【毕业学位论文】（Word原稿）基于光栅光谱仪测量几种液体的表面色特征的方法-光信息科学与技术

摘 要 液体是四大物质形态之一 ，它对人类的生活发展起至关重要的作用。饮料是液体的重要分类，它成为人们日常生活中不可或缺的食品。随着人类社会的进步、经济的发展和人们生活水平的不断提高，人们对饮料的需求也日益增加，同时饮料的质量也成为社会普遍关注的焦点。本文选用几种饮料进行检测，通过对它们的透射光谱特点、色度特点分析，为其提供光学基础，给液体的检测提供新的方向和思路。 本文介绍了一种基于光栅光谱仪测量几种液体的表面色特征的方法 算出液体色度参数，通过光栅光谱仪获得比色皿和液体的透 射光谱功率分布，计算出液体透过率和色度参数，并获得液体的三刺激值来表征液体的表面色。根据色度学原理，得到量化的参数指标，包括 1931波长、色纯度以及相应的透过率曲线 (光谱图 )和 1931据主波长能知道液体的主色调；由色纯度值的大小可判断液体颜色的饱和度，从而知道表面色的深浅；参数的对比，可以判断相关辅料对检测结果的影响。 简单介绍了色度学基本原理，讲解了色度实验系统的结构和光栅光谱仪的工作原理；简述了物体色的测定条件和程序的选择与使用。分析了瓶装饮用水、茶饮料、碳酸饮料、果蔬 饮料的测量数据，数据显示：利用光栅光谱仪测色法，可以简单、快速地测量液体表面色，它可作为评价液体颜色的适用技术，可用于进行液体的感官检测和部分理化检验。而且液体中各分子的光谱与色度特点建立液体分子吸收光谱数据库，在一定程度上解决了液体成分组合问题，为计算机检测液体各成分提供新的分析方法。这将为液体仪器分析提供新的思路和手段。 关键词 色度学 光谱图 液体表面色 透过率 光栅光谱仪 目 录 1 引言 色度学原理 术语介绍 .物体的光谱特性 . 光的反射 . 光的吸收与透射 .色度学基础 . 色品坐标的计算 . 主波长的计算 . 4 兴奋纯度和色度纯度的计算 .颜色匹配 . 色度实验系统的结构原理 系统的基本 组成与结构 .系统的工作原理 . 光栅光谱仪的原理 . 仪器的扫描的扫描原理 .软件说明 .实验准备和方法 . 测量结果对比与分析 .用比色皿做透过率基线 .液体透过率测量 . 纯净水和矿物质水 茶饮料 碳酸饮料 果蔬饮料 结论 . 谢 .考文献 . . 1 引言 现代生活节奏快，给饮 料的发展提供有利的条件。饮料作为一种独具特色的食品，深受广大消费者的喜爱。单一的饮料已经不能满足消费者的 需求，饮料正在向 “天然、营养和保健”的新潮流方向发展， 而且每年以 25%的增长速度发展 1。与此同时，严重的水污染和添加剂的快速发展，威胁着 饮料的质量 和饮用的安全性，危害人类健康和安全产生。这就需要，我们有健全的管理体系和先进的检测技术 ，阻止劣质饮料进入流通领域，保护消费者的权益 。 饮料是指经过加工制作、供人饮用的食品，它以提供人们生活必需的水分和营养成分，达到生津止渴和增进身体健康为目的。在国际上，一般 认为不含酒精的饮料即为软饮料 1。本次实验，我们对软饮料的色度参数进行检测，为液体行业今后的技术改造和质量监控提供技术支持。 2 色度学原理 为定量表示颜色，采用三刺激值是一种可行的方法，为了测得物体颜色的三刺激值，首先必须研究人眼的颜色视觉特性，测出光谱的三刺激值。实验证明不同观察者的视觉特性多少是有差别的，但是具有正常颜色视觉的人此差异是不大的，故有可能根据一些观察者进行的颜色匹配实验，将他们的实验数据加以平均，确定一组匹配等能光谱色 所需的三原色数据。此数据称为“标准色度观察者光谱三刺激值”，以此 来 代表人眼的平均颜色视觉特性 2。 