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光栅光谱仪实验讲义
吕江&理学院物理实验中心
光栅光谱仪实验讲义
课时：3学时
教材：补充讲义
光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。由于现代单色仪可具有很宽的光谱范围（UV- IR），高光谱分辨率（到0.001nm）,自动波长扫描，完整的电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。
实验重点：光栅光谱仪的原理、光栅光谱仪的使用。
难点：氢原子和钠原子光谱原理，里德伯常数的确定
教学目的：
1、了解光栅光谱仪的工作原理
2、掌握利用光栅光谱仪进行测量的技术教学方法
教学方法：讲授法和讨论法。
实验要求：
在规定课时内学生独立完成实验，数据记录客观真实，图表清晰规范，养成良好的实验习惯，课前预习，描绘钠原子和氢原子的能级图并，计算氢原子的里德保常数，课后撰写实验报告。
实验仪器：WGD-8/8A组合式多功能光栅光谱仪,计算机
实验原理：
(一)光谱仪测量原理
光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构如图1所示。它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G、聚焦球面反射镜M2，物镜M3以及输出狭缝S2构成。
图1 M1反射镜、M2准光镜、M3物镜、G平面衍射光栅
S1入射狭缝、S2光电倍增管接收、S3 CCD接收
衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件。它是在一块平整的玻璃或金属材料表面（可以是平面或凹面）刻画出一系列平行、等距的刻线，然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜，就构成一块反射试验射光栅。相邻刻线的间距
称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。入射光经光栅衍射后，相邻刻线产生的光程差
为入射角，
为衍射角，则可导出光栅方程：
光栅方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数d联系起来，为入射光波长，m为衍射级次，取等整数。式中的“”号选取规则为：入射角和衍射角在光栅法线的同侧时取正号，在法线两侧时取负号。如果入射光为正入射，光栅方程变为。衍射角度随波长的变化关系，称为光栅的角色散特性，当入射角给定时，可以由光栅方程导出
复色入射光进入狭缝S1后，经M2变成复色平行光照射到光栅G上，经光栅色散后，形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S2上，再由S2后面的电光探测器记录该波长的光强度。光栅G安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，光电探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）时的输出光信号强度，即记录了光谱。这种光谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录，称为光栅单色仪。
在使用单色仪时，对波长进行扫描是通过旋转光栅来实现的。通过光栅方程可以给出出射波长和光栅角度之间的关系（如图2所示）
其中，为光栅的旋转角度，为入射角和衍射角之和的一半，对给定的单色仪来说为一常数。
光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构如图1所示。它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G、聚焦球面反射镜M2以及输出狭缝S2构成。
(二)实验原理
1. 氢与氘原子光谱
巴尔末总结出的可见光区氢光谱线的规律为
式中λH为氢光谱线的波长，n取3、4、5等整数．
若改用波数表示谱线，由&
则式(1.6.1)变为
式中109678 cm-1叫氢的里德伯常量．
由玻尔理论或量子力学得出的类氢离子的光谱规律为
是元素A的理论里德伯常量，z是元素A的核电荷数,n1，n2为整数，m和e是电子的质量和电荷，ε0是真空介电常数，c是真空中的光速，h是普朗克常量，MA是核的质量．显然，RA随A不同略有不同，当MA→∞时，便得到里德伯常量
应用到Ｈ和Ｄ有
可见ＲD和ＲH是有差别的，其结果就是Ｄ的谱线相对于Ｈ的谱线会有微小位移，叫同位素位移．，是能够直接精确测量的量，测出，，也就可以计算出RH，RD和里德伯常数R∞，同时还可计算出D，H的原子核质量比
式中m/MH = 1 / 是已知值．注意，是指真空中的波长．同一光波，在不同介质中波长是不同的，唯有频率及对应光子的能量才是不变的．我们的测量往往是在空气中进行的，所以应将空气中的波长转换成真空中的波长．空气的折射率随波长的变化如表1.6.1所列．但在实际测量当中，受所用的实验仪器的精度限制，这种变化可以忽略不计。
表1.6.1 &空气折射率随波长的变化（15℃，760mmHg，干燥）
氢的特征谱:
紫外部分： 赖曼系：
可见光部分：巴尔末系：
红外部分：帕邢系：
布喇开系：
汉弗莱斯系：
2.钠原子光谱
钠原子由一个完整而稳固的原子实和它外面的一个价电子组成。原子的化学性质以及光谱规律主要决定于价电子。与氢原子光谱规律相仿，钠原子光谱线的波数可以表示为两项差:
