光谱测色仪

滴定分析作为化学分析中重要的定量分析方法之一，具有快速、简便、准确度高等优点，广泛应用于工业、环境、农业和医学等领域。人工滴定作为目前主流的滴定分析技术，存在主观误差大、操作复杂、工作强度高等缺陷，进一步影响了滴定分析的准确性和效率。基于滴定分析过程自动化程度不足的现状，本课题开发了一套基于颜色传感器的自动色差滴定系统。颜色传感器是系统的核心部件，结合蠕动泵供液装置实现自动滴定分析过程。该系统适用于有颜色现象的滴定分析，能有效提高滴定分析的准确度和效率，具有很强的工业背景。本项目的主要内容如下:

1.通过对现有滴定分析技术和滴定装置的比较分析，提出了自动滴定系统的总体方案。该方案以颜色传感器的颜色识别作为滴定终点判断的检测原理，结合CIE标准比色法系统实时检测滴定过程中反应溶液的颜色量，基于相关色差计算方法实现滴定过程中溶液颜色变化的数字化表征，并对滴定终点进行定量分析。最后，确定了系统中各子模块的组成和工作方式。

2.系统硬件设备的设计与构建。整个系统的硬件设备按功能可分为颜色采集单元、自动滴定单元、人机交互单元和主控制器单元。根据功能要求，设计了所有非标准部件和相关驱动电路，提高了系统的稳定性。同时对所有标准件进行选型，最终搭建了滴定系统的硬件装置。检测系统采用颜色传感器AS7261作为检测核心，单片机STM32F103ZET6作为控制中心，蠕动泵作为滴定入口装置，实现了滴定分析过程的自动化。结合串行触摸屏，为滴定分析提供友好的人机交互。

3.开发设计了自动色差滴定系统的软件程序。软件程序首先移植了μC/OS-ⅱ实时操作系统，然后设计μC/OS-ⅱ对所有功能任务进行调度和管理，保证系统的稳定运行。同时开发了友好的人机界面，实现了滴定过程控制和滴定终点分析判断的功能。

4.测试和验证了系统的实用性。首先对蠕动泵进液装置的滴加精度进行了标定，结果表明蠕动泵具有较高的精度和稳定性。然后用标准试剂对自动色差滴定系统进行测试。试验时，用0.05mol/L氢氧化钠溶液滴定0.05mol/L、0.04mol/L、0.025 mol/L、0.02 mol/L和0.01 mol/L盐酸溶液，每组试验重复5次。结果表明，滴定体系的相对标准偏差约为0.5%，表明该体系具有良好的稳定性。同时，系统的检测误差小于2%，满足国家标准GB/T11064.12-2013酸碱滴定误差小于5%的要求。经过长时间的在线测试，研制的自动滴定仪器基本能满足实验室滴定分析的准确度要求。

随着社会的进步和工业化的快速发展，颜色已经成为许多行业产品质量的重要指标之一。在纺织印染、涂料、纤维、印刷、塑料和食品等行业，将颜色指标作为产品质量指标的重要内容，已经成为生产者和消费者的共识。目前，随着生产方式和市场需求的变化，测色仪器正逐步向小型化、微型化发展。由于国内对颜色检测理论、方法和仪器的研究起步较晚，国内颜色检测仪器的发展相对落后，小型化仪器更是凤毛麟角。基于目前国内市场需求和测色仪器的发展现状，研制了一种便携式、高性价比、能满足一般应用的小型测色分析仪。该仪器的研发具有一定的实际应用意义。微型测色分析仪是在Hamamatsu c 10988ma微型可见分光光度计的基础上研制的。具体研究内容如下:

1.分析了分光比色计的检测原理和CIE均匀色空的理论基础，提出了颜色测量分析系统的总体框架。C10988MA-01显微可见光谱仪是色差检测系统的核心部件。照明和观察条件应为0/0(垂直/竖直)；利用白光LED灯和其他单色LED灯模拟标准D65光源的光谱功率分布，构建了颜色检测系统，设计了液体样品颜色检测分析系统的总体结构。

2.对研制的小型彩色探测器的基本性能和功能进行了评价。根据JJG178-2007《光谱比色计检定规程》等国家标准，对仪器进行了稳定性、重复性、透过率最大允许误差及其重复性、100%T基线等性能指标测试，其中稳定性δ f = 0.09，重复性s(Y)=0.1123，s(x)=0.0003341等。透过率最大允许误差δ t = 0.0459，透过率重复性δ t = 0.0988，100% t基线相对标准偏差在0.00007~0.0004范围内，均达到国家标准规定的一等计量标准。

3.从便携应用的角度出发，开发了一套基于Android平台的微型色差计应用软件(即Android App)。应用程序用Ja编程语言编写，实现了对微型色差计的基本控制(光谱扫描、参数设置、样品透过率采集、地图显示等。).该软件还具有用户注册、样品校准、色差分析、云端服务器上传下载等功能。应用测试表明，该软件稳定、操作简单、便携小巧，适用于Android 4.0、Android 5.0、Android 6.0等设备。

4.以喷雾干燥速溶绿茶、长城解百纳干红葡萄酒和长城玫瑰红酒为实验对象，进行了微型色差检测仪的实用试验。以蒸馏水为参比样品，采集浓度梯度为0.002 g/L(浓度范围:0.80 g/L~1.20 g/L)的喷雾干燥速溶绿茶汤的透光率，并进行色差分析。总色差△E*ab在9~13 NBS范围内，与浓度变化呈线性关系。采用邓肯多重极差检验法对不同浓度的喷雾干燥速溶绿茶汤样品的色度值L*、a*和b*进行分析，结果显示存在显著差异(P=0.05)。对于不同浓度的长城干红葡萄酒和长城玫瑰红酒样品，分别采用CIE1964均匀色空和CIE 1976Lab色差计算分析方法，计算分析其明度值L*、红/绿值a*和黄/蓝值b*。结果表明，随着干红葡萄酒和玫瑰红葡萄酒含量的增加，L*呈下降趋势，a .总色差△E*ab与葡萄酒浓度之间存在明显的线性关系，可以有效区分不同浓度的待测样品。实验证明，该系统具有一定的可靠性和实用性，具有产品定型和批量生产的水平。