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標準白板的光譜特性對白度計校準的作用
閱讀：54 發(fā)布時間：2024-12-30白度量值是對面粉、白糖、涂料、塑料、瓷器和紙張等眾多產(chǎn)品進行質(zhì)量評價的一個主要指標。白度計是用于測量物體表面白色和近白色程度的計量儀器。白度計測量結(jié)果的準確程度與相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量密切相關(guān)，因此對白度計的計量在輕工、食品、建材、造紙等行業(yè)有著十分重要的意義。
在歷曾有過100多種白度公式，目前，仍廣泛使用的有CIE(甘茨)白度、藍光白度和亨特白度等白度公式。不同行業(yè)根據(jù)測量對象可以選擇不同的白度公式進行評價，藍光白度是國內(nèi)應(yīng)用廣泛的量值。在白度計的藍光白度的計量校準中，由于選擇的計量標準器不同，會得到不同的校準結(jié)果。本文使用兩套計量標準器校準3臺白度計，得出不同的級別判定，通過實驗數(shù)據(jù)分析，證明系列標準白板的光譜特性對白度計校準有重要的影響。
一、藍光白度的測量和計算
國內(nèi)普遍將Wb或者R457表示為藍光白度。實際上它是對特定波長的藍光反射比的測量。在很多文獻中它被稱為藍光亮度或ISO亮度以及藍光漫反射因數(shù)。國際標準化組織(ISO)對其進行如下定義:儀器總體有效光譜響應(yīng)曲線采用峰值波長在457nm、半寬度44nm的藍光測定樣品的反射比。其定義公式為:
Wb=R457=kb∑β(λ)F(λ)Δλ(1)
式中:kb=100/∑F(λ)Δλ；β(λ)——樣本物體色的光譜反射因數(shù)；F(λ)——藍光白度測量儀器相對光譜響應(yīng)分布，數(shù)值見JJG512-2002《白度計》計量檢定規(guī)程表A.2；Δλ——波長間隔5nm。
二、白度計的結(jié)構(gòu)
國內(nèi)大多數(shù)白度計都屬于光電積分式測色儀器，由光源、探測器和數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)等組成。探測器由濾色器和光電接收器組成。用計算機程序優(yōu)選濾色器的匹配與修正，以*佳組合使儀器的光源、光學(xué)系統(tǒng)、探測器三者的總光譜靈敏度響應(yīng)盡量符合盧瑟條件的要求。儀器經(jīng)過標準白板定標后，可以直接測量物體的色度值X10、Y10、Z10三刺激值。盧瑟條件見JJG595-2002《測色色差計》檢定規(guī)程中公式
(1)和公式(2)。
某類光電積分式白度計測量藍光白度，采用經(jīng)驗公式(2)以及計算得到的物體色的三刺激值中的Z10計算出藍光白度R457值。
經(jīng)驗公式:R457=fZ10+k(2)
式中:R457——藍光白度值；f——某一常數(shù)；k——另一常數(shù)；Z10——物體色的三刺激值之一。
本文實驗中所用的白度計就是利用該原理進行藍光白度R457值測量的儀器。此類白度計的價格低、測量速度快、應(yīng)用廣泛。
光電積分式白度計測量白度值的誤差主要取決于對盧瑟條件的滿足程度，誤差源有以下幾點:
光電積分式測色儀器利用經(jīng)驗公式(2)計算藍光白度R457時，與ISO定義的藍光白度R457理論值的存在偏離。
光電積分式白度計濾色器設(shè)計時，要使匹配濾色器將儀器的總光譜響應(yīng)度擬合*符合盧瑟條件是非常困難的。由于濾色器受到材料的限制等因素，擬合的不*導(dǎo)致在原理上存在誤差。
三、有關(guān)白度計檢定和校準的方法
依據(jù)JJG512-2002，使用系列標準白板對白度計進行檢定或校準。系列標準白板在(380～780)nm范圍內(nèi)平均輻亮度因數(shù)為(90±2)%的標準白板A、(73±4)%的標準白板B作為計量標準器。示值誤差測量:用標準白板A校準白度計，測量另一塊標準白板B；用標準白板B校準白度計，測量標準白板A。兩次測量值與被測白板的標準值之差，取最大值的絕對值作為白度計的示值誤差。依據(jù)示值誤差對白度計進行分級評價，一級示值誤差有效期不超過1.0，二級示值誤差不超過2.0。
四、白度計校準中出現(xiàn)的問題
在白度計校準過程中，由于選擇的計量標準器不同，對同一臺白度計的校準結(jié)果也會有差異。本節(jié)中利用兩套系列標準白板對3臺白度計分別進行校準來說明這一問題。所用的計量標準器符合JJG512-2002的要求。實驗選取了國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的同一型號的3臺光電積分式白度計，編號分別為1、2、3。該型號是目前國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的白度計，照明/觀測條件為0/d，可直接測量在D65照明體10°視場下的色度值。
