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| 标准白板的光谱特性对白度计校准的作用 | |||
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白度量值是对面粉、白糖、涂料、塑料、瓷器和纸张等众多产品进行质量评价的一个主要指标。白度计是用于测量物体表面白色和近白色程度的计量仪器。白度计测量结果的准确程度与相关产品的质量密切相关，因此对白度计的计量在轻工、食品、建材、造纸等行业有着十分重要的意义。
在历史上曾有过100多种白度公式，目前，仍广泛使用的有CIE(甘茨)白度、蓝光白度和亨特白度等白度公式。不同行业根据测量对象可以选择不同的白度公式进行评价，蓝光白度是国内应用广泛的量值。在白度计的蓝光白度的计量校准中，由于选择的计量标准器不同，会得到不同的校准结果。本文使用两套计量标准器校准3台白度计，得出不同的级别判定，通过实验数据分析，证明系列标准白板的光谱特性对白度计校准有重要的影响。
一、蓝光白度的测量和计算
国内普遍将Wb或者R457表示为蓝光白度。实际上它是对特定波长的蓝光反射比的测量。在很多文献中它被称为蓝光亮度或ISO亮度以及蓝光漫反射因数。国际标准化组织(ISO)对其进行如下定义:仪器总体有效光谱响应曲线采用峰值波长在457nm、半宽度44nm的蓝光测定样品的反射比。其定义公式为:
Wb=R457=kb∑β(λ)F(λ)Δλ(1)
式中:kb=100/∑F(λ)Δλ；β(λ)——样本物体色的光谱反射因数；F(λ)——蓝光白度测量仪器相对光谱响应分布，数值见JJG512-2002《白度计》计量检定规程表A.2；Δλ——波长间隔5nm。
二、白度计的结构
国内大多数白度计都属于光电积分式测色仪器，由光源、探测器和数据处理和显示系统等组成。探测器由滤色器和光电接收器组成。用计算机程序优选滤色器的匹配与修正，以最佳组合使仪器的光源、光学系统、探测器三者的总光谱灵敏度响应尽量符合卢瑟条件的要求。仪器经过标准白板定标后，可以直接测量物体的色度值X10、Y10、Z10三刺激值。卢瑟条件见JJG595-2002《测色色差计》检定规程中公式
(1)和公式(2)。
某类光电积分式白度计测量蓝光白度，采用经验公式(2)以及计算得到的物体色的三刺激值中的Z10计算出蓝光白度R457值。
经验公式:R457=fZ10+k(2)
式中:R457——蓝光白度值；f——某一常数；k——另一常数；Z10——物体色的三刺激值之一。
本文实验中所用的白度计就是利用该原理进行蓝光白度R457值测量的仪器。此类白度计的价格低、测量速度快、应用广泛。
光电积分式白度计测量白度值的误差主要取决于对卢瑟条件的满足程度，误差源有以下几点:
光电积分式测色仪器利用经验公式(2)计算蓝光白度R457时，与ISO定义的蓝光白度R457理论值的存在偏离。
光电积分式白度计滤色器设计时，要使匹配滤色器将仪器的总光谱响应度拟合完全符合卢瑟条件是非常困难的。由于滤色器受到材料的限制等因素，拟合的不完全导致在原理上存在误差。
三、有关白度计检定和校准的方法
依据JJG512-2002，使用系列标准白板对白度计进行检定或校准。系列标准白板在(380～780)nm范围内平均辐亮度因数为(90±2)%的标准白板A、(73±4)%的标准白板B作为计量标准器。示值误差测量:用标准白板A校准白度计，测量另一块标准白板B；用标准白板B校准白度计，测量标准白板A。两次测量值与被测白板的标准值之差，取最大值的绝对值作为白度计的示值误差。依据示值误差对白度计进行分级评价，一级示值误差有效期不超过1.0，二级示值误差不超过2.0。
四、白度计校准中出现的问题
在白度计校准过程中，由于选择的计量标准器不同，对同一台白度计的校准结果也会有差异。本节中利用两套系列标准白板对3台白度计分别进行校准来说明这一问题。所用的计量标准器符合JJG512-2002的要求。实验选取了国内某厂家生产的同一型号的3台光电积分式白度计，编号分别为1、2、3。该型号是目前国内应用较为广泛的白度计，照明/观测条件为0/d，可直接测量在D65照明体10°视场下的色度值。