当时，不少科学工作者进行了这类实验，但是由于选用的三原色不同及确定三刺激值单位的方法不一致，因而数据无法统一。 1931 年在美国剑桥举行的 8 次会议上，统一了上述实验结果，提出了最早的推荐书 准色度观察者和色度坐标系统，并规定了三种标准光源 (A， B， C)并对测量反射面的照明观测条件进行了标准化。从而建立起 931 标准色度系统。 术语介绍 1931 统：物体颜色的定量度量是复杂的，它涉及到观察者的视觉生理、视觉心理以及 照明条件、观察条件等许多问题，为了能够得到一致的度量效果，国际照明委员会 (简称 定了一套标准色度系统，称为 准色度系统。 本系统是近代色度学的基础组成部分，它是一种混色系统，是基于每一种颜色都能用三个选定的原色按适当比例混合而成的基本事实建立起来的 2。 颜色：颜色是光作用在人眼引起除空间属性外的视觉特性，是人的视觉系统对可见 2 光的感知结果。用波长定义的颜色叫光谱色。颜色可 分为彩色和非彩色两类。 物体色：光被物体反射或透射后的颜色。 表面色：漫反射、不透明物体表面的颜色。 三刺激值：在 统 中，为混合某一种颜色时所需的三个基本颜色 (即原色 )的数量。 主波长：一种颜色 S的主波长，指的是某一种光谱色的波长，这种光谱色按一定比例与一种确定 的参照光源相加混合，能匹配出颜色 S。 颜色的三个特性是颜色固有的并且是截然不同的特性，它们是色调、饱和度和明度。色调 又称色相，指颜色的外观，是视觉系统对一个区域所呈现颜色的感觉 ，它取决于光谱中波长的频率。饱和度是颜色的纯洁性，可用来区别颜色的程度。当一种颜色渗入 其他成分愈多时，就说明 颜色愈不饱和。明度是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。 色纯度：指样品颜色同主波长光谱色接近的程度。色纯度分为兴奋纯度和亮度纯度两种。 兴奋纯度：是指主波长的光谱色在样品中所占亮度的比例，在 度图上用白光到样品点的距离与样品点到主波长点的距离的比例表示。 亮度纯度：也叫色度纯度，是指样品颜色的纯度用亮度的比例表示，它是指主波长的光谱色在样品中所占亮度的比重。在计算亮度纯度时，用样品主波长的 y 坐标与样品色坐标的 y 值的差值乘以兴奋纯度来表示。 标准光源：能发光的物 理辐射体，如灯、太阳。 定了 “标准光源 ”来实现标准照明体的光谱分布。 标准照明体：指特定的光谱分布，这样的光谱分布不一定能用一个具体的光源来实现。 荐的标准照明体有 A、 B、 C、 D、 E。 准照明体”是由相对光谱分布来定义的，以表格的函数形式给出。 物体的光谱特性 当光照射到有色物质上时，光被反射或透射，反射或透射的光作用于人眼，就产生颜色的感觉。物体的颜色是因为它们对不同波长的光波，具有不同的吸收特性的结果，它们所表现的颜色，就是被吸收光的补色。既然物体颜色是它对照射 光的吸收、反射或透射的结果，那么它的颜色和照射光的分光能力分布便有很大的关系。不同光源的光发射出的分光能量分布是不同的，因此用不同的光照射同一有色物体，就可以得到不同的 3 颜色。光照射到物体上，可能发生反射、吸收及透过 2。 光的反射 光照射到物体表面上时，部分光被反射，反射的辐通量与入射辐通量之比，称为反射比。反射主要分为正反射和漫反射。反射光遵守反射定律，从镜面反射方向射出的叫正反射。完全反射漫反射面能无损地全部将入射的辐射通量反射出去，也就是反射比为 1。实际的物体是正反射和漫反射同 时存在的。 光的吸收与透射 除了真空，没有一种介质对电磁波是绝对透明的，光的强度随穿进介质的深度而减少的现象，称为介质对光的吸收。