【精品文章】基于智能手机设计的简易色度仪及其实验应用

基于智能手机设计的简易色度仪及其实验应用

摘要

关键词

传统教材对于透明有色溶液浓度的测定所采用是目视比色法，该方法虽然操作简单但是由于是基于肉眼对溶液颜色分辨差异所以准确度不高。近年来实验室不断发展，通过引入了分光光度计和手持技术的色度传感器来测定透明有色溶液的浓度，这两种方法准确性高但是实验步骤较为繁琐，且仪器价格较高很难开展学生实验。随着视觉技术的不断发展，有研究表明利用数字色度技术即利用扫描仪采集透明有色溶液色度信息（RGB值），可以通过溶液色度信息（RGB值）与溶液浓度的线性关系来快速检测有色溶液的浓度且具有相当高的准确性。^[1]因此笔者基于数字色度技术理论之上，利用溶液颜色与吸收光颜色的互补关系，使用智能手机App软件采集待测溶液和样品溶液的RGB值，用溶液的色度值来表征溶液对光的吸收并根据吸收程度的不同，建立溶液(-lg(C/C₀))值(其中C为R、G或B值)与溶液浓度标准曲线来推算出事先配制好的不同颜色待测溶液浓度来验证其准确性。

根据人类视觉系统的特点，就是可以选择三种基色（RGB）,将它们按不同的比例组合则引起各种不同的彩色视觉，这就是三基色原理的主要内容。三基色中的三种颜色是相互独立的，其中任一色均不能由其他二色混合产生；它们又是完备的，所以其它的颜色都可以由三基色按不同的比例组合而得，因此通过采集溶液图像的RGB值表征溶液对光的吸收根据吸收程度的不同，提出物质特征颜色的概念，建立物质特征颜色变换（即(-lg(C/C₀))值）与溶液浓度的特征方程。^[2]

当一束白光通过某溶液时，如果溶液对各种颜色的光均不吸收或者有吸收但各种颜色的光吸收程度相同则溶液为无色溶液；如果溶液只吸收了一部分波长的光，且在透过光中除吸收光的互补色光外，其他的光都互补为白光的则溶液所呈现为吸收光的互补光的颜色（在光学中指两种色光以适当的比例混合而能产生白光时，则这两种颜色就称为互补色）的颜色。以硫酸铜溶液为例、硫酸铜溶液吸收了白光中的黄光而呈现互补色的蓝色。常见溶液颜色及其互补色的关系如表1所示：^[3]

表1 溶液颜色与互补色的关系

在上述理论的基础之上，笔者利用数码照片打印机打印出纯红色（R=255、G=0、B=0）、纯绿色（R=0、G=255、B=0），纯蓝色（R=0、G=0、B=255）、纯黄色（R=255、G=255、B=0）的照片。将不同颜色照片作为背景光源，把其互为互补色的有色溶液置于背景光源中，用智能手机App读取有色溶液相应的RGB值（处于红色背景中只读取R值，绿色背景中读取G值以此类推）建立溶液-lg(C/C₀)值(其中C为R、G或B值)与溶液浓度的标准方程，快速推算出待测溶液浓度。

智能手机CMOS传感器的作用就是把传到它身上的不同强度的光线进行光电转换，转换成电压信息最终生成我们想要的数字图片。随着现代科技的高速发展，智能手机的CMOS传感器普遍拥有800万以上的成像像素以及较高灵敏度、较短曝光时间，成像质量不亚于专业照相机。因此对于溶液RGB值的采集笔者选用的是智能手机App软件Color Grab，该App软件具有智能色彩锁定，感应式自动对焦以及白色平衡控制等功能，可以配合手机CMOS传感器准确采集到有色溶液RGB值。

仪器：智能手机、积木块若干、10mm比色皿若干、100mL容量瓶、胶头滴管、玻璃棒、电子天平、5mL移液管10mL移液管。

试剂：0.2mmol/LFe(NO)₃（血红色溶液）、0.02mol/L CuSO₄（蓝色溶液）、1mol/L NiSO₄（绿色溶液）、浓氨水、饱和KSCN溶液、蒸馏水。

可以利用积木搭建了简易实验装置（如图1、图2所示），装置中的积木推杆可以方便固定比色皿于装置槽中央减少实验误差，可以将四色照片靠于积木斜面砖之上作为背景光源。

图1 实验装置示意图

图2 实验装置

先利用Photoshop创建4张纯白色的6寸数码照片图，再利用Windows自带的画图工具填充颜色，纯红色（R=255、G=0、B=0）、纯绿色（R=0、G=255、B=0），纯蓝色（R=0、G=0、B=255）、纯黄色（R=255、G=255、B=0），然后利用数码打印机将照片打印出来（效果如图3）。

图3 四色照片

5.1  血红色溶液浓度的测定

（1）用酸式滴定管往标号1-5号100mL容量瓶中分别按照表2中的剂量加入适量的0.2mmol/L Fe(NO)₃溶液，再分别加入2mL的饱和KSCN溶液再用蒸馏水稀释定容，并混合均匀。

