謝燕利

（桂平市公共檢驗(yàn)檢測(cè)中心，廣西 貴港 537200）

紡織品纖維質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)在近年來得到了快速發(fā)展，在紡織品纖維成分檢驗(yàn)中，及時(shí)排除檢驗(yàn)影響因素，對(duì)于提升質(zhì)量檢驗(yàn)的精準(zhǔn)性有著十分重要的意義。為研究紡織品纖維質(zhì)量檢驗(yàn)的影響因素，在正交實(shí)驗(yàn)中，分別從檢驗(yàn)儀器、檢驗(yàn)環(huán)境、檢驗(yàn)人員、樣品抽樣四個(gè)方面設(shè)計(jì)方案，根據(jù)得到的結(jié)果，繪制紅外光譜圖和測(cè)量吸收峰測(cè)量，并對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。

1 不同檢驗(yàn)因素對(duì)紡織品纖維質(zhì)量的影響

1.1 紡織品纖維質(zhì)量檢驗(yàn)因素實(shí)施方案

檢驗(yàn)儀器、檢驗(yàn)環(huán)境、樣品抽樣、檢驗(yàn)人員等因素可能會(huì)對(duì)紅外光譜紡織品纖維質(zhì)量檢驗(yàn)的結(jié)果造成影響，為了分析不同影響因素對(duì)紅外光譜紡織品纖維質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果的影響程度，本研究采用正交實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)不同水平下各個(gè)影響因素進(jìn)行了排列組合，針對(duì)木棉和粘膠纖維進(jìn)行了紅外光譜正交實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，探明關(guān)鍵的拐點(diǎn)位置，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素與試驗(yàn)方案如表1 所示。

表1 紡織品纖維質(zhì)量檢驗(yàn)因素實(shí)施方案

1.2 具體方案

對(duì)紅外光譜紡織品纖維質(zhì)量檢驗(yàn)，分別采用纖維材料便攜式紅外光譜儀BOKIR 1S、纖維材料便攜式紅外光譜儀i-Spec Plus 進(jìn)行三因素兩水平的L8（27）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，粘膠纖維和木棉正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共32 組[1]。

正交試驗(yàn)，2 次平行實(shí)驗(yàn)為一組，共為16 組，算出平均值。設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，為分析質(zhì)量檢驗(yàn)因素明確試驗(yàn)條件，并根據(jù)得出各自培養(yǎng)條件得到具體的檢驗(yàn)方案。

1.3 數(shù)據(jù)采集

通過對(duì)木棉纖維的顏色、疏密度、厚度等物理特性的基礎(chǔ)上，在采集樣品的紅外光譜數(shù)據(jù)時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)白板上平壓織物，以保證樣本信息能盡可能地被儀器所接受。為了盡可能地降低測(cè)量誤差，本試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集單詞掃描次數(shù)是16 次，且積分時(shí)間為400 s，在光路穩(wěn)定的情況下開展數(shù)據(jù)采集。

1.4 數(shù)據(jù)處理

在本試驗(yàn)中，為了更好地進(jìn)行線性回歸分析，首先對(duì)光譜進(jìn)行了預(yù)處理。首先對(duì)原始光譜采用常見的方案分貝實(shí)施預(yù)處理，再對(duì)預(yù)處理的光譜數(shù)據(jù)采用折一法進(jìn)行交互驗(yàn)證，且在交互驗(yàn)證時(shí)采用的平滑法最具有科學(xué)性，能有效地將光譜數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲的信噪比消除。在預(yù)處理的基礎(chǔ)上，及時(shí)剔除奇異的樣品。即在紅外光譜定量分析中利用樣品數(shù)量建立了線性回歸方法建模，且結(jié)合所建模型來預(yù)測(cè)未參與建模的成分信息已知的樣品開展預(yù)測(cè)，再結(jié)合預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)和分析模型性能。本試驗(yàn)中采用的是最小半球體積法來剔除異常樣品，對(duì)36 個(gè)樣品中的異常數(shù)據(jù)剔除后，采用杠桿值開展綜合分析。其中異常的樣品分別為9 號(hào)（第二次）和15 號(hào)（第一次），對(duì)剩余的34 個(gè)樣品重新編號(hào)，設(shè)為1-34 的編號(hào)，為測(cè)量紅外光譜吸收峰奠定了基礎(chǔ)。