若物质对各种波长 的光的吸收程度几乎相等，称为一般吸收。若物质对某些波长的光的吸收特别强烈，则称为选择吸收。 光照射到物体的一面，有一部分光会从物体另外一面射出来，这部分光叫透射光。如果光射到不均匀的物体上，光束在物体内部被打乱，从各个方向透过物体。一部分光线按照原入射方向进行，这部分光称为正透射光；另一部分光从各个方向透过物体称为漫透射光。 色度学基础 在 统中，三个基本颜色被称为 “ 基础激励 ” ， 而一个颜色使用它的三色激励值(又称三刺激值 )表示的 3。三个基础激励 x、 y、 z 相应于红 (R)、绿 (G)、蓝 (B)。 在理论上为了定量表示颜色，采用平面直角色度坐标 +Y+Z +Y+Z +Y+Z 其中 X， Y， Z 为三刺激值，所有的光谱色在色坐标上为一马蹄形曲线，该图称为931 色坐标，在图中红 (R)、绿 (G)、蓝 (B)三基色坐标点为顶点，围成的三角形内的所有颜色均可以由三基色按一定的量匹配生成。 色品坐标的计算 为测量某光源 (发光体 )的色坐标，必须先测量其光谱组成的功率分布 S()，然后再查表找出各 光谱的三刺激值，则光源的三刺激值为 ： X = K S ( ) ( )x Y = K S ( ) ( )y Z = K S ( ) ( )z 式中 K 为调整因数，它是将发光体的 Y 值调整为 100 时得到的值。 4 K = 1 0 0 / S ( ) ( )y 色 坐标为： +Y+Z +Y+Z +Y+Z 为测量某透射或反射样品的色坐标，必须先测量其样品的透射或反射曲线 T()，然后再查表找出各光谱的三刺激值 ()x 、 ()y 、 ()z 及参考光的功率分布 S()，则， X = K S ( ) ( ) ( ) Y = K S ( ) ( ) ( ) Z = K S ( ) ( ) ( ) 主波长的计算 如果已知样品 的色品坐标和特定白光的色品坐 标为wx，用两种方法决定样品的主波长。(1) 作图法 如图一所示，在色品图上标出样品的白点 (C 点 )，由白点向颜色 S 引一直线，延 长直线与光谱轨迹相交于 O 点，交点 O 的光谱色波长就是样品的主波长。 (2) 计算法 图 1 色品图 5 计算法是根据色品图上连接白点与样品点的直线的斜率，查表读出该样品的主波长。 根据白点 C(wx，样品点 S(x ， y )直线的斜率可用下式计算： y x x斜 率 = 或 斜 率 =在这两个斜率中选择一个较小的绝对值，查表可得样品的主波长。 兴奋纯度和色度纯度 (1) 兴奋纯度 它是用 品图上两个线段的长度比率来表示的。第一条线段是由白点到样品点的距离 二条线段是由白点到主波长的距离 兴奋纯度 S/ 也可用色品坐标表示： ew 或 x， y 代表样品的色品坐标 ；wx，点的色品坐标； x， y代表主波长时的色品坐标。当样品和主波长连线趋向平行于色品图 x 轴时，式 (b)误差较大，应采用式 (a)计算；反之，当它们的连线趋向平行于 y 轴时，则采用式 (b)。 (2) 色度纯度 色度纯度一般用符号 示，它 指主波长的光谱色在样品中所占的亮度比重。 C 式中， Y为主波长光谱色的亮度 ， Y 为样品色的亮度。 以用色品坐标表示， wY y yy y y 只用色品坐标表示颜色色品的优点在于这种表示颜色的方法能给人以具体的印象，而用主波长和色纯度来表示颜色色品，却能表明一种颜色的色调及饱和度的大致情况。 颜色匹配 把两个颜色调节到视觉上相同的方法称为颜色匹配 2。 (1)颜色相加混合颜色光的混合，即将几种颜色同时或快速先后刺激人的视觉器官，便产生不同于原来颜色的新颜色感觉，这就是颜色相加 混合 。 