一種利用近紅外光譜技術(shù)快速測定制漿材基本密度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明是一種制漿材基本密度的測定方法，尤其是一種利用近紅外光譜技術(shù)的快 速測定制漿材基本密度的方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 近年來，我國為滿足制漿造紙行業(yè)飛速增長的原料需求，大力推廣制漿材的種植。 其中桉木和相思以其適應(yīng)區(qū)域廣、生長快、纖維形態(tài)好、制漿得率高等優(yōu)勢，成為制漿造紙 企業(yè)的優(yōu)良原料。實際生產(chǎn)中，不同產(chǎn)地、不同生長情況、不同屬間樹種的原料經(jīng)過收集、分 裝、貯存，來到生產(chǎn)線時材性有著顯著差異，其中基本密度影響著磨漿能耗，故而有必要實 現(xiàn)基本密度的實時檢測以便及時調(diào)整制漿工藝。但基本密度的傳統(tǒng)分析方法耗時較長，無 法滿足實時檢測和在線分析的需求。
[0003] 近紅外光譜（770-2500nm)屬于分子振動的倍頻與合頻光譜，主要反映了含氫基 團(tuán)乂_11? = 0，(：，15)的吸收信息，信息量豐富。近紅外光譜結(jié)合化學(xué)計量學(xué)技術(shù)，可以利 用樣品的近紅外特征吸收峰和成分含量之間建立的數(shù)學(xué)模型，快速、高效、無損地測定未知 樣品的化學(xué)成分和物理性質(zhì)，近年廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、化工等領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004] 本發(fā)明為解決制漿造紙工業(yè)中測定制漿材基本密度耗時長，步驟繁瑣的問題，提 供了一種利用近紅外光譜技術(shù)快速測定制漿材基本密度的方法，能夠快速無損地測定制漿 材基本密度。
[0005] 本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：一種利用近紅外光譜技術(shù)快速測定制漿材基本密度 的方法，步驟是：
[0006] 第一步，采集制漿材木片作為樣品，取樣后將樣品分為訓(xùn)練集和驗證集；
[0007] 第二步，經(jīng)充分平衡水分后，利用近紅外光譜儀采集各樣品的原始近紅外光譜數(shù) 據(jù)，掃描范圍為1600~2400nm，分辨率為8cmS
[0008] 第三步，對原始近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；
[0009] 第四步，通過排水法測定各樣品基本密度；
[0010] 第五步，采用化學(xué)計量學(xué)方法將訓(xùn)練集中樣品基本密度實測值與其近紅外光譜數(shù) 據(jù)對應(yīng)建立預(yù)測模型；
[0011] 第六步，用建立的制漿材基本密度預(yù)測模型對驗證集樣品近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù) 測確定模型性能。
[0012] 所述制漿材包括尾葉桉LI1、尾葉桉U6、藍(lán)桉、尾巨桉、馬占相思、大葉相思、厚莢 相思。
[0013] 所述木片規(guī)格約20_X10_X2_。
[0014] 所述原始近紅外光譜數(shù)據(jù)是利用近紅外光譜儀采用漫反射方式獲得的吸光度值。
[0015] 所述采集各樣品原始近紅外光譜數(shù)據(jù)的方法是：樣品采集光譜，然后倒出，重新混 合采樣，每個樣品以此方法采集3次光譜，取其平均光譜數(shù)據(jù)作為樣品的原始近紅外光譜 數(shù)據(jù)。
[0016] 所述預(yù)處理方法為一階導(dǎo)數(shù)和多元散射校正。
[0017] 所述預(yù)測模型建立過程主要為：用化學(xué)計量學(xué)軟件加載訓(xùn)練集光譜數(shù)據(jù)，通過偏 最小二乘法和交互驗證，確定最佳主成分?jǐn)?shù)，然后確定基本密度預(yù)測模型。
[0018] 所述模型預(yù)測能力用決定系數(shù)R2val、預(yù)測均方根誤差RMSEP、相對分析誤差RPD、絕 對偏差A(yù)D綜合評價。
[0019] 有益效果
[0020] 按步驟備料和采集近紅外光譜數(shù)據(jù)，通過建好的預(yù)測模型可以快速、無損地測定 制漿材木片的基本密度，這與制漿造紙工業(yè)中對制漿材原料木片基本密度快速測定與在線 分析的實際要求相吻合。
【附圖說明】：
[0021] 圖1為不同種類制漿材樣品的近紅外光譜。
[0022] 圖2為經(jīng)一階導(dǎo)數(shù)和多元散射校正預(yù)處理后的樣品近紅外光譜。
[0023] 圖3為采用本方法建立的基本密度預(yù)測模型的預(yù)測情況。
【具體實施方式】：
[0024] -種利用近紅外光譜技術(shù)快速測定制漿材基本密度的方法。其步驟如下：a.采 集制漿材木片作為樣品，其規(guī)格相近約20mmXIOmmX2mm，取樣后將樣品分為訓(xùn)練集和驗證 集；b.經(jīng)充分平衡水分后，利用近紅外光譜儀采集各樣品的原始近紅外光譜數(shù)據(jù)，掃描范 圍為1600~2400nm，分辨率為8cmSc.對原始近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；d.通過排水 法測定各樣品基本密度；e.采用化學(xué)計量學(xué)方法將訓(xùn)練集中樣品基本密度實測值與其近 紅外光譜數(shù)據(jù)對應(yīng)建立預(yù)測模型；f.用建立的制漿材基本密度預(yù)測模型對驗證集樣品近 紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測確定模型性能。
[0025]所述步驟a中制漿材包括尾葉桉LI1、尾葉桉U6、藍(lán)桉、尾巨桉、馬占相思、大葉相 思、厚莢相思，木片規(guī)格約20mmXIOmmX2mm。
