籽棉顏色級檢測儀的研制

〔安徽財經(jīng)大學(xué)，安徽蚌埠233041〕

自2013年9月1日正式實施GB 1103.1—2012（棉花第1部分：鋸齒加工細(xì)絨棉），全面推行儀器化公證檢驗（顏色級檢驗）以來，我國棉花檢驗體制發(fā)生了根本變化，皮棉質(zhì)量檢驗做到了智能、快速、高效，實現(xiàn)了與國際接軌。然而，在涉及農(nóng)商貿(mào)易以及棉農(nóng)、軋花廠實際利益的籽棉收購環(huán)節(jié)，卻很少根據(jù)顏色級收購籽棉，甚至在實際收購工作中根本不按照籽棉收購檢驗相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，而且各地執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)算方法不盡一致。如何進(jìn)行籽棉顏色級檢驗，并確定籽棉顏色級與皮棉顏色級的關(guān)系，一直是業(yè)內(nèi)亟待解決的問題，也是困擾該環(huán)節(jié)工作的難題。

大量的對比試驗表明，現(xiàn)有的棉花顏色分級儀還不能適應(yīng)籽棉顏色級檢驗的需要。如果直接將皮棉顏色級檢測儀器應(yīng)用于籽棉顏色級檢驗，則檢驗誤差非常大，檢驗的結(jié)果也不能使籽、皮棉一一對應(yīng)。為此，開展籽棉顏色級快速檢測技術(shù)研究，研制適用于籽棉收購檢驗的快速檢測儀器，對保證籽棉收購的科學(xué)性、合理性，以及籽棉質(zhì)量檢驗的準(zhǔn)確性具有重要意義。

鑒于籽棉樣品分布的特殊性（單粒籽棉品質(zhì)差異明顯、分布不均勻、棉瓣間相互差異大），加上回潮率含雜率影響顯著、檢驗樣品密度難以掌握等，要實現(xiàn)對其顏色的穩(wěn)定測量比較困難。對此，我們進(jìn)行了針對性實驗，并對光源的選擇、照射方式、傳感器的排列與信號采集、測試環(huán)境要求等進(jìn)行了專門研究與設(shè)計，研制開發(fā)了籽棉顏色級檢測儀器。

一、棉花顏色級的測量原理

（一）反射率與黃度的計算

光澤和顏色是棉花顏色特征的兩個方面，既是棉纖維外表的物理反映，又與纖維內(nèi)在質(zhì)量有密切關(guān)系。棉花的光澤是指棉纖維反射光線的性能，以人所感覺到的光亮程度來衡量，使用反射率（Rd）表示。同等光照條件下，光澤的好壞與棉纖維成熟程度及表面狀態(tài)有密切關(guān)系?？傮w而言，成熟好、纖維表面平滑、蠟質(zhì)好，光澤就好；反之，光澤差。棉纖維在白色光源照射下對不同波長的光吸收、反射能力不同，反映到人眼中，這種視覺現(xiàn)象用黃度（+b）表示。反射率（Rd）和黃度（+b）是棉花顏色特征的數(shù)量指標(biāo)，據(jù)此確定的顏色級是棉花質(zhì)量檢驗的重要指標(biāo)之一，也是棉花應(yīng)用和貿(mào)易結(jié)價的主要指標(biāo)。

棉花顏色分級中采用Nickerson-Hunter色度空間。由于用RGB顏色空間在比配等能光譜時存在負(fù)比例，為了用三基色定義所有的顏色，國際照明委員會（CIE）定義了三種虛擬的標(biāo)準(zhǔn)基色XYZ，使顏色比例全部為正值，稱為XYZ顏色空間.XYZ空間與RGB空間的線性轉(zhuǎn)換如下：

該顏色空間包含人類所能感知的全部顏色，這與RGB顏色空間僅表示顯示器所能顯示的顏色范圍有很大差異，XYZ顏色空間的一個重要屬性是它的設(shè)備無關(guān)性。

反射率和黃度的計算公式如下：

由此，測量出物體RGB值，再轉(zhuǎn)換為X、Y、Z三刺激值，計算出Rd、+b值。

（二）顏色分級圖

我國棉花顏色分級圖如圖1所示。按照棉花顏色級分級標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)棉花黃色深度（+b）將棉花劃分為白棉、淡點(diǎn)污棉、淡黃染棉、黃染棉4種類型。依據(jù)棉花明暗程度（Rd）將白棉分5個級別，淡點(diǎn)污棉分3個級別，淡黃染棉分3個級別，黃染棉分2個級別，共13個級。棉花的顏色級用兩位數(shù)字表示，第一位是級別，第二位是類型。其中，白棉代號分別為：11、21、31、41、51；淡點(diǎn)污棉代號分別為：12、22、32；淡黃染棉代號分別為：13、23、33；黃染棉代號分別為：14、24。