6 (2)光经过颜色滤光片或其它光吸收介质，将产生不同于 原来颜色的颜色，这就是颜色相减 混合 。 (3)颜色匹配方程颜色匹配方程就是表示颜色匹配的代数式。 若以 (C)代表被匹配的颜色的单位， (R)、 (G)、 (B)代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位。 R、 G、 B、 C 分别代表红、绿、蓝和被匹配色的数量，当达到两半视场匹配时， 可用颜色方程表示： C(C) R(R) + G(G) + B(B) 式中， “” 表示视觉上相等，即颜色匹配； R、 G、 B 为代数量，可为负值。 3 色度实验系统的结构原理 系统的基本组成与结构 8 型色度实验系统，由光栅单 色仪 (光谱仪 )，接收单元，扫描系统，电子放大器， A/D 采集单元，计算机及打印机组成。该设备集光 学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。各部分之间的连接如下图 (各部分的连线插头均唯一，插错现象 )： 图 2 色度实验系统连线图 扫描系统、电子放大器及 A/D 采集单元分别放入了光谱仪、电控箱及计算机中， 上图中没有显示出来。 光谱仪部分有以下几部分组成：单色器外壳，狭缝，吸收池，积分球，接收单元，光栅驱动系统以及光学系统等。 仪器采用双出缝的方式，使得在不同模式测量时，即能有较方便的操作，又能提 供足够的能量，使得在测量中，有较好的信噪比。这两个狭缝均为直狭缝，宽度范围 0 续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小，每旋转一周狭缝宽度变化 延长使用寿命，调节时注意最大不超过 日不使用时，狭缝最好开到 右。 另一方面，为了去除光栅光谱仪中的高级次光谱，在使用过程中，可根据需要把备 7 用的滤光片插入入缝插板上。当我们做透过率及发光体测量实验时，把接收器移到出缝 1端，并把转向镜打到出缝 1 端。做反射测量时，把接收器移到出缝 2 端，并把转向镜打到出缝 1 端 。 固 /液体样品室：采用液体样品室、固体样品架以及光栏组合的方式，使得固 /液体都能方便的测 量，光栏的存在，使得对固体样品的大小要求较低 (直径大于 5 图 3 实验仪器 图 系统的工作原理 光栅光谱仪的原理 图 4 (a)平面透射光栅 图 4 (b)平面反射光栅 8 光栅的分光原理可由 光栅公式 体现出来。 当光线正入射时， 光栅公式 ： kd 如果平行光束倾斜入射到光栅上，入射方向和光栅平面的 法线之间的夹角为 ，称为入射角 ， 均取正值。 则光栅方程为： d( = (k = 0, 1, 2, ) 其中 d 为光栅间距 ， 为衍射方向和光栅平面的法线之间的夹角 ， 当 与 在法线同一侧时， 取正，反之取负 。 从相邻两刻槽上衍射出来的两平行光束之间的光程差： = d( 当光程差是波长的整数倍时，出现极大值，产生 k 级亮条纹。可以看出，当光线从固定的入射角射到光栅平面时，在同一光谱级中，波长越大，衍射角越大，所以光栅可以起到分光作用。 在光谱仪中， 光谱级次的重叠与互相交错不利光谱的测量，甚至会引起光谱分析的错误，我们一般采用两种方法避免： (1)用滤光片滤去不需要的光谱级次； (2)用棱镜或光栅做预置色散，使它的色散方向垂直于主仪器的色散方向，使不同级次的光谱沿高度方向拉开，达到分离光谱的目的 4。 图 5 光路图 它表明，不同波长的同级主极大出现在不同的方位。光栅光谱与棱镜光谱最大的区别是，光栅光谱有一般有许多级，每级是一套光谱，而棱镜光谱只有一套。