張佳薇， 韓雨杉， 李明寶

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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在1 899.703 nm波長下木材含水率光譜檢測方法研究*

張佳薇1， 韓雨杉1， 李明寶2

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

摘要:為實現(xiàn)木材含水率實時、快速、連續(xù)測量，研究了基于近紅外光譜技術(shù)實時測量木材含水率。實驗中采用中心波長位于1 899.703 nm的工業(yè)蝶形封裝的分布式反饋激光器(DFL)作為光源，選擇以楊木含水率作為被測參數(shù)，搭建了近紅外水分檢測儀的軟硬件系統(tǒng)。因為木材是強散射介質(zhì)，因此,采用修正后的朗伯—比爾定律。對楊木含水率進行實驗測量并數(shù)據(jù)擬合，木材含水率真值與激光測量木材含水率輸出功率值在一定范圍內(nèi)可以擬合為線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.90以上，木材含水率測量值與真值變化趨勢一致，二者絕對誤差小于0.15 %。實驗結(jié)果表明：利用近紅外技術(shù)可實現(xiàn)木材含水率檢測。

關(guān)鍵詞：近紅外技術(shù)； 光譜檢測； 木材水分； 吸收譜線； 分布式反饋激光器

0引言

木材含水率是木材重要的特性參數(shù)，在一定環(huán)境下會導(dǎo)致木材尺寸不穩(wěn)定。因此，對木材含水率的實時無損準(zhǔn)確檢測，對提升木材加工業(yè)的生產(chǎn)效率和技術(shù)提升具有重要促進作用[1,2]。

最傳統(tǒng)的木材含水率測量方法是烘干法，即GB/T 1931—2009木材含水率測定方法[3]。該方法測量準(zhǔn)確，但由于無法滿足實時、快速、連續(xù)測量的要求[4]，因此,電測法成為含水率的主要測量方法，其中,電阻法缺點是對被測木材具有破壞性[5]；而電容法、電磁波法測量到的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，并且存在精度不高的問題[6]。近紅外技術(shù)是一種新型的具有響應(yīng)時間短、測量精度高、并且能達到無損檢測等多種優(yōu)點的檢測技術(shù)[7,8]。因此,本文對近紅外光譜法測木材水分進行了研究。

1近紅外光譜吸收測量含水率的原理

近紅外光是介于可見光和中紅外光之間的電磁輻射波，美國材料檢測協(xié)會將近紅外光譜區(qū)定義為780～2 526 nm的區(qū)域[9]。在近紅外區(qū)域，水和其他分子中的OH鍵的伸縮和彎曲振動是引起植物吸收電磁輻射的決定性因素。近紅外技術(shù)通常是利用物質(zhì)中的OH鍵在近紅外區(qū)(800～2 500 nm)的倍頻和合頻吸收，建立吸收光譜和水含量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。水分吸收光譜中含有5個吸收帶，中心波長分別位于760,970,1 145,1 450,1 940 nm附近[10]。基于此，這一區(qū)域的光譜信息已被廣泛用來分析研究植物的水分狀況。近紅外光照射到某種物質(zhì)上,有可能被大部分吸收或幾乎不吸收，基于朗伯—比爾定律，即光照射于一定厚度可吸收光的介質(zhì)，在經(jīng)過介質(zhì)后，光能一部分被介質(zhì)吸收，透射光的能量就會減弱。吸收介質(zhì)的濃度愈大，介質(zhì)的厚度愈大，則光強度的減弱愈顯著[11]；被測物濃度越高，其反射光越弱，即光被吸收的越多，因為木材是強散射介質(zhì)，因此,經(jīng)典的朗伯—比爾定律不能準(zhǔn)確描述光的傳輸規(guī)律，本文采用修正的朗伯—比爾定律，其關(guān)系為

(1)

其中,OD為光密度,I0為入射光的強度,I1為出射光的強度,ε為消光系數(shù)，C為物質(zhì)濃度，r為光源與檢測器之間的距離，DPF為光程校正系數(shù), G為散射引起的衰減。DPF的值與組織的散射、吸收相關(guān)。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1近紅外光譜法檢測水分的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

近紅外檢測水分的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示,主要由激光源部分、光電探測部分和數(shù)據(jù)處理部分等三部分構(gòu)成。