圖1 顏色分級圖

皮棉顏色級檢驗時，感官檢驗對照顏色級實物標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合顏色級文字描述確定顏色級。儀器檢驗則根據(jù)實測的Rd、+b值對照顏色分級圖（分級方程）確定相應(yīng)級別。

由于本研究開發(fā)的儀器測量的是籽棉的Rd、+b，而現(xiàn)行的顏色分級圖是針對皮棉顏色級檢驗的，不能直接照搬使用，因此，我們通過對籽棉樣品以及試軋后對應(yīng)的皮棉樣品的測量數(shù)據(jù)分析，建立了籽棉與皮棉顏色級（Rd，+b）對應(yīng)關(guān)系模型，通過換算獲得籽棉顏色級結(jié)果。

二、籽棉顏色級檢測儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計

儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。

（一）硬件設(shè)計

與已有的皮棉顏色級測量的設(shè)備不同，本設(shè)備由于要測量籽棉顏色級，在采集窗口大小、照明光源及顏色傳感器陣列等方面作了專門設(shè)計。其工作方式是：對稱環(huán)形LED光源照明棉花樣品，由棉花表面漫反射的光在零度方向被多路顏色傳感器接收，再由單片機(jī)組成的采集和處理系統(tǒng)對信號進(jìn)行分析處理，輸出Rd、+b，在設(shè)備本身的小顯示器上顯示并通過RS232串口傳輸給計算機(jī)存儲，以備進(jìn)一步分析處理，如圖2所示。

圖2 籽棉顏色級分析儀原理圖

由于籽棉表面不平整，在燈光的照射下，低洼處會產(chǎn)生陰影，影響測量結(jié)果，為抵消這種影響，加大了采樣的玻璃窗口。皮棉顏色級測量儀器中一般采用對稱45度角照明，本設(shè)備為使光線更均勻，采用環(huán)形光源。多個顏色傳感器既可以抵消傳感器本身不完全一樣而產(chǎn)生的誤差，也可以在一定程度上抵消籽棉表面不均勻產(chǎn)生的誤差，使測量結(jié)果更加穩(wěn)定。

（二）軟件設(shè)計

儀器的軟件采用VS2013作為開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)，主要由三大部分組成：一是對籽棉顏色級測試儀硬件的自動控制；二是設(shè)備校準(zhǔn)功能；三是對測量數(shù)據(jù)存儲、打印與管理。

1.籽棉顏色級檢測儀硬件的自動控制。

系統(tǒng)采用串口通信技術(shù)實現(xiàn)了檢測儀器硬件與上位機(jī)的連接，在硬件和上位機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接后，檢測軟件啟動過程中會自動連接檢測設(shè)備，如果連接失敗，則提示重新連接。系統(tǒng)連接正常后，將檢測設(shè)備的檢測部件放置于待檢測籽棉樣品上，通過軟件啟動檢測，檢測結(jié)果會自動顯示在操作界面上，整個檢測過程如圖4所示。同時，在檢測過程中，也可以啟動檢測設(shè)備上的檢測按鈕進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果會通過串口傳輸至上位機(jī)軟件界面上，如圖3所示，實現(xiàn)了籽棉顏色級的自動化檢測。

圖3 軟件運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

圖4 檢測流程圖

2.設(shè)備校準(zhǔn)功能。

對于精密光學(xué)儀器來講，校準(zhǔn)工作至關(guān)重要，不可或缺。當(dāng)軟件運(yùn)行一定時間，比如24小時后，為保證檢測的準(zhǔn)確性，需要對檢測設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)通過軟件菜單中的白、黑板校準(zhǔn)進(jìn)行，校準(zhǔn)過程中，根據(jù)軟件提示依次放入白板、黑板進(jìn)行校準(zhǔn)；同時，軟件還支持標(biāo)準(zhǔn)瓷板（如圖5所示）校準(zhǔn)，進(jìn)一步驗證白黑板校準(zhǔn)的效果。

圖5 校驗用瓷板

3.數(shù)據(jù)存儲與管理。

檢測過程中，每次檢測得到的Rd、+b、顏色級、檢測時間等數(shù)據(jù)，軟件都會自動保存在數(shù)據(jù)庫中。在測量完成后，可以通過對軟件的操作，在數(shù)據(jù)管理菜單中，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計、打印和導(dǎo)出。

三、結(jié)語

本研究開發(fā)的籽棉顏色級檢測儀，在樣品測試窗口的大小、照明光源的選擇、照射方式、傳感器的排列與信號采集、測試環(huán)境要求等進(jìn)行了針對性研究與設(shè)計。并通過對籽棉樣品以及試軋后對應(yīng)的皮棉樣品的測量數(shù)據(jù)分析，建立了籽棉與皮棉顏色級（Rd，+b）對應(yīng)關(guān)系模型，實現(xiàn)了對籽棉顏色級的直接測量，也為智能化籽棉收購系統(tǒng)的開發(fā)提供了技術(shù)支持?！?/p>