光栅光谱仪与棱镜光谱仪一样，既可用于分析光谱，也可当作一台单色仪使用，即把它的出射狭缝 9 当作具有 一定波长的单色光源。将复合光分成单色光时，由于棱镜的线性比较差，而且光栅容易获得较大的色散，并且它的色散比较均匀，所以光栅逐步取代棱镜 5。 光栅的优劣直接影响整机的波长精度和测光精度，所以市场上均使用凹面光栅和全息图象光栅达到令人满意的分光效果和光栅效率 6。 测色光谱光度计的核心不见是分光部分，即单色器。单色器的光路图如下图 ，采用的是光栅分光系统 ( ) 。 入射狭缝 射狭缝 为直狭缝，宽度范围 0 续可调，光源发出的光束进入入射狭缝 于反射式准光镜 焦面上，通过 入的光束经 射成平行光束投向平面光栅 G 上，衍射后的平行光束经物镜 象在 或 (通过转向镜调节 )。其中 于接受样品的反射光输出， 受样品的透射光输出。 仪器的扫描 原理 仪器采用如图 6 所示 “正弦机构” 进行波长扫描，丝杠由步进电机通过同步带驱动，螺 母沿丝杠轴线方向移动，正弦杆由弹簧拉靠在滑块上，正弦杆与光栅台连 接，并绕光栅台中心回转，从而带动光栅转动，使不同波长的单色光依次通过出射狭缝而完成 “扫描” 。 图 6 正弦机构图 软件应用 本次实验采用 8型色度实验系统的控制处理软件， 工作界面主要由菜单栏、主工具栏、辅工具栏、工作区、状态栏、参数设置区以及寄存器信息提示 区等组成。 该设 10 备有 5个工作模式， 5个寄存器，计算机扫描前要先选择合适的 基准线、工作模式和 寄存器 。 通过计算机中内存的色度计算所需的标准材料， 选择正确的参考光源就可以 直接 计算 出被测样品的主波长及颜色的三刺激值。 本实验所用 的颜色评价和计算，甚至光谱光度仪也要由软件来驱动、操控和完成。 实验准备与方法 测定条件的选择包括光源的选择、狭缝宽度的选择、测定 波长的选择、样品的选择、工作模式的选择等。 本色度实验系统采用标准照明体 A，其 标准光源是由色温为 2856灯是人造灯，它发光稳定，具有连续光谱分布，其光谱功率分布几乎全部取决于灯丝温度，使用很方便。 用仪器测量液体颜色都是相对测量的， 为了减少各因素引起的误差， 必须先用标准器皿进行定标， 实验中通常用空白器皿 (比色皿 )进行校正， 然后与被测 液体进行比较。 比色皿分石英和玻璃两种，石英比色皿用于紫外分光光度计， 波长小于 380玻璃比色皿用于可见分光光度计， 波长范围为 380如 果 本实验系统配有两个标准器皿作为定标或测量的参考标准 ，它们都是玻璃比色皿 。 实验前，把接收器移到出缝 1端，并把转向镜打到出缝 1端。打开样品室盖，要先放空白样品 (比色皿 )，开机调节负高压， 选择工作模式为透过基线，扫描 测量 透过基线。 由于本次实验 采用的是单通道测量，所以基准线的测量 必不可少 。 在确定条件不变的情况下， 改变工作模式， 把有液体样品的比色皿 (用测基准线 的比色皿 装 )放入液体样品室，然后测量 样品的透射率 。 实验结束后， 先 把 波长 检索 到 200机械系统受力最小，然后关闭应用软件，最后按下电控箱上的电源按钮 关闭仪器电源。 4 测量结果对比分析 用 比色皿做透过率基线 在已选定的工作波长和仪器条件下，把比色皿放入样品室，选择工作模式为透过基线，进行扫描，然后根据实际情况调节负高压 (本实验的负高压为 400毫伏 ， 扫描间隔为1 使透过基线的最大值不超过域值 1000为止。 本次实验得到的透射基线如图 7所示，把透射基线放在寄存器 1，为下面测量液体提供参考依据，在每种样品测量结束后，寄存器 1中的透射基线都不能删除，直到所有样品测量完毕为止。 