【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

李嘉

（五爱高级中学上海 200023）

摘要

在数字色度法的理论基础之上，应用溶液颜色与互补色的关系，运用智能手机App软件Color Grab采集透明有色溶液的RGB值，并绘制相应的规范曲线，进而测定待测溶液的浓度。本实验操作简单且装置方便，精确度较高，不只有利于学生进一步了解化学定量实验而且有利于学生的中止课外拓展实验。

关键词

智能手机；数字色度法；RGB；溶液浓度

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问题的提出

传统教材关于透明有色溶液浓度的测定所采用是目视比色法，该措施固然操作简单但是由于是基于肉眼对溶液颜色分辨差别所以精确度不高。近年来实验室不时展开，经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，这两种措施精确性高但是实验步骤较为繁琐，且仪器价钱较高很难展开学生实验。随着视觉技术的不时展开，有研讨表明应用数字色度技术即应用扫描仪采集透明有色溶液色度信息（RGB值），能够经过溶液色度信息（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精确性。[1]因而笔者基于数字色度技术理论之上，应用溶液颜色与吸收光颜色的互补关系，运用智能手机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依据吸收水平的不同，树立溶液(-lg(C/C0))值(其中C为R、G或B值)与溶液浓度规范曲线来推算出事前配制好的不同颜色待测溶液浓度来考证其精确性。

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实验的原理

依据人类视觉系统的特性，就是能够选择三种基色（RGB）,将它们按不同的比例组合则惹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，所以其它的颜色都能够由三基色按不同的比例组合而得，因而经过采集溶液图像的RGB值表征溶液对光的吸收依据吸收水平的不同，提出物质特征颜色的概念，树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]

当一束白光经过某溶液时，假如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水平相同则溶液为无色溶液；假如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恰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，笔者应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）树立溶液-lg(C/C0)值(其中C为R、G或B值)与溶液浓度的规范方程，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中止光电转换，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展开，智能手机的CMOS传感器普遍具有800万以上的成像像素以及较高灵活度、较短曝光时间，成像质量不亚于专业照相机。因而关于溶液RGB值的采集笔者选用的是智能手机App软件Color Grab，该App软件具有智能颜色锁定，感应式自动对焦以及白色均衡控制等功用，能够配合手机CMOS传感器精确采集到有色溶液RGB值。

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实验仪器和试剂

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。

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实验装置图

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

图1 实验装置表示图

图2 实验装置

先应用Photoshop创建4张纯白色的6寸数码照片图，再应用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），然后应用数码打印机将照片打印出来（效果如图3）。

图3 四色照片

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实验的步骤

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容量瓶中分别依照表2中的剂量参与适量的0.2mmol/L Fe(NO)3溶液，再分别参与2mL的饱和KSCN溶液再用蒸馏水稀释定容，并混合平均。

表2. Fe3+的规范溶液的配制

（2）取6支洁净的比色皿依次标号后参与1-5号100mL容量瓶中的规范溶液以备用（5号容量瓶的溶液视为待测溶液），再向另外的比色皿中参与蒸馏水以备用，依据表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，翻开智能手机中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+规范溶液与待测溶液的B值

(4)将所得数据导入Excel，应用Excel绘制(-lg(B/B0))-c曲线即规范曲线如图4所示，经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+的规范溶液(-lg(B/B0))与浓度的规范曲线

5.2 蓝色溶液浓度的测定

（1）用10mL移液管往6-10号100mL容量瓶中分别依照表4中的剂量参与适量的0.02mol/L CuSO4，再分别参与5mL的浓NH3 H2O，再用蒸馏水定容之后，混合平均。

表4. Cu2+的规范溶液的配制

（2）取6支洁净的比色皿依次标号后参与6-10号100mL容量瓶中的规范溶液以备用（10号的容量瓶溶液视为待测溶液），再向另外的比色皿中参与蒸馏水以备用，依据表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，翻开智能手机中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+规范溶液与待测溶液的R、G值

（4）将所得数据导入Excel，应用Excel绘制(-lg(R/R0))-c与(-lg(G/G0))-c的曲线即规范曲线如图5、6所示，经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+的规范溶液(-lg(R/R0))与浓度的规范曲线

图6 Cu2+的规范溶液(-lg(G/G0))与浓度的规范曲线

5.3 绿色溶液浓度的测定

（1）用10mL移液管往11-15号100mL容量瓶中分别依照表6中的剂量参与适量的1mol/L NiSO4，再用蒸馏水定容之后，混合平均。

表6. Ni2+的规范溶液的配制

（2）取6支洁净的比色皿依次标号后参与11-15号100mL容量瓶中的规范溶液以备用（15号容量瓶的溶液视为待测溶液），再向另外的比色皿中参与蒸馏水以备用，依据表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，翻开智能手机中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+规范溶液与待测溶液的R值

(4)将所得数据导入Excel，应用Excel绘制(-lg(R/R0))-c的曲线即规范曲线如图7所示，经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+的规范溶液(-lg(R/R0))与浓度的规范曲线

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实验结论与倡议

经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精确，而且相关于采用分光光度计和色度传感器中止实验的措施，采用智能手机设计的色度仪更为方便，装置简单微型只需求留意实验需在相同的外界条件下中止，即一切比色皿需在相同光照度下、相同位置中采集色度值。其次只能运用同一部智能手机采集数据，不同型号以至于同一型号的智能手机关于溶液的感光也会有差别，影响实验结果的精确性。

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终了语

本实验运用智能手机和纯红绿蓝黄照片，应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。与运用分光光度计和色度传感器的措施相比，操作更为方便，装置更为简单且具有一定的精确性。将常用的智能手机引入到化学定量实验之中，能够让学生在课内外随时中止实验，在不时的探求中深化对化学的了解，激起学生学习化学学问的兴味。

参考文献

[1] [2]杨海燕.数字色度发检测有色透明溶液浓度的研讨.北京:中国农业大学学位论文，2006

[3夏玉宇，朱燕，李洁.化学实验室手册.3版.北京：化学工业出版社，2015:176.

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