選取2套系列標準白板作為計量器具用于檢定白度計。每套包括2塊白板，其中一套系列板編號為A1、B1，其藍光白度分別為89.0和76.6；另外一套系列板編號為:A2、B2，其藍光白度分別為91.0和74.2。A1和B1在(380～780)nm波長范圍內(nèi)平均輻亮度因數(shù)分別為90.5%和73.8%;A2和B2平均輻亮度因數(shù)分別為90.7%和74.5%；標準白板測量標準不確定度U(Y)=0.8(k=1)。這兩套系列標準白板具有較好的漫反射特性、光澤低、機械強度高、光學(xué)穩(wěn)定性、易清潔、不含熒光、不透明、陶瓷材料，并且都在檢定周期內(nèi)。系列標準白板的白度值是通過光譜光度方法測量得出，其量值在校準中作為標準值使用。采用標準白板檢定量值的照明觀測條件與被校準檢測的白度計的照明體觀測條件均為同一條件。
選用這兩套系列標準白板對3臺白度計分別進行校準，校準結(jié)果列表如表1所示。
缺插圖！
表1用系列標準白板A、B組檢測白度計1、白度計2、白度計3的校準結(jié)果
用兩套系列標準白板分別測量3臺儀器，測量結(jié)果顯示，儀器的零點漂移、示值穩(wěn)定性、重復(fù)性等指標都符合計量性能一級要求，在此略去表述。上述實驗的環(huán)境條件:溫度(23±2)℃，相對濕度<75%RH。將檢測設(shè)備和被檢白度計置于無強電磁場干擾、無強震動、無陽光直照室內(nèi)，2h后進行檢測。
五、對白度計檢測中測量結(jié)果和級別判定的分析
在表1中，用符合檢定規(guī)程的兩組計量標準器校準同一臺白度計，得出不同的檢測級別的結(jié)論。示值誤差校準結(jié)果差異達到0.4以上，致使對儀器的級別判定也有所不同。
白度計儀器本身設(shè)計原理所引起的示值誤差之外，在校準白度計過程中有什么因素會導(dǎo)致其示值誤差校準結(jié)果的差異呢？其中兩組系列標準白板在可見光波段內(nèi)的光譜選擇性是不同的。因此，有必要對系列標準白板的光譜特性與白度計示值誤差的相關(guān)性加以探討。用光譜測色儀分別對兩套A、B系列標準白板進行測量，其光譜輻亮度因數(shù)曲線如圖1和圖2所示。
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圖1系列標準白板A1、B1光譜輻亮度因數(shù)曲線
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圖2系列標準白板A2、B2光譜輻亮度因數(shù)曲線
比較分析兩組系列標準白板的光譜輻亮度因數(shù)曲線特點。
圖2中系列標準白板A2、B2的光譜輻亮度因數(shù)曲線在420nm后相對平坦，且二者比較平行，兩條曲線趨勢間隔較為一致。圖1中標準白板B1的光譜輻亮度因數(shù)曲線有一定的光譜選擇性。A1與B1兩條曲線不平行，兩條曲線間隔不均勻。在(380～780)nm波長區(qū)域里分別作兩組系列標準白板光譜輻亮度因數(shù)之差:(A1-B1)，(A2-B2)曲線，如圖3所示。圖3中在(420～780)nm可見波長范圍，(A2-B2)的光譜輻亮度因數(shù)之差曲線基本上趨于一條直線。A1和B1光譜輻亮度因數(shù)之差曲線在可見波長范圍有稍大的起伏變化。
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圖3兩組系列標準白板光譜輻亮度因數(shù)之差
由此推論，系列標準白板的光譜反射因數(shù)特性的不同，是導(dǎo)致兩組系列標準白板校準白度計示值結(jié)果不同的原因之一。
六、討論與建議
準確測定白度計的性能，就需要考慮光源、探測器、修正濾光片和光學(xué)系統(tǒng)以及定標白板的光譜特性，這是生產(chǎn)廠商和儀器研發(fā)單位需要仔細研究和解決的問題，對成品儀器進行分光譜測量是非常復(fù)雜的。計量部門采用系列標準白板的藍光白度值對白度計進行校準檢測或分級，是對白度計作較為寬泛宏觀的評估，簡單又快捷。
本文所作的實驗結(jié)果顯示，使用兩組符合白度計檢定規(guī)程要求而光譜特性不同的系列標準白板檢測同一臺白度計的藍光白度R457值時，會得出不同的校準結(jié)果和判定等級。系列標準白板的光譜輻亮度特性對白度計R457白度值的校準結(jié)果是有影響的，對白度計的判定級別也有所影響。
本文所討論的實驗結(jié)果在校準檢測某些光電積分式測色儀器時，時常會出現(xiàn)。而這類白度計目前又在大量使用。這種類似的情況如果發(fā)生在兩個計量檢定單位之間或生產(chǎn)廠家與計量單位之間就會造成對白度計測量評價結(jié)果的不一致，易引起爭議和糾紛。本文得到的實驗結(jié)果，對白度計校準工作提出了新的問題:選用什么樣光譜特性的系列標準白板去校準白度計的藍光白度R457值？有必要在進一步廣泛深入研究的基礎(chǔ)上，修訂白度計檢定規(guī)程時對作為計量標準器的系列標準白板光譜特性提出較為嚴格的限制性技術(shù)指標要求，使得全國的各個部門檢定白度計的計量器具的性能得以統(tǒng)一，對同一臺白度計的測量評價結(jié)果接近一致。