11 图 7 比色皿透射基线 液体透射率测量 在确定条 件不变的情况下， 把采集模式选为透过率，选择寄存器 2、 3、 4对 每种 饮料分别进行 3次扫描，再 选择标准 对各种饮料进行透射率曲线的测量和色度的计算。 检测完每 种饮料后，都要用纯净水对比色皿进行清理，测量时要 保持比色皿 透射 表面没有 黏附液体 及脏物 。 纯净水与矿物质水 图 8 (a)纯净水 的 光谱图 图 8 (b)矿物质水 的 光谱图 12 纯净水，是以符合生活 饮用水 卫生标准的 水 为原料，通过电渗析法、离子交换法、反渗透法 、 蒸馏 法及其他适当的加工方法制得，密封于容器中且不含任何 添加物 可直接饮用的水。 矿物质水，是指在纯净水的基础上添加了矿物质类食品添加剂而制成的 1。 图 8(a)为纯净水的透过率曲线， (b)矿物质水的透过率曲线。比较以上两图光谱图可以看出，纯净水的透过率比矿物质水高，也就是说纯净水对光的吸收能力更强。而且两者的透过率比比色皿中空气的透过率更大。究其原因，就是矿物质水比纯净 水添加了食品添加剂造成的，而空气中的尘埃对光的透射也有一定的影响。虽然它们的透过率相差不大，可是从图中可以看出，纯净水的可见光光透过率在短波长处普遍比长波长大，而矿物质水恰恰相反。这就说明矿物质对短波长光的吸收能力更强。 利用软件 计算出的色度，可以得到各参数如表一所示 ， 表 1 纯净水和矿物质水色度参数表 表 1数据显示，三次测量纯净水和矿物质水的色度参数误差都很少，两种水的主波长都比较接近，色调基本相等，后者的色调更大、颜色更深。它们的主 波长和比色皿相差不大，究其原因是空气和水的颜色几乎相等。由于水分子的运动，所以三次测量的结果不同，但基本相等。 从色度图可以直观看出，两种水的坐标点较近，都落在黄白色区域 与我们用人眼观察，颜色有所差别。 图中显示的主波长位置与计算机计算的结果相差不大，基本一致。造成差异的原因可能是，计算机直接利用内存中的公式计算出主波长的值，而色度图是利用作图法得到它的结果。 主波长 和纯度 % 色度纯度 % 色品坐标 x y z 纯净水 物质水 13 图 9 水的色度图 茶类饮料 茶饮料是以茶叶的萃取液、茶粉、浓缩液为主要原料加工而成的，含有一定分量的天然茶多酚、咖 啡酚等茶叶有效成分的软饮料 1。 纯茶饮料，是以茶叶为原料，用沸水浸提后的萃取液。 调味茶饮料，以茶叶为主要配料，再加入糖、香料、果汁、牛奶等配制而成的风味各异的茶饮料 1。 绿茶 由上面两个光谱图可以看出，即冲绿茶的光透过率普遍比瓶装绿茶要高，即它的光吸收能力比后者要低，除了液体的颜色对其有影响外，饮料的制作工艺也有一定的影响，我们可以看到即冲绿茶悬浮的颗粒较多，而瓶装茶经过多次过滤，基本没有颗粒存在。另一方面，它们对短波段的光的吸收能力比中、长波段强。从三次测量的曲线图还可以看出， 瓶装绿茶中液体分子的运动没有即冲绿茶剧烈。 14 图 10 (a)即冲绿茶 的 光谱图 图 10 (b)瓶装绿茶 的光谱图 利用软件计算出的色度，可以得到各参数如 表 2所示 ： 表 2 绿茶色度参数表 由表 2 中的数据可知，即冲绿茶的色度参数与瓶装绿茶有一定的差异，即冲绿茶的饱和度和色度纯度都比瓶装绿茶小，这就说明即冲绿茶的颜色更浅，这与人眼看的结果不同，人眼看即冲绿茶的颜色比瓶装绿茶更浅。三次测量的数据显示，瓶装 绿茶的色度参数误差几乎为零。 从色度图可以直观看出，它们坐标点都落在黄白色区域内，但是即冲绿茶的物体色比瓶装绿茶的要浅。瓶装绿茶的主波长与上表中的数据有所差异 。 