2 紅外光譜吸收峰測(cè)量

由于不同的物質(zhì)在分子結(jié)構(gòu)上不同，當(dāng)物質(zhì)和外部連續(xù)波長的光輻射作用時(shí)，會(huì)形成多種不同的吸收能級(jí)與特征吸收峰不同，只有測(cè)量紅外光譜吸收峰，才能更加精準(zhǔn)地掌握特征峰的位置、強(qiáng)度。因此，本研究在對(duì)2 種樣品開展的36 次的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，得到的34 種剩下的樣品數(shù)據(jù)，對(duì)特征峰與波數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)定，詳見表2 和表3 所示。

表2 木棉的特征峰與波數(shù)的關(guān)系

表3 粘膠纖維的特征峰與波數(shù)的關(guān)系

紅外光譜的定量分析時(shí)，本試驗(yàn)測(cè)量吸收峰的峰面積，記作A’，計(jì)算時(shí)采用基線校正后的峰面積值。峰面積測(cè)量必須限定吸收峰所包含的波數(shù)范圍，特征峰的峰面積為吸收峰光譜曲線和基線所包圍的面積[2]。

3 基于相似度的紡織品纖維質(zhì)量評(píng)定方案的設(shè)計(jì)

確定了紅外光譜檢驗(yàn)的試驗(yàn)方法以后，需要驗(yàn)證其在紡織品纖維質(zhì)量評(píng)定過程中的可靠性，本研究對(duì)紅外光譜檢驗(yàn)結(jié)果與其他常規(guī)的部分紡織品纖維質(zhì)量判定指標(biāo)之間的相關(guān)性展開研究，并提出合理的紅外光譜紡織品纖維質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。本試驗(yàn)基于木棉提出相似度的指標(biāo)對(duì)木棉進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)木棉樣品進(jìn)行了紅外光譜紡織品纖維質(zhì)量檢驗(yàn)，將其紅外光譜圖作為標(biāo)準(zhǔn)圖譜，對(duì)檢驗(yàn)樣品進(jìn)行紅外光譜紡織品纖維質(zhì)量檢驗(yàn)，將其紅外光譜圖與樣品的紅外光譜圖進(jìn)行比對(duì)，通過對(duì)比分析軟件，對(duì)不同圖譜的相似度進(jìn)行分析，從而對(duì)木棉的質(zhì)量進(jìn)行快速評(píng)定。對(duì)木棉和粘膠纖維的常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行分析，主要對(duì)全套指標(biāo)、組分試驗(yàn)、分級(jí)試驗(yàn)。探索建立紅外光譜檢驗(yàn)結(jié)果與部分紡織品纖維質(zhì)量判定指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系?？紤]到試驗(yàn)規(guī)程中組分試驗(yàn)的復(fù)雜程度，為了消除試驗(yàn)誤差，通過快速檢驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)方案詳見表4。

表4 紡織品質(zhì)量試驗(yàn)方案

對(duì)通過紅外光譜檢驗(yàn)相似度結(jié)果達(dá)不到要求的木棉，本研究對(duì)組分、分級(jí)指標(biāo)、全套指標(biāo)等試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和分析。若常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果有差異，探討分析紅外光譜圖與常規(guī)試驗(yàn)指標(biāo)之間的相關(guān)性；若常規(guī)試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果正常，說明紅外光譜識(shí)別技術(shù)相對(duì)常規(guī)試驗(yàn)指標(biāo)具有很好的區(qū)分度。例如在上述試驗(yàn)中，分別對(duì)木棉、粘膠纖維進(jìn)行紅外光譜檢驗(yàn)，共檢驗(yàn)樣品32 個(gè)，按照相似度進(jìn)行評(píng)價(jià)，相似度滿足要求占62.5%（20 個(gè)樣品滿足相似度≥95%）。在實(shí)際分析中，結(jié)合吸光度和波數(shù)，根據(jù)所需檢測(cè)的指標(biāo)進(jìn)行判定，驗(yàn)證試驗(yàn)方案的可行性[3]。

4 方案驗(yàn)證實(shí)踐

4.1 制備樣品

在本研究中，收集了木棉、粘膠纖維的代表性樣品，每種10份，在恒溫恒濕的環(huán)境下備用。

4.2 采集數(shù)據(jù)

把2 種樣品裝入紅外光譜測(cè)試專用的樣品瓶中采集光譜，確保裝樣厚度≥10 mm，并確保二者的密實(shí)度一致。再借助紅外光譜儀將其與指導(dǎo)穩(wěn)定狀態(tài)的基礎(chǔ)上，掃描時(shí)采取積分球漫反射模式，以其獲得紅外光譜，且每條光譜信號(hào)掃描32 次，以盡可能地降低由于纖維成分差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的影響[4]。