其中n* 为有效量子数，当 n* 无限大时， , &为线系限的波数。钠原子光谱项为：
它与氢原子光谱项的差别在于有效量子数不是整数，而是主量子数n减去一个数值Δ，即量子修正Δ，称为量子缺。量子缺是由原子实的极化和价电子在原子实中的贯穿引起的。
碱金属原子的各个内壳层均被子电子占满，剩下的一个电子在最外层轨道上，此电子称为价电子，价电子与原子的结合较为松散，与原子核的距离比其他内壳层电子远得多，因此可以把除价电子之外的所有电子和原子核看作一个核心，称为原子实。由于价电子电场的作用，原子实中带正电的原子核和带负电的电子的中心会发生微小的相对位移，于是负电荷的中心不再在原子核上，形成一个电偶极子。极化产生的电偶极子的电场作用于价电子，使它受到吸引力而引起能量降低。同时当价电子的部分轨道穿入原子实内部时，电子也将受到原子产的附加引力，降低了势能，此即轨道贯穿现象。原子能量的这两项修正都与价电子的角动量有关，角量子数越小，椭圆轨道的偏心率就越大，轨道贯穿和原子实极化越显著，原子能量也越低。因此，价电子越靠近原子实，即n越小、越小时，量子缺Δ越大（当n较小时，量子缺主要决定于l，实验中近似认为Δ与n 无关）。电子由上能级（量子数为n,l，）跃迁到下能级(n′,l′), 发射的光谱线的波数由上式决定：&
如果令n′,l′固定，而n依次改变(l的选择定则为),则得到一系列的它们构成一个光谱线系。光谱中常用n′,l′,-nl，这种符号表示线系。分别用S,P,D,F表示。钠原子光谱有四个线系：
主线系（P线系）：3S-nP， & & n=3,4,5,…；
漫线系（D线系）：3P-nD, & & &n=3,4,5,…；
锐线系（S线系）：3P-nS， & & n=4,5,6,…；
基线系（F线系）：3P-nF， & & n=4,5,6,…；
在钠原子光谱的四个线系中，只有主线系的下级是基态（3S1/2能级），在光谱学中，称主线系的第一组线（双线）为共振线，钠原子的共振线就是有名的黄双线（589.0nm和589.6nm）。钠原子的其他三个线系，基线系在红外区域，漫线系和锐线系除第一组谱线在红外区域，其余都在可见区域。
主线系光谱是(n=3,4,…….)之间跃迁产生的，其中上能级是双重的，下能级是单重的，因此，根据选择定则，主线系是双重结构。其短波成分和长波成分的强度比是2：1。跃迁的能级图如下：
锐线系光谱是之间跃迁产生的，上能级是单重的，下能级是双重的。根据选择定则,锐线系是双重结构，且其短波成分和长波成分的强度比是1：2。上能级是单重的，下能级是双重的。根据选择定则，锐线系是双重结构，且其短波成分和长波成分的强度比是1：2。跃迁的能级图如下：
漫线系光谱是(n=3,4,…….)之间跃迁产生的，这时上、下能级都是双重的。根据选择定则，漫线系应该有三条谱线，分别记为,但由于相距很近，通常无法分开，两个成分合二为一，其波长用表示，称为复双线结构。其短波成分和长波成分的强度比为1：2. 能级图如下：
实验步骤：
1 &开机之前，请认真检查光栅光谱仪的各个部分（单色仪主机、电控箱、接受单元、计算机、）连线是否正确，保证准确无误。
为了保证仪器的性能指标和寿命，在每次使用完毕，将入射狭缝宽度、出射狭缝宽度分别调节到0.1mm左右。
在仪器系统复位完毕后，根据测试和实验的要求分别调节入射狭缝宽度、出射狭缝宽度到合适的宽度。
2 &接收单元
WGD-8/8A组合式多功能光栅光谱仪根据仪器型号的不同配有光电倍增管、CCD、硫化铅、钽酸锂、TGS等不同接收单元。
注意，若采用光电倍增管作为接收单元，不一定要在光电倍增管加有负高压的情况下，使其暴露在强光下（包括自然光）。在使用结束后，一定要注意调节负高压旋钮使负高压归零，然后再关闭电控箱。
3 &狭缝调节
仪器的入射狭缝和出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0~2mm连续可调，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0.5mm，最大调节宽度为2mm。为延长使用寿命，狭缝宽度调节时应注意最大不要超过2mm。仪器测量完毕或平常不使用时，狭缝最好调节到0.1mm-0.5mm左右。
4 &电控箱的使用
电控箱包括电源、信号放大、控制系统和光源系统。在运行仪器操作软件前一定要确认所有的连接线正确连接且已经打开电控箱的开关。
5 &程序安装（如已安装好，则跳过）
仪器的参数设置和测量均由计算机来完成。因此在使用前必须先安装WGD-8/8A组合式多功能光栅光谱仪器中文操作软件。
将随仪器配备的WGD-8/8A组合式多功能光栅光谱仪器操作软件系统安装光盘放入光驱中，执行其中的SETUP程序，即开始进行安装，安装过程大约一分钟。
系统安装结束后，将自动在WINDOWS系统的“开始”—“程序”中建立“WGD-8/8A组合式光栅光谱仪”一项。执行其中的可执行程序即可运行操作系统。
6 &采用标准光谱灯进行波长校准
光栅光谱仪由于运输过程中震动等各种原因，可能会使波长准确度产生偏差，因此在第一次使用前用已知的光谱线来校准仪器的波长准确度。在平常使用中，也应定期检查仪器的波长准确度。
检查仪器波长准确度可用氘灯、钠灯（标准值为589.0nm和589.6nm）、汞灯以及其它已知光谱线的来源来进行。
6.1 用氘灯谱线校准
利用氘灯的两根谱线的波长值（标准值为486.0nm和656.0nm）来进行校准仪器。根据能量信号大小手工调节入射狭缝和出射狭缝，扫描氘灯光谱。如果波长有偏差，用“零点波长校正”功能进行校正。
6.2 用钠灯谱线校准