选取2套系列标准白板作为计量器具用于检定白度计。每套包括2块白板，其中一套系列板编号为A1、B1，其蓝光白度分别为89.0和76.6；另外一套系列板编号为:A2、B2，其蓝光白度分别为91.0和74.2。A1和B1在(380～780)nm波长范围内平均辐亮度因数分别为90.5%和73.8%;A2和B2平均辐亮度因数分别为90.7%和74.5%；标准白板测量标准不确定度U(Y)=0.8(k=1)。这两套系列标准白板具有较好的漫反射特性、光泽低、机械强度高、光学稳定性、易清洁、不含荧光、不透明、陶瓷材料，并且都在检定周期内。系列标准白板的白度值是通过光谱光度方法测量得出，其量值在校准中作为标准值使用。采用标准白板检定量值的照明观测条件与被校准检测的白度计的照明体观测条件均为同一条件。
选用这两套系列标准白板对3台白度计分别进行校准，校准结果列表如表1所示。
缺插图！
<CTSM>表1用系列标准白板A、B组检测白度计1、白度计2、白度计3的校准结果</CTSM>
用两套系列标准白板分别测量3台仪器，测量结果显示，仪器的零点漂移、示值稳定性、重复性等指标都符合计量性能一级要求，在此略去表述。上述实验的环境条件:温度(23±2)℃，相对湿度<75%RH。将检测设备和被检白度计置于无强电磁场干扰、无强震动、无阳光直照室内，2h后进行检测。
五、对白度计检测中测量结果和级别判定的分析
在表1中，用符合检定规程的两组计量标准器校准同一台白度计，得出不同的检测级别的结论。示值误差校准结果差异达到0.4以上，致使对仪器的级别判定也有所不同。
白度计仪器本身设计原理所引起的示值误差之外，在校准白度计过程中有什么因素会导致其示值误差校准结果的差异呢？其中两组系列标准白板在可见光波段内的光谱选择性是不同的。因此，有必要对系列标准白板的光谱特性与白度计示值误差的相关性加以探讨。用光谱测色仪分别对两套A、B系列标准白板进行测量，其光谱辐亮度因数曲线如图1和图2所示。
缺插图！
<CTSM>图1系列标准白板A1、B1光谱辐亮度因数曲线</CTSM>
缺插图！
<CTSM>图2系列标准白板A2、B2光谱辐亮度因数曲线</CTSM>
比较分析两组系列标准白板的光谱辐亮度因数曲线特点。
图2中系列标准白板A2、B2的光谱辐亮度因数曲线在420nm后相对平坦，且二者比较平行，两条曲线趋势间隔较为一致。图1中标准白板B1的光谱辐亮度因数曲线有一定的光谱选择性。A1与B1两条曲线不平行，两条曲线间隔不均匀。在(380～780)nm波长区域里分别作两组系列标准白板光谱辐亮度因数之差:(A1-B1)，(A2-B2)曲线，如图3所示。图3中在(420～780)nm可见波长范围，(A2-B2)的光谱辐亮度因数之差曲线基本上趋于一条直线。A1和B1光谱辐亮度因数之差曲线在可见波长范围有稍大的起伏变化。
缺插图！
<CTSM>图3两组系列标准白板光谱辐亮度因数之差</CTSM>
由此推论，系列标准白板的光谱反射因数特性的不同，是导致两组系列标准白板校准白度计示值结果不同的原因之一。
六、讨论与建议
准确测定白度计的性能，就需要考虑光源、探测器、修正滤光片和光学系统以及定标白板的光谱特性，这是生产厂商和仪器研发单位需要仔细研究和解决的问题，对成品仪器进行分光谱测量是非常复杂的。计量部门采用系列标准白板的蓝光白度值对白度计进行校准检测或分级，是对白度计作较为宽泛宏观的评估，简单又快捷。
本文所作的实验结果显示，使用两组符合白度计检定规程要求而光谱特性不同的系列标准白板检测同一台白度计的蓝光白度R457值时，会得出不同的校准结果和判定等级。系列标准白板的光谱辐亮度特性对白度计R457白度值的校准结果是有影响的，对白度计的判定级别也有所影响。
本文所讨论的实验结果在校准检测某些光电积分式测色仪器时，时常会出现。而这类白度计目前又在大量使用。这种类似的情况如果发生在两个计量检定单位之间或生产厂家与计量单位之间就会造成对白度计测量评价结果的不一致，极易引起争议和纠纷。本文得到的实验结果，对白度计校准工作提出了新的问题:选用什么样光谱特性的系列标准白板去校准白度计的蓝光白度R457值？有必要在进一步广泛深入研究的基础上，修订白度计检定规程时对作为计量标准器的系列标准白板光谱特性提出较为严格的限制性技术指标要求，使得全国的各个部门检定白度计的计量器具的性能得以统一，对同一台白度计的测量评价结果接近一致。
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