表2. Fe³⁺的标准溶液的配制

（2）取6支干净的比色皿依次标号后加入1-5号100mL容量瓶中的标准溶液以备用（5号容量瓶的溶液视为待测溶液），再向另外的比色皿中加入蒸馏水以备用，根据表1溶液颜色与互补色的关系选取纯蓝色照片为光源置于实验装置中。

（3）先将装有蒸馏水的比色皿置于装置中，并用推杆固定于装置中央，打开智能手机中Color Grab软件，将手机镜头对准比色皿采集比色皿中溶液RGB值中的B值。将剩余5支比色皿依次装入装置中并固定好，依次采集比色皿中溶液液RGB值中的B值（如表3）。

表3. Fe³⁺标准溶液与待测溶液的B值

(4)将所得数据导入Excel，利用Excel绘制(-lg(B/B₀))-c曲线即标准曲线如图4所示，通过得到线性直线方程推算出待测溶液浓度为0.04873mmol/L、误差为2.54%。

图4 Fe³⁺的标准溶液(-lg(B/B₀))与浓度的标准曲线

5.2  蓝色溶液浓度的测定

（1）用10mL移液管往6-10号100mL容量瓶中分别按照表4中的剂量加入适量的0.02mol/L CuSO₄，再分别加入5mL的浓NH₃ ••H₂O，再用蒸馏水定容之后，混合均匀。

表4. Cu²⁺的标准溶液的配制

（2）取6支干净的比色皿依次标号后加入6-10号100mL容量瓶中的标准溶液以备用（10号的容量瓶溶液视为待测溶液），再向另外的比色皿中加入蒸馏水以备用，根据表1溶液颜色与互补色的关系选取纯黄色照片为光源置于实验装置中。

（3）先将装有蒸馏水的比色皿置于装置中，并用推杆固定于装置中央，打开智能手机中Color Grab软件，将手机镜头对准比色皿采集比色皿中溶液RGB值中的R值和G值。将剩余5支比色皿依次装入装置中并固定好，依次采集比色皿中溶液液RGB值中的R值和G值（如表5）。

表5. Cu²⁺标准溶液与待测溶液的R、G值

（4）将所得数据导入Excel，利用Excel绘制(-lg(R/R₀))-c与(-lg(G/G₀))-c的曲线即标准曲线如图5、6所示，通过得到线性直线方程推算出待测溶液浓度的平均值为4.930mmol/L。误差为1.40%

图5 Cu²⁺的标准溶液(-lg(R/R₀))与浓度的标准曲线

图6 Cu²⁺的标准溶液(-lg(G/G₀))与浓度的标准曲线

5.3  绿色溶液浓度的测定

（1）用10mL移液管往11-15号100mL容量瓶中分别按照表6中的剂量加入适量的1mol/L NiSO₄，再用蒸馏水定容之后，混合均匀。

表6. Ni²⁺的标准溶液的配制

（2）取6支干净的比色皿依次标号后加入11-15号100mL容量瓶中的标准溶液以备用（15号容量瓶的溶液视为待测溶液），再向另外的比色皿中加入蒸馏水以备用，根据表1溶液颜色与互补色的关系选取纯红色照片为光源置于实验装置中。

（3）先将装有蒸馏水的比色皿置于装置中，并用推杆固定于装置中央，打开智能手机中Color Grab软件，将手机镜头对准比色皿采集比色皿中溶液RGB值中的R值。将剩余5支比色皿依次装入装置中并固定好，依次采集比色皿中溶液液RGB值中的R值（如表7）。

表7. Ni²⁺标准溶液与待测溶液的R值

(4)将所得数据导入Excel，利用Excel绘制(-lg(R/R₀))-c的曲线即标准曲线如图7所示，通过得到线性直线方程推算出待测溶液浓度的平均值为0.4971mol/L，误差为0.60%。

图7 Ni²⁺的标准溶液(-lg(R/R₀))与浓度的标准曲线

通过得到线性直线方程推算出待测溶液浓度的误差均在3%以内，表明基于智能手机设计简易色度仪所得实验结果较为准确，而且相对于采用分光光度计和色度传感器进行实验的方法，采用智能手机设计的色度仪更为便捷，装置简单微型只需要注意实验需在相同的外界条件下进行，即所有比色皿需在相同光照度下、相同位置中采集色度值。其次只能使用同一部智能手机采集数据，不同型号甚至于同一型号的智能手机对于溶液的感光也会有差异，影响实验结果的准确性。

本实验使用智能手机和纯红绿蓝黄照片，利用溶液颜色与互补色的关系，能够快速检测透明有色溶液的浓度。与使用分光光度计和色度传感器的方法相比，操作更为便捷，装置更为简单且具有一定的准确性。将常用的智能手机引入到化学定量实验之中，可以让学生在课内外随时进行实验，在不断的探索中深化对化学的理解，激发学生学习化学知识的兴趣。