利用钠灯的两根谱线的波长值（标准值为589.0nm和589.6nm）来进行校准仪器。根据能量信号大小手工调节入射狭缝和出射狭缝，扫描钠灯光谱。如果波长有偏差，用“零点波长校正”功能进行校正。
6.3 用汞灯谱线校准
利用汞灯的五根谱线的波长值（标准值为404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.0nm）来进行校准仪器。根据能量信号大小手工调节入射狭缝和出射狭缝，扫描汞灯光谱。如果波长有偏差，用“波长线性校正”功能进行校正。
7 &分别扫描不同光源的光谱
（1）观察钠原子光谱并描绘测得的图象，将光谱仪电压调到500 V左右，可见的光谱为589.0nm、589.6nm。并绘出钠原子主线系第一组线（双线）能级示意图。
（2）观察氢——氘原子光谱并描绘测得的图象,利用测得的数据值计算里德伯常数。将光谱仪电压调到1000 V左右，可测的氢光谱为410.17nm、434.05nm、486.13nm、656.28nm。计算氢原子的里德波常数，并计算D，H的原子核质量比。
实验数据：参见实验步骤自拟数据表格
注意事项：
1.光电倍增管不宜受强光照射（会引起雪崩效应），因此测量时不要使入射光太强。
2.氢、氘光的谱线相隔很近，因此测量时要求灵敏度最高（能量间隔0.01nm），电压接近1000伏；保持室内安静。同时，由于氢、氘灯的电压很高（4000伏左右），在使用过程中不要轻易触摸。
3.为了保证测量仪器的安全，在测量中不要任意切换光电倍增管和CCD；入射狭缝的调节范围在2nm内，若入射狭缝已经关闭就不要再逆时针旋动螺栓，以免损坏狭缝。
【相关数据】
表一高压汞灯可见光区的主要谱线波长
波长（nm）
表二氦、氖元素位于可见光区主要谱线波长（nm）
办公地址：天津市西青区宾水西道391号，天津理工大学9号楼，邮编：300384，办公电话：022-
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篇一：实验1、紫外可见光谱实验报告
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水杨酸 X 245 0.86137 水杨醛 Y 284 0.mg/mL。 2、从水杨酸及水杨醛的结构中可看出，在λmax处的吸收峰为共轭体系的吸收，由于水杨醛的共轭体系较大，所以甲基紫的λmax比甲基红的λmax要大。 七、思考题 根据物质吸收曲线，思考如何利用紫外吸收光谱做定性分析？ 答：紫外吸收光谱为有机化合物的定性分析提供了有用的信息。其方法是将未知试样和标准品以相同浓度配制在相同的溶剂中，在分别测绘吸收光谱，比较二者是否一致也可将未知试样的吸收光谱与标准图谱，如萨特勒紫外吸收光谱图相比较，如果吸收光谱完全相同，则一般可以认为两者是同一种化合物。但是，有机化合物在紫外区的吸收峰较少，有时会出现不同的结构，只要具有相同的生色团，它们的最大吸收波长?max相同，然而其摩尔吸光系数?或比吸光系数错误！未找到引用源。值是有差别的因此需利用?max和?max处的?或错误！未找到引用源。等数据作进一步比较。 在没有紫外吸收光谱峰的物质中检查含高吸光系数的杂质是紫外吸收光谱的重要用途之一。如乙醇中杂质苯的检查，只需测定256 nm处有无苯的吸收峰即可。因为在这一波段，主成分乙醇无吸收峰。 在测绘比较用的紫外吸收光谱图时，应首先对仪器的波长准确性进行检查和校正。还必须采用相同的溶剂，以排除溶剂的极性对吸收光谱的影响。同时还应注意pH值、温度等因素的影响。在实际应用时，应注意溶剂的纯度。 但应注意紫外—可见吸收光谱对无机元素的定性分析应用较少。它主要适用于不饱和有机化合物，尤其是共轭体系的鉴定，以此推断未知物的骨架结构。在配合红外光谱、核磁共振谱、质谱等进行定性鉴定和结构分析中，是一个十分有用的辅助方法。 4 篇二：实验二：LED光源光谱定标,LED光谱测量实验报告
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摘要 通过使用分光计、小型棱镜读谱仪以及光栅光谱仪来了解三棱镜的色散特性、掌握棱镜读谱仪的调整使用方法并使用计算机进行数据采集。
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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λ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YZYZYZ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Sλ，然后再查表找出各光谱的三刺激值，则光源的三刺激值为XKSx??????YKSy??????ZKSz??????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。4K100/Sy??????色坐标为YZYZYZ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Tλ，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Sλ，则，XKS??????YKS??????ZKS??????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Cwx，样品点Sx，y直线的斜率可用下式计算yxx????