色空间法葡萄酒颜色分析仪的设计

2017-11-07王志刚王飞

电子技术与软件工程 2017年17期

文/王志刚王飞

色空间法葡萄酒颜色分析仪的设计

文/王志刚1王飞2

颜色对于葡萄酒感官质量起着重要的作用，如何品鉴葡萄酒的好坏呢？最直观当属观色，单从酒的颜色来讲就蕴含着很多重要信息，最重要的一点是我们可以通过颜色对比即可对葡萄酒进行品鉴、分级。在葡萄酒颜色分析仪诞生以前对于葡萄酒的鉴定只是通过人眼观察，但是在相近色的判断上，人的主观差异所导致的误差也是不容忽视的，“目视+语言描述”的方法有相当大的随机误差。为了改变传统肉眼葡萄酒色度的判定方法，我们根据行业标准CIE 1976（L* a* b*）色空间法，用葡萄酒颜色分析仪来对葡萄酒的颜色进行分析检测，同时也可以判断出同一批样品的葡萄酒色差是否在合格范围内。

葡萄酒色度色空间法葡萄酒颜色分析仪

1 基于色空间法的葡萄酒颜色分析仪

1.1 色空间法的概述

行业标准CIELAB色空间法是利用L*、a*、b*三个不同的元素作为坐标轴而绘制出的三维立体空间图，三个值分别表示某一颜色在三维空间中的位置。它是根据一种颜色不能同时既是红又是绿，既是蓝又是黄这种理论而来。用CIELAB空间法表示颜色时，L*表示明度，即黑白，坐标由高到低的变化代表明度由白到黑的变化；a*为正时表示红色，为负时表示绿色；b*为正时表示黄色，为负时表示蓝色。如图1所示，a*、b*表示颜色的色彩变化，L*表示色彩亮度变化。

图1：色空间示意图

1.2 仪器的光学原理

仪器内部采用钨灯作为照明光源，波长范围320～2500nm，钨灯发出的光经过聚光后进入狭缝，光线经过准直镜准直后变成平行光线射向光栅，光栅将接收到的光线通过衍射作用形成排列均匀且连续的单色光谱。仪器的出射狭缝恰巧在准直镜的焦面上，所以单色光谱经过准直后成像在出射狭缝上，出射狭缝根据需求将一定带宽的单色光照向被测样品，并透射到光电接收装置，光学原理如图2所示。

1.3 仪器的工作原理

由于被测液在特定波长或一定波长范围内对光有明显的吸收作用，通过这一点，葡萄酒颜色分析仪根据被测液对光的吸收情况进行定性和定量分析。当某波长单色光通过被测溶液时，其能量就会有一部分被吸收，透射过的能量被接收装置接收。光能量被吸收的多少即溶液吸光度A的大小与被测葡萄酒浓度（葡萄酒颜色深浅）有一定比例关系，符合比尔-朗伯定律。

T=I/Io

logIo/I=KCL

A=KCL

其中：T透射比；Io入射光强；I透射光强度；A吸收度；K吸收系数；L光路长度；C溶液的浓度

上述可见，当K和L不变时，吸光度A根据溶液的浓度而变化的，葡萄酒颜色分析仪便根据以上理论而设计。

图2：光学原理

2 测量系统

测量系统由照明光源、滤光片、步进电机及驱动、光电接收器、放大电路、V/F变换电路、嵌入式系统控制及处理部分组成。被测光源的光线透过滤光片后照射到光电接收上，光电接收器所输出信号经过转换电压信号输入嵌入式系统进行处理，如图3所示。

图3：测量系统

仪器采用9mm光程比色皿，采集光谱范围从380nm至780nm，测试样品时，波长从高到低每隔5nm取值一次，全部测试完毕后，仪器通过相应算法计算出所需L*、a*、b*值，以及C*，h*，△E值，其中明度指数L*（亮度轴），表示黑白，0为黑色，100为白色，0-100之间为灰色。

色品指数a*（红绿轴），正值为红色，负值为绿色。色品指数b*（黄蓝轴），正值为黄色，负值为蓝色。所有颜色都可以用L*a*b*这三个数值表示，试样与标样的L*a*b*总色差用ΔE*表示。

3 仪器的重复性

仪器测量样品的重复性误差以△E为参照标准，要求△E不超过1.5即认为样品合格。当△E范围在0-0.25时表示样品与标样色差非常小或者没有，属于理想匹配；当△E范围在0.25-0.5时表示样品和标样色差微小属于可接受范围；当△E范围在0.5-1.0时表示色差微小到中等，属于在应用中可接受范围；当△E范围在1.0-1.5时表示色差中等，属于在特定应用中可接受范围。