混色层状材料任一点中单色材料的厚度或质量的测量方法

混色层状材料任一点中单色材料的厚度或质量的测量方法
【技术领域】
1.本发明涉及混色材料中各单色材料相对厚度及质量占比的方法的技术领域，特别是计算层状强散射或非强散射性混色层状材料中任一点中单色材料厚度和质量的测量方法的技术领域。


背景技术：

2.混色材料中各单色材料的厚度或质量分布是表征混色材料的结构和质量(或厚度)分布均匀性的重要特征，也是研究混合材料中任一点各单色材料厚度或质量占比的重要依据。
3.基于单向吸收作用的朗伯定律被广泛应用于透光材料的厚度，是吸光光度法、比色分析法和光电比色法的定量基础，也是紫外分光光度以介质吸光程度计算透明介质厚度的理论条件。但是，该理论在应用于强散射性材料及较厚材料中时，会产生较大偏差。因此，笔者及团队推导出由透光信号计算白色层状纤维集合体面密度的算法(专利号：cn105403482a)，克服了朗伯理论的测量偏差问题，使须丛线密度曲线(专利号：cn106769652)和纤维长度分布的计算成为可能。
4.在可见光和不可见光范围内，同一介质对不同波长的光线的吸收能力不同，同时，不同介质对同一单色光的吸收能力也不同。目前，国内外的研究学者正致力于采用彩色透光图像研究材料内部的结构及其特征：1)材料的质量：采用冷光原照射的彩色透光图像，lab空间中的l值和rgb中的g值，采用sobel算子和形态学方法提取三种特征，以回归法构建三元新鲜度模型，对禽蛋进行实时新鲜度检测与分级；采用烟叶的反射和透射图像的色度，识别烟叶的内在质量表征。2)克服漏血检测不能辨色：基于漏血造成透析液中光线透过率的变化，将检测的rgb信号转换为hsl信号，以亮度作为漏血的判断依据，以饱和度和色度信号作为防止误判的参考；3)植物病变：利用遥感技术获取玉米病害病斑透光图像，根据不同病斑的图像像素数值和rgb值之间的差异，自动分类识别玉米叶斑病害。但是，上述研究都没有能解决混色材料中各颜色材料的相对厚度及质量占比的分析计算难题。
5.为了得到平面状混色材料中任一点各色材料的相对厚度及占比，在2018年，笔者团队及笔者提出了混色材料任一点上各色材料累计厚度及质量占比测试方法(专利号：cn107796315a)。该专利采用rgb图像，将朗伯定律应用于红、绿、蓝(r、g、b)三维色空间，基于材料的彩色透光图像建立计算方法，并设计系列实验证明该算法在常见高分子材料上的适用性，有效解决了低散射混色材料中各单色材料的厚度及质量占比的分析计算难题。但是，朗伯定律在强散射性材料及厚度厚的纤维材料上应用时仍有较大偏差。并且，在测量强散射性材料时，上述专利采用了由笔者推导出的透光信号计算白色层状纤维集合体面密度的算法中的光学参数h进行分色，即hw＝bsx，式中，b、s和x均是与材料光性能相关的参数。但因专利中混色材料和单色材料的光学参数hw加和理论不完备，且混色和单色材料均采用设定的同一无穷厚反射率参数。因此，该方法只可初步计算部分混色材料中各单色材料的相对厚度或质量占比。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是如何获得平面层状混色材料中任意一点上各单色材料的累积相对厚度及质量占比的准确计算方法，尤其是对于含强散射组分的混色材料和厚度较厚的材料。
7.为实现上述目的，本发明提出了混色层状材料任一点中单色材料的厚度或质量的测量方法，包括如下步骤：
8.步骤一、获得混色前各单色材料的散光度与透光强度之间的关系：
9.①
测试第i种材料(i＝1,2,3)分别在红、绿和蓝三种单色光照射下的透光强度r、g和b；
10.②
计算第i种材料分别在红、绿和蓝三种单色光照射下的散光度pir、pig和pib；
[0011][0012][0013][0014]
式中，r
∞,r
、r
∞,g
和r
∞,b
分别是在红、绿和蓝三种单色光照射下的第i种材料堆砌到无穷厚时的反射率，单位为％；r0，g0和b0分别为红、绿和蓝各单色光的总光强；
[0015]
步骤二、构建混色材料中各单色材料的真实厚度与混色材料的总散光度之间的关系的混色方程组：
[0016]
①
寻找第i种材料的实际厚度x与散光度的线性关系范围，并用线性拟合方法，求出第i种材料的实际厚度x与散光度的线性方程，以p