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，wYyyyyy???????????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。62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CC≡RRGGBB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4a平面透射光栅图4b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kλ∕d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α，称为入射角，均取正值。则光栅方程为dk0,±1,±2,其中d为光栅间距，θ为衍射方向和光栅平面的法线之间的夹角，当α与θ在法线同一侧时，θ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Δd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8a纯净水的光谱图图8b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8a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xyz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10a即冲绿茶的光谱图图10b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xyz即冲绿茶装绿茶15图11绿茶色度图红茶图12a即冲红茶的光谱图图12b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xyz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14a即冲茉莉花茶光谱图图14b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xyz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16a百事可乐光谱图图16b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xyz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18a甘蔗光谱图光谱图图18b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xyz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反射法，液态样品常用短波近红外透射法，而固体既可以用反射法又可以用透射法测定。在市场上，已出现了神奇的微型光谱分析仪，它在军民两用高技术领域具有广泛的应用市场，是各个国家近年来研究开发的热点。由于瘦身，为它走入寻常百姓家提供了条件。新型的微型光谱分析仪由于携带方便、操作简单，将进入到日常的家庭保健领域。在家里，我们可以通过它，监测自己血液、尿液、汗液等的成分，也可以用于检测食品的质量。随着人们生活水平的提高，饮料市场需求结构不断变化调整，饮料行业发展将呈现明显的结构调整特点品种上，碳酸饮料的产量比例将继续降低，饮料生产增长点主要集中在果蔬汁饮料、植物蛋白饮料和茶饮料等产品，瓶（罐）装饮用矿泉水的生产也将同步发展。功能饮料、果汁饮料、茶饮料等健康饮料将形成新的产业结构主体。光谱技术的发展将为饮料的检测提供新的技术和方法。24致谢本文在编写过程中，得到许多老师和同学的大力支持和热情帮助，使我对颜色科学有了更深的了解，并顺利完成毕业论文，在此我表示衷心的感谢。本文是在杨初平副教授耐心细致的指导下完成的，感谢杨老师孜孜不倦的教导，感谢杨老师提出宝贵意见和建议。对此，我献上最诚挚的敬意和谢忱。老师一丝不苟的作风，踏踏实实的精神使我受益终身。同时感谢谭穗妍实验员在实验过程中给予的帮助、理解和支持。感谢华南农业大学四年来的悉心栽培，感谢班主任吕红英老师对我的关心和教育，感谢大学生涯里众多老师的教育和培养，感谢我的同学在学习、生活上的关心和帮助。最后我要向我的亲人致谢，感谢你们默默的支持和鼓励。谨此致谢25参考文献1胡小松,蒲彪.软饮料工艺学.第一版.北京中国农业大学出版社,2002.12薛朝华.颜色科学与计算机测色配色实用技术.第一版.北京化学工业出版社,2003.33邱迦易,曾晓栋,腾秀金.颜色测量技术.第一版.北京中国计量出版社,陆同兴,路秩群.激光光谱技术原理及应用.第五版.合肥中国科技大学出版社,赵凯华.新概念物理教程光学.第一版.北京高等教育出版社,金伟其,胡威捷.辐射度光度与色度及其测量.第一版.北京北京理工大学出版社,刘铁刚,赵志新,赵凤兰.饮料检验及数据处理.第一版.北京中国计量出版社,i.ofofST/642,isofitasainofisanofitanofofsofoftoaonofisIEofoftotoof931931toofbyoftoofofbeonofofofofofofitofbeasbeofoftoaoftoinprovide
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