計算機通過RS—232串口將相關(guān)控制參數(shù)和命令發(fā)送到控制芯片，控制芯片將電流控制參數(shù)經(jīng)過函數(shù)發(fā)生器發(fā)送到激光器驅(qū)動器，同時將溫度控制參數(shù)發(fā)送到激光器驅(qū)動器，函數(shù)發(fā)生器在激光器的低頻掃描電流信號之上，再疊加一個高頻正弦調(diào)制信號實現(xiàn)波長調(diào)制；激光器驅(qū)動器控制分布式反饋激光器(distributed feedback laser,DFL)發(fā)射近紅外激光，經(jīng)過準(zhǔn)直聚焦后照射到待測木材；待測木材反射到探測器，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，前置放大器將電流信號放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入到控制芯片，作為測量信號；控制芯片根據(jù)測量信號進行諧波檢測，提取二次諧波分量作為信號值，信號值與出射光強呈正比，由式(1)可得到待測木材的含水率。

圖1　近紅外木材水分檢測儀系統(tǒng)Fig 1　Near infrared wood moisture measuring instrument system

2.2H2O吸收譜線選取

為了在3 500～7 000 cm-1之間選取合適的水分吸收譜線，對NH3,H2O,CO2,CO,N2O,CH4氣體進行抗干擾譜線比較，在HITRAN數(shù)據(jù)庫查閱其吸收譜線如圖2中所示。在選擇近紅外測量水分所采用的中心波長時，需要避開除H2O其他五種氣體的干擾。由圖2可知，在5 250～5 500 cm-1的頻率波長范圍內(nèi)，H2O的吸收峰范圍內(nèi)無其他五種氣體的吸收峰，因此,可在此范圍內(nèi)選取合適的中心波長。

圖2　NH3,H2O,CO2,CO,N2O,CH4吸收譜線Fig 2　Absorption spectrum line of NH3,H2O,CO2,CO,N2O,CH4

為了選定中心波長并排除近紅外光在照射過程中被其他物質(zhì)所吸收造成的誤差，需檢驗頻率在5 263.98 cm-1(1 899.703 nm)時其他氣體的干擾。由于空氣中CO2的濃度為400×10-6左右，遠遠高于其他幾種干擾氣體，這里以CO2的吸收頻率為例。圖3、圖4分別顯示的是H2O和CO2在5 263.98 cm-1(1 899.703 nm)周圍的吸收頻率，從兩個波長頻率譜線中可以看出：H2O在5 264 cm-1(1 899.703 nm)處吸收強度為2.5×10-20cm·mol-1，其相鄰兩條H2O吸收譜線為5 265.835 cm-1(1 899.034 nm)對應(yīng)吸收強度為2.85×10-22cm·mol-1，5 261.5 cm-1(1 900.599 nm)對應(yīng)吸收強度為9×10-21cm·mol-1,左相鄰譜線間隔為0.896 nm，右相鄰譜線間隔為0.669 nm。

H2O在5 264 cm-1(1 899.703 nm)處相鄰兩條CO2吸收譜線為5 263.907 cm-1(1 899.729 nm)對應(yīng)吸收強度為3.5×10-27cm·mol-1，5 264.094 cm-1(1 899.662 nm)對應(yīng)吸收強度為3.7×10-27cm·mol-1。

比H2O的吸收強度相差5～6個能量級，符合調(diào)制要求。因此，可確定波長為5 264 cm-1(1 899.703 nm)的激光進行近紅外光譜檢測木材水分實驗。

圖3　H2O在5 263.98 cm-1的吸收譜線Fig 3　Absorption spectrum line of H2O in 5 263.98 cm-1

圖4　CO2在5 263.98 cm-1周圍的吸收譜線Fig 4　Absorption spectrum line of CO2 in 5 263.98 cm-1

3DFL光源

國內(nèi)常用的光源有鹵素?zé)?，可調(diào)諧DFL和外腔半導(dǎo)體激光器(external cavity diode laser，ECDL)，本設(shè)計采用工業(yè)蝶形封裝的DFL作為光源。

鹵素?zé)羰遣捎脼V光片獲取某一頻率光源，在水吸收峰附近無法保證光源穩(wěn)定，而DFL內(nèi)置了布拉格光柵，具有非常好的單色性(即光譜純度)，它的線寬可以達到1 MHz以內(nèi)，并具有非常高的邊模抑制比(SMSR)，可高達40～50 dB以上。而外腔半導(dǎo)體激光器由于受到調(diào)制原理限制的原因，其調(diào)制速度不高，無法達到快速測量的要求，DFL的輸出能量隨波長變化比較平穩(wěn)，其頻率響應(yīng)特性較高，能夠在高頻的工作波段上進行使用。因此，相比鹵素?zé)艉虴CDL，DFL更適合用于近紅外水分儀的光源。