主波长 和纯度 % 色度纯度 % 色品坐标 x y z 即冲绿茶 装绿茶 15 图 11 绿茶色度图 红茶 图 12 (a)即冲红茶 的 光谱图 图 12 (b)瓶装红茶 的 光谱图 从上 面 的 透过率曲线图可以看出，冰红茶 (瓶装红茶 )对各波段光的透过率比即冲红茶 16 要高，它们对短波长光的吸收能力更强，透过率更低。即冲红茶对波长为 380过率 大约为零。在可见光区域，他们的透过率曲线的波峰、波谷和最小值都出现在相同的波长点上。两种液体的测量误差都很小，三次测量结果的曲线几乎重合。 利用软件计算出的色度，可以得 到各参数如表所示， 表 3 红茶色度参数表 图 13 红茶色度图 主波长 和纯度 % 色度纯度 % 色品坐标 x y z 即冲红茶 装红茶 17 表格中的色度参数值显示，冰红茶与绿茶的色度参数有一定的差异，冰红茶更黄点。而且冰红茶的主波长、饱和纯度和色度纯度都比即冲红茶要小，这就说明冰红茶的色调更小，颜色更浅。从三次测量 的色度参数看出，两种液体测量的参数误差都很少。 从色度图 中的坐标点可以 知道，冰红茶的坐标点落在橙黄色区域，即冲红茶落在橙色区域，所以即冲红茶的颜色更深，这和肉眼观看液体的颜色一致。 用作图法得到的主波长位置和计算机计算出的有所不同。 茉莉花茶 花茶是由精制茶坯与具有香气的 鲜花 拌和，通过一定的加工方法，促使茶叶吸附鲜花的芬芳香气而成 1。 两幅透射率曲线图显 示，在短波长 380冲茉莉花茶的透过率大于瓶装茉莉花茶的透过率，即 在此波段， 瓶装茉莉花茶的光吸收能力更强；在长波波段区域，前者的光吸收能力与后者基本 相等。从光谱图也可以发现，它们的透过率测量结果很稳定，误差较小。 图 14 (a)即冲茉莉花茶 光谱图 图 14 (b)瓶装茉莉花茶 光谱图 利用软件计算出的色度，可以得到各参数如下： 对计算得到的参数值进行分析可得，即冲茉莉花茶的主波长比瓶装茉莉花茶大，色纯度低，这表明即冲茉莉花茶的色调更大， 瓶装茉莉花茶的颜色更深。这是由于实验选用的干茉莉花颜色较浅，浸泡后液体颜色较浅，而瓶装茉莉花茶虽然经过多次过滤，但 18 制作过程添加了食品色素。 表 3 茉莉花茶色度参数表 从色度图可以直观清晰地看到，色度参数表中各个坐标点的含义以及主波长的位置，即冲茉莉花茶的颜色位于黄白色区域，而瓶装茉莉花茶位于黄色区域，前者的颜色比后者相对浅一点。 图 15 茉莉花色度图 主波长 和纯度 % 色度纯度 % 色品坐标 x y z 即冲花茶 装花茶 19 小结：从上面三组液体的测量结果可以看出，对于同 一波长点，纯茶饮料的可见光透过率比调味茶饮料的要高。茶饮料对短波长段光的透过率比长波长段的要低，即茶饮料对短波长光的吸收能力更强。 它们主要分布在黄色和橙色区域之间。 碳酸饮料 碳酸饮料俗尘汽水，是在经过纯化的水或糖溶液、果汁混合糖浆中人工压入二氧化碳气体的饮料的总称 1。 本实验选用百事可乐和七喜这两种典型的碳酸饮料进行检测。 从下面两种饮料的光谱图观察可得，两种饮料对短波长光的吸收能力都比长波长光强。对于百事可乐，波长小于 560长大于 560过率比七喜大，也就是说，百事可乐对短波长光的吸收能力要比七喜强，对长波长光的吸收能力比之要弱。从曲线图直观看出，二氧化碳气体的释放对液体光透过率的测量结果影响不大。 图 16 (a)百事可乐 光谱图 图 16 (b)七喜 光谱图 利用软件计算出的色度，可以得到各参数如下： 由色度参数表分析可得，百事可乐的主波长和色纯度都比七喜要大，说明它的色调更大，颜色更深。另一方面，虽然七喜的光透过率普遍比纯净水和矿物质水低，但是它的色纯度比它们要小，主波长更大，所以七喜的更 澄清。 