i,m
＝s
i,m
xi+d
i,m
表示第i种材料在第m种单色光(m＝r,g,b)照射下的散光度：
[0017]
p
1，r
＝d
1，r
+s
1，r
x1，p
2，r
＝d
2，r
+s
2r
x2ꢀꢀꢀꢀ
(4)；
[0018]
p
1，g
＝d
1，g
+s
1，g
x1，p
2，g
＝d
2，g
+s
2g
x2ꢀꢀꢀꢀ
(5)；
[0019]
p
1，b
＝d
1，b
+s
1，b
x1，p
2，b
＝d
2，b
+s
2，b
x2ꢀꢀꢀꢀ
(6)；
[0020]
式中，xi为第i种材料的实际厚度，单位为cm；s
i，m
和d
i，m
为线性拟合方程的常数，其中，s
i，m
与材料本身的散光性能有关和d
i，m
与噪声有关。
[0021]
②
以p
mix，m
表示混合材料在第m种单色光照射下的散光度，用下述方法构建混合材料的散光度与其中各单色材料xi厚度的关系方程：
[0022]
a)在二种材料混合时：
[0023]
p
mix，m
＝p
1，m
+p
2，m
ꢀꢀꢀꢀ
(7)；
[0024]
其中，将方程(4)、(5)和(6)带入方程(7)，可获得三个方程，再在联立方程后，可构建出二元一次混色方程组；
[0025]
b)在三种材料混合时：
[0026]
p
mix，m
＝p
1，m
+p
2，m
+p
3，m
ꢀꢀꢀꢀ
(8)；
[0027]
将方程(4)、(5)和(6)带入方程(8)，可获得三个方程，再在联立方程后，可构建出三元一次混色方程组；
[0028]
步骤三、求解混色材料中各单色材料的厚度与质量或相对厚度与相对质量：
[0029]
根据公式(1)、(2)和(3)，由混色材料的透光强度r、g和b，计算各单色光下的材料的总散光度，带入对应的二元一次混色方程组或三元一次混色方程组，算得混色层状材料中各单色材料的厚度与质量，若因噪声和随机偏差等因素，造成线性分色结果是真实值的常数倍数时，再利用空白组剔除噪声并进行归一化，算得混色层状材料中各单色材料的相对厚度与相对质量。
[0030]
作为优选，在红、绿和蓝三种单色光照射下，无穷厚材料的反射率r
∞
即厚度为0.5～3cm的材料的反射率。
[0031]
作为优选，所述步骤一中，采用均匀的红、绿和蓝单色光源照射层状试样，同时利用数码成像技术获取该层状试样的透射光的数字彩色图像。
[0032]
作为优选，所述层状试样为层状纤维集合体试样或由高分子膜或碎屑堆砌而成的层状试样。
[0033]
本发明的有益效果：
[0034]
本专利首次提出用散光度(p＝sx)恒定理论和透光信号计算混色层状纤维集合体中各分色纤维材料相对厚度或质量占比的算法，该算法提出的散光度加和理论更加完备，且单色和混色材料采用了各自不同的无穷厚反射率参数，分色效果优于基于原lambert-beer光学吸光度h＝kx(k与材料光学性能相关的参数)的分色算法，不做复杂的内部结构分析或破坏性试验，运用本发明算法就可获得更精确的混色中各单色材料的相对面密度或厚度，为纤维或细薄物体堆砌成的层状混色材料中各单色材料的结构、性能和均匀度检测等领域的测量打下了基础，可以适用于非强/强散射性材料及厚度较厚的材料。
[0035]
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
[0036]
图1在红、绿和蓝三种单色光照射下，1#浅蓝pet单色材料层数与透光强度、吸光度和散光度的关系；
[0037]
图2在红、绿和蓝三种单色光照射下，2#浅黄pet单色材料层数与透光强度、吸光度和散光度的关系；
[0038]
图3本发明计算的pet混色膜(2#浅黄：1#浅蓝＝1：2混)中各单色膜厚度与原朗伯模型的比较；
[0039]
图4本发明计算的pet混色膜(1#浅蓝：2#浅黄＝3：1混)中各单色膜厚度与原朗伯模型的比较；
[0040]
图5在红、绿和蓝三种单色光照射下，3#粉pet单色膜材料层数与透光强度、吸光度和散光度的关系；
[0041]
图6在红、绿和蓝三种单色光照射下，4#青pet单色膜材料层数与透光强度、吸光度和散光度的关系；
[0042]
图7在红、绿和蓝三种单色光照射下，5#白pet单色膜材料层数与透光强度、吸光度和散光度的关系；
[0043]
