量精度，不僅保證了測量精度，同時大幅降低了儀器成本和測量成本。文檔編號G01J3/46GK101551274SQ20091009792公開日2009年10月7日申請日期2009年4月23日優先權日2009年4月23日發明者煒葉申請人:浙江大學