20 表 4 碳酸饮料色度参数表 由色度图上的两个坐标点位置观察可知，七喜的颜色比百事可乐深，七喜的颜色处于黄白色区域，百事可乐的颜色处于橙色区域，这与人眼看到的色彩不同，这就说明物体色和表面色有所区别。也可看到七喜的坐标点都重合在一个点上，但主波长相差几 百事可乐的色度主波长相差较小 。 图 17 碳酸饮料色度图 主波长 和纯度 % 色度纯度 % 色品坐标 x y z 百事可乐 喜 21 蔬饮料 果蔬饮料是以水果、蔬 菜为主要原料，加水或不加水 采用物理方法，并加入糖、酸、色素等成分 制成的流质食品 1。本文选取甘蔗和柚子汁进行检测。 由下 面的光谱图可以看出， 在可见光区域， 甘蔗的每一波长点上的光透过率相差不大，在波长为 58000，即甘蔗对每种光的吸收能力都很差，特别是 580子汁在短波长点的透过率较低，也就是说它对短波长光的吸收能力更强。 甘蔗的测量结果误差更小。 图 18 (a)甘蔗光谱图 光谱图 图 18 (b)柚子汁光谱图 利用软件计算出的 色度，可以得到各参数如下： 表 5 果蔬 饮料色度参数表 主波长 和纯度 % 色度纯度 % 色品坐标 x y z 甘蔗 子汁 22 由下面的色度参数 可以看出，甘蔗的饱和纯度和色度纯度比较低，所以它的颜色比较浅，柚子汁的颜色笔直更深。三次测量中，两种果蔬饮料的 主波长都比较接近，测量误差都很小 ，甘蔗的主波长更小，色调更低 。 由 色度图可以看出，甘蔗的表面色为淡黄色，柚子汁的颜色比较深，为橙色，三次测量的坐标点都比较接近。 它们的主波长和计算机得到的结果很接近。 图 19 果蔬饮料色度图 5 结论 本文分析 了 四大饮料的 光谱特点 和色度特点 ， 分析表明饮用水的光透过率最强，即光吸收能力最低， 甘蔗次之；每一种 液体对短波长光的吸收能力 都比长波长光 强；七喜最澄清，它的表面色更浅，其次是饮用水。 计算机计算出来的色度参数值与色度图上显示的有所不同，但相差不大。 饮料是指以 水 为基本原料，由不同的配方和制造工艺生产出来的。 由于液体中的分子比较多，分子间的无规则运动使得测量结果有所差异。现今，颜色科学仍在发展，计算机测色技术在我国尚处于起步阶段，对液体 的透射 23 光谱和色度的研究，将为液体质量检测提供理论基础。 随着 饮料工业的快速发展，人们不仅要求其提供人体必需的水分和其他营养成分，更希望它能满足人们的各种需求，起到人们渴望的功效，更能向“集中生产、分散灌装的专业化协作”靠拢， 这就需要 具备先进的生产方法和技术 ， 健全的检验体系和新的检测方法 1。 科技 日新月异，在液体检测中， 光学分析法和色谱分析法 已得到广泛的应用。 研究表明，每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫光谱分析法 7。做光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用透射光谱和吸收光谱。根据液体的光谱和色度特点，我们可以建立光谱特征数据库，为液体检测技术提供理论基础，同时大大简化液体的检测步骤。 光谱 法的优点是非常灵敏而且迅速。 在当今工业快速发展的社会，光谱分析仪器在冶金、化学、制药、机械 、新材料开发、航空、宇宙探索等很多领域都有着很广泛的应用。 在光谱法 中 ， 以 红外光谱检测技术 的应用最为 广泛。利用 红外光谱技术可以进行 液体 成分的定量分析、水分子中氢结合状态的解析、淀粉的损伤检测 和 加工适应性的浸定的测定 8。 它 所测食品形态可以是固态 、液态、粉状和糊状。因此，被检样品也是多种多样。粉状物料的测量常用长波近红外