图8本发明计算的pet混色膜(1#浅蓝：1#浅黄＝1：1混)中各单色膜的相对厚度与朗伯模型的比较；
[0044]
图9本发明计算的pet混色膜(1#浅蓝：2#浅黄＝1：2混)中各单色膜的相对厚度与lambert-beer衍生模型的比较；
[0045]
图10本发明计算的pet混色膜(3#粉：4#青＝1：1混)中各单色膜的相对厚度与lambert-beer衍生模型的比较；
[0046]
图11本发明计算的pet混色膜(3#粉：4#青：5#白＝1：1：1混)中各单色膜的相对厚度与lambert-beer衍生模型的比较；
[0047]
图12在红、绿和蓝三种单色光照射下，6#深蓝pp聚酯膜的层数与透光强度、散光度和吸光度的关系；
[0048]
图13在红、绿和蓝三种单色光照射下，7#深黄pp聚酯膜的层数与透光强度、散光度和吸光度的关系；
[0049]
图14本发明计算的pp混色膜(6#深蓝：7#深黄＝1：1)中各单色膜的相对厚度与lambert-beer衍生模型的比较；
[0050]
图15本发明计算的pp\pet混色膜(7#深黄：4#青＝1：1)中各单色膜的相对厚度与lambert-beer衍生模型的比较。
【具体实施方式】
[0051]
实施例一、二色pet混色材料中各色材料厚度和占比的分色测量计算：
[0052]
首先，利用均匀透明的pet薄膜(材料信息见下表1)，验证本发明的正确性。将材料1#浅蓝和2#浅黄分别以不同层数叠加，测试在红、绿和蓝三种单色光照射下单色膜的透光强度，再根据公式(1)、(2)、(3)、a＝log(g0/g)和a＝log(b0/b)，分别计算w-w模型散光度和lamber-beer模型吸光度与累计层数或厚度的实验关系。
[0053]
表1 pet彩色膜的材料信息
[0054][0055]
在图1和图2的绿和蓝单色光通道下的吸光度和散光度的线性区间内，将前4个点作线性拟合，求出绿和蓝单色光下，材料1#浅蓝和2#浅黄的实际厚度x1和x2与对应的散光度(p
1,g
，p
1,b
，p
2,g
，p
2,b
)和吸光度(a
1,g
，a
1,b
，a
2,g
，a
2,b
)的线性拟合方程，结果如下表2所示。
[0056]
表2材料1#浅蓝和2#浅黄的散光度和吸光度与各单色材料厚度的线性拟合方程
[0057][0058]
然后，由公式(7)和混色吸光度等于各单色吸光度的和的关系，分别构建混色总散光度和总吸光度与二种单色材料实际厚度的关系方程组，见公式(9)和公式(10)。
[0059]
散光度：
[0060]
吸光度：
[0061]
将材料1#浅蓝和2#浅黄，按照2#浅黄：1#浅蓝＝1：2和1#浅蓝2#：浅黄＝3：1的比例，依次叠放成不同层数的混色材料，分别测得对应的透光强度，以方程(2)、方程(3)、a＝log(g0/g)和a＝log(b0/b)，分别计算混色材料各层散光度p
mix,g
、p
mix,b
和吸光度a
mix,g
、a
mix,b
的值，计算结果带入方程组(9)和(10)后，计算各单色材料的厚度或质量，结果见图3和图4。
[0062]
由图3和图4可知，由本专利散光度分色算法sx和光学信号间接测试的计算厚度也与实际厚度很接近，计算结果与真实值之间的偏差率散光度模型平均偏差率为4.27％，最大偏差率为10.18％，lambert-beer模型吸光度算法的平均偏差率为6.58％，最大偏差率为20.40％(偏差率＝(实际值-计算值)/实际值
×
100％)。在厚度厚处，本专利算法明显优于原lambert-beer吸收算法，证明了本专利混色公式可以用于计算混色聚酯pet材料任意透光点上各颜色材料的厚度。
[0063]
实施例二、二色和三色pet混色材料中各色材料相对厚度和占比的测算：
[0064]
首先，利用均匀透明的pet薄膜(材料信息见下表3)，验证本发明的正确性。同实施例一，将材料3#粉、4#青和5#白分别以不同层数叠加，测试在红、绿和蓝三种单色光照射下单色膜的透光强度，再分别计算各通道下的w-w模型散光度p和lamber-beer模型吸光度a与累计厚度或层数的实验关系。
[0065]
表3 pet彩色膜材料信息
[0066][0067]