4.3 結(jié)果分析

第一步，對(duì)光譜數(shù)據(jù)實(shí)施預(yù)處理環(huán)節(jié)，首先是采取定性分析的方式，將兩種樣品光譜分別于標(biāo)準(zhǔn)光譜對(duì)比，從而對(duì)樣品的成分、種類進(jìn)行判斷。在確保所采集光譜不含噪聲和無關(guān)信息的基礎(chǔ)上，采取化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，即以特征峰作為成分分析方法。但是光譜采集中的噪聲需要開展光譜處理。比如通過平滑處理，也可以通過基線校正，校正多元散射，校正標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量等方法。在本試驗(yàn)中，主要是采取一階導(dǎo)數(shù)與矢量歸一化技術(shù)實(shí)施光譜預(yù)處理，得到的導(dǎo)數(shù)光譜能有效消除干擾，使得重疊峰得以分辨，在保證分辨率的同時(shí)提升了靈敏度。

第二步，在選擇波長時(shí)，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)木棉、粘膠纖維的紅外光譜特征較為明顯，不管是峰的數(shù)量還是曲線走線都相對(duì)類似，要想直觀鑒別和分類的難度較大。所以在光譜數(shù)據(jù)分析時(shí)，所選的波長采用了簡化的模型，并將不相關(guān)和非線性變量提出后，得到的校正模型的穩(wěn)健性更好，預(yù)測(cè)能力也更強(qiáng)。本項(xiàng)目中采用的簡化模型是基于逐步回歸算法，將對(duì)輸出結(jié)果存在顯著影響的變量逐一輸入后，對(duì)輸入的新變量進(jìn)行逐一檢驗(yàn)和剔除不顯著變量，通過多次選入和檢驗(yàn)以及剔除處理，直到無法選入和剔除后停止。由于光譜儀采集的數(shù)據(jù)較多，若直接輸入，會(huì)出現(xiàn)過度擬合的情況，導(dǎo)致預(yù)測(cè)的適應(yīng)能力下降，所以本試驗(yàn)中針對(duì)木棉、粘膠纖維選擇的波段分別是3 000～4 000 cm-1和4 100～5 500 cm-1，使得本研究建立的矯正模型更具有針對(duì)性。

第三步，在定性判別過程中，按照上述的方案，采用歐式距離標(biāo)準(zhǔn)法時(shí)，為一種監(jiān)督模式識(shí)別的方法。即計(jì)算樣品光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜之間的歐式距離，達(dá)到對(duì)樣品類型判別的目的。在計(jì)算過程中，本項(xiàng)目選擇的木棉、粘膠纖維的歐式距離計(jì)算詳見式（1）：

其中，D代表歐式距離，a（k）和b（k）分別代表木棉、粘膠纖維各自的2 種光譜圖在光譜波數(shù)k點(diǎn)縱坐標(biāo)的值。結(jié)合結(jié)果得到鑒別模型置信的水平，最終得到鑒別模型的閾值。具體詳見式（2）：

其中，Dr代表木棉、粘膠纖維樣品的光譜分布閾值，Dmax代表木棉、粘膠纖維樣品最大的歐式距離，So代表木棉、粘膠纖維樣品距離分布標(biāo)準(zhǔn)偏差值，x代表缺省值，通常范圍為0.25～1.00。

由此可見，x大小關(guān)系著鑒別模型置信水平，若x過小，在同類物質(zhì)鑒別時(shí)，容易出現(xiàn)誤判，反之，x過大，在不同類物質(zhì)鑒別時(shí)，也容易出現(xiàn)誤差。所以x的取值，就是保證同類樣品距離比該閾值要小，但是不同類光譜距離則需要比該閾值要大。當(dāng)選定閾值后，再建立相應(yīng)的鑒別模型，本項(xiàng)通過反復(fù)研究后，取x的值為0.75 時(shí)的置信水平最高[5]。

5 結(jié)語

紅外光譜的紡織品纖維質(zhì)量檢驗(yàn)正交實(shí)驗(yàn)方案，主要是從紅外光譜的視角，設(shè)計(jì)科學(xué)的檢測(cè)方案，需要從紅外光譜吸收峰測(cè)量為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)評(píng)定方案，并通過制備樣品、采集數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，對(duì)方案的科學(xué)性進(jìn)行驗(yàn)證，以確保紡織品纖維檢驗(yàn)的科學(xué)性和有效性。