可調(diào)諧DFL一般通過溫度和電流來進行調(diào)諧，DFL溫度調(diào)諧的速度很慢，但調(diào)諧范圍可以達到5 nm，因此,可以用于對H2O譜線位置的大致選擇，而不能用于對于譜線的快速掃描。電流調(diào)諧的典型值為2.0 μm，調(diào)諧范圍較窄，但是速度相對較快。因此，在測量中采用溫度和電流相互協(xié)調(diào)作用的方法，首先通過溫度調(diào)諧使得激光器輸出波長位于吸收譜線中心，然后再利用電流調(diào)諧來進行譜線的掃描。

4實驗結(jié)果

于樹干1.3 m處向下截取厚度約30 mm的圓盤，沿南北兩個半徑方向，邊材位置截取一個長度、厚度和寬度為20 mm×20 mm×20 mm的楊木試件，按照如圖1實驗裝置示意圖搭建實驗系統(tǒng)，實驗數(shù)據(jù)擬合情況如圖5所示。表1給出了實驗測量結(jié)果和擬合結(jié)果及其誤差。

圖5　木材含水率擬合圖Fig 5　Fitting diagram of wood moisture content

含水率真值(%)輸出功率值(W)含水率測量值(%)誤差(%)27.380.68127.26-0.1227.260.68727.18-0.0826.990.69327.090.1026.850.70126.980.1326.890.71526.79-0.1026.530.72526.660.1326.460.73326.550.0926.480.74126.44-0.0426.390.74926.33-0.0626.230.75926.19-0.0426.190.76225.08-0.1025.900.77125.940.0425.810.78925.67-0.1325.500.78925.600.1025.390.80125.490.10

由圖5中數(shù)據(jù)變化趨勢可知，標(biāo)準(zhǔn)含水率與功率值呈明顯單調(diào)相關(guān)趨勢，在一定范圍內(nèi)可近似擬合成線性關(guān)系。擬合關(guān)系式為W= -15.06P+ 37.557，相關(guān)系數(shù)為R2=0.964 7。但實驗采集的樣本相對較少，木材水分含量范圍有限，對于水分不在范圍內(nèi)的木材進行水分檢測時可能存在誤差。為了擴大檢測范圍，可以嘗試在不同水分含量范圍內(nèi)分段建模。

5結(jié)論

本文以楊木含水率作為被測參數(shù)進行基于光譜技術(shù)的含水率檢測，對實驗所選的激光光源進行介紹，完成了系統(tǒng)的開發(fā)研制。實驗結(jié)果表明：含水率真值與輸出功率值在一定范圍內(nèi)可以擬合為線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.90以上，含水率測量值與含水率真值變化趨勢一致，二者絕對誤差小于0.15 %，證明了該測定木材含水率技術(shù)的可行性。

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張佳薇(1975-)，女，黑龍江鶴崗人，博士，副教授，主要從事模式識別與智能系統(tǒng)相關(guān)的教學(xué)與科研工作。

Study on spectral detection method for moisture content of wood in 1 899.703 nm wavelength*

ZHANG Jia-wei1, HAN Yu-shan1, LI Ming-bao2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University, Harbin 150040,China; 2.College of Civil Engineering,Northeast Forestry University, Harbin 150040,China)

Abstract:In order to achieve real-time,rapid and continuous measurement of wood moisture content,real-time measurement of wood moisture content based on near infrared spectroscopy technology is studied.In experiment,distributed feedback laser(DFL)is used as source of 1 899.703 nm,and water content of poplar is chosen as tested parameter,and software and hardware system of near infrared moisture detector is constructed.Modified Lambert-Beer law is used,because wood is highly scattering medium.Moisture content of Poplar is measured by experiment and data fitting is carried out,wood true value of water ratio of wood and output power value of water ratio measured by laser in a certain range can be fitted to linear relationship,the correlation coefficient is above 0.90,measured value and true value of wood moisture content show the same trend,both absolute error is less than 0.15 %.Test results show that using near infrared technology can achieve detection of wood moisture content.

Key words:near infrared technology; spectrum detection; wood moisture; absorption spectrum line; distributed feedback laser(DFL)

作者簡介:

中圖分類號：TP 731

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1000—9787(2016)01—0029—03

*基金項目：國家林業(yè)局“948”計劃資助項目(2013—4—58);國家自然科學(xué)基金資助項目(31470715)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目(2572014EB03—02)；國家“十二五”科技計劃課題(2013BAJ12B02—2)

收稿日期：2015—11—09

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0029—03