如图5、图6和图7所示，将图中吸光度a和散光度p前3个点作线性拟合，求在各单色光下，三种pet材料的实际厚度与对应的散光度和吸光度的线性拟合方程，根据公式(8)和混色吸光度等于各分色吸光度的和，构建混色三元一次方程组。
[0068]
同实施例一，将材料1#浅蓝材料和2#浅黄材料按照1：1和1：2的比例，将材料3#粉和4#青材料按照1：1的比例，将材料3#粉、4#青和5#白按照1：1：1的比例，分别依次叠放成不同层数的3组两色混色材料和1组三色混色材料，测得这些混色材料不同厚度对应的透光强度，再以方程(2)、(3)、a＝log(g0/g)和a＝log(b0/b)，分别计算混色材料对应混色散光度和吸光度的值，将结果带入对应混色二元一次和三元一次方程组右侧后，计算各单色材料的相对厚度值，与真实值作对比。
[0069]
结果分别如图8、图9、图10和图11所示，二色混色材料散光度模型的计算结果与真实值之间的平均偏差率为2.32％，最大偏差率为11.35％，与lambert-beer模型吸光度算法的计算结果与真实值之间的平均偏差率为5.08％，最大偏差率为27.96％，而三色混色材料的散光度模型的计算结果与真实值之间的平均差异率为1.60％，最大差异率为8.54％，lambert-beer模型的计算结果与真实值之间的平均差异率为2.11％，最大差异率为11.90％，后续需更多实验来验证三色混色材料的分色效果。上述结果证明了该专利可以应用于二色混色材料pet的均匀度检测及相对厚度或质量分布测量。
[0070]
实施例三、二色pp混色材料中各色材料相对厚度或质量的测量：
[0071]
首先，利用均匀透明的pp薄膜(材料信息见下表4)，验证本发明的正确性。同实施例1，将材料6#深蓝和7#深黄分别以不同层数叠加，测试在红、绿和蓝三种单色光照射下单色膜的透光强度，分别计算w-w模型散光度p、lamber-beer模型吸光度a与累计厚度或层数的实验关系。
[0072]
表4 pp彩色膜材料信息
[0073][0074]
如图12和图13所示，将图中前3个点作线性拟合，求出绿和蓝单色光下，两种pp材料的实际厚度与对应的散光度和吸光度的线性拟合方程，并构建混色二元一次方程组。
[0075]
按照材料6#深蓝和7#深黄材料以1：1的比例，依次叠放成不同层数的混色材料，分别测量对应的透光强度，并计算散光度和吸光度，将结果带入对应的二元一次方程组后，计算各单色的相对厚度值。
[0076]
图14即为基于pp混色磨砂膜透光信号算得的单色膜归一化后的相对厚度与实际值比较，平均差异率为2.06％，最大差异率为8.17％。lambert-beer模型的平均差异率为4.08％，最大差异率为12.05％。上述结果证明了该混合公式可以用于计算混色非聚酯pp材料任意透光点上各颜色材料的厚度或质量。
[0077]
实施例四、二色pp/pet混色材料中各色材料相对厚度的测量：
[0078]
同实施例1，采用材料4#青pet薄膜和7#深黄pp薄膜，在绿和蓝单色光照射下的回归线性方程和公式(7)，构建混色散光度和吸光度的混色二元一次方程组。
[0079]
将材料7#深黄和4#青以1：1的比例依次叠加不同层数，测量在绿和蓝单色光照射下，pp/pet膜叠加后总光散度和总吸光度，带入对应的混色二元一次方程组，归一化后，求得各单色膜的相对厚度。
[0080]
图15即为基于pp/pet混色磨砂膜透光信号算得的单色膜归一化后的相对厚度与实际值比较，平均差异率为3.11％，最大差异率为15.48％，lambert-beer模型的平均差异率为24.73％，最大差异率为164.74％。上述结果证明了该混合公式可以用于计算混色pp/pet材料任一透光点上各单色材料的相对厚度。
[0081]
本发明能解决混色材料中至少含有一种强散射性材料组分时，各色材料的厚度及质量占比的分析计算困难的难题，该算法适用于非强散射性和强散射性材料，适用范围比由lambert-beer模型推导出的分色算法适用性更广，不做复杂的内部结构分析或破坏性试验，运用本发明算法就可获得更精确的混色中各单色材料的相对面密度或厚度，为纤维或细薄物体堆砌成的层状混色材料中各单色材料的结构、性能和均匀度检测等领域的测量打下了基础。
[0082]
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。