[0026] 所述步驟b中近紅外光譜數(shù)據(jù)為利用近紅外光譜儀在掃描范圍為1600~2400nm， 分辨率為8cm1的條件下采用漫反射方式獲得的吸光度值。樣品采集光譜后倒出，重新混合 采樣，每個樣品以此方法采集3次光譜，取其平均光譜數(shù)據(jù)作為樣品的原始近紅外光譜數(shù) 據(jù)。
[0027] 所述步驟c中對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的方法為一階導(dǎo)數(shù)和多元散射校正。
[0028] 所述步驟e中預(yù)測模型為制漿材包括尾葉桉L11、尾葉桉U6、藍(lán)桉、尾巨桉、馬占相 思、大葉相思、厚莢相思建立的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，其過程主要為：用化學(xué)計量學(xué)軟件加載訓(xùn)練 集光譜數(shù)據(jù)，通過偏最小二乘法和交互驗證，確定最佳主成分?jǐn)?shù)，根據(jù)其值確定基本密度預(yù) 測模型。
[0029] 所述步驟f中模型預(yù)測能力用決定系數(shù)（R2val)、預(yù)測均方根誤差（RMSEP)、相對分 析誤差（RPD)、絕對偏差（AD)綜合評價。
[0030] 實施例1
[0031] 采集制漿材包括尾葉桉LII、尾葉桉U6、藍(lán)桉、尾巨桉、馬占相思、大葉相思、厚莢 相思的木片（約20mmXIOmmX2mm)作為樣品，共采集184個樣品，其中142個作為訓(xùn)練集， 42個作為驗證集。置于空氣中充分平衡水分后使用近紅外光譜儀在在掃描范圍為1600~ 2400nm，分辨率為8cm1的條件下采集全部樣品的原始近紅外光譜數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行一階導(dǎo) 數(shù)和多元散射校正預(yù)處理。在Matlab7.0中加載訓(xùn)練集光譜數(shù)據(jù)，通過偏最小二乘法和交 互驗證，確定最佳主成分?jǐn)?shù)為9,據(jù)此建立基本密度預(yù)測模型。模型預(yù)測驗證集樣品的決定 系數(shù)（Rval2)達(dá)到0.98以上，相對分析誤差（RPD)大于9,預(yù)測均方根誤差（RMSEP)和絕對 偏差（AD)符合制漿造紙工業(yè)的誤差要求。
[0032] 利用建立好的預(yù)測模型對未知的制漿材近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即可快速確定 其基本密度，其準(zhǔn)確程度滿足制漿造紙工業(yè)需求。
[0033] 本發(fā)明的實例中基本密度的實測值與模型預(yù)測值情況見表1。
[0034] 表1基本密度實測值與模型預(yù)測值

【主權(quán)項】
1. 一種利用近紅外光譜技術(shù)快速測定制漿材基本密度的方法，其特征是，步驟是： 第一步，采集制漿材木片作為樣品，取樣后將樣品分為訓(xùn)練集和驗證集； 第二步，經(jīng)充分平衡水分后，利用近紅外光譜儀采集各樣品的原始近紅外光譜數(shù)據(jù)，掃 描范圍為1600~2400nm，分辨率為8cmS 第三步，對原始近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理； 第四步，通過排水法測定各樣品基本密度； 第五步，采用化學(xué)計量學(xué)方法將訓(xùn)練集中樣品基本密度實測值與其近紅外光譜數(shù)據(jù)對 應(yīng)建立預(yù)測模型； 第六步，用建立的制漿材基本密度預(yù)測模型對驗證集樣品近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測確 定模型性能。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用近紅外光譜技術(shù)快速測定制漿材基本密度的方法，其 特征是：所述制漿材包括尾葉桉L11、尾葉桉U6、藍(lán)桉、尾巨桉、馬占相思、大葉相思、厚莢相 思。3. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的利用近紅外光譜技術(shù)快速測定制漿材基本密度的方法， 其特征是：所述木片規(guī)格約20mmXIOmmX2mm〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用近紅外光譜技術(shù)快速測定制漿材基本密度的方法，其 特征是：所述原始近紅外光譜數(shù)據(jù)是利用近紅外光譜儀采用漫反射方式獲得的吸光度值。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用近紅外光譜技術(shù)快速測定制漿材基本密度的方法，其 特征是：所述采集各樣品原始近紅外光譜數(shù)據(jù)的方法是：樣品采集光譜，然后倒出，重新混 合采樣，每個樣品以此方法采集3次光譜，取其平均光譜數(shù)據(jù)作為樣品的原始近紅外光譜 數(shù)據(jù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用近紅外光譜技術(shù)快速測定制漿材基本密度的方法，其 特征是：所述預(yù)處理方法為一階導(dǎo)數(shù)和多元散射校正。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用近紅外光譜技術(shù)快速測定制漿材基本密度的方法，其 特征是：所述預(yù)測模型建立過程主要為：用化學(xué)計量學(xué)軟件加載訓(xùn)練集光譜數(shù)據(jù)，通過偏 最小二乘法和交互驗證，確定最佳主成分?jǐn)?shù)，然后確定基本密度預(yù)測模型。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用近紅外光譜技術(shù)快速測定制漿材基本密度的方法，其 特征是：所述模型預(yù)測能力用決定系數(shù)R2val、預(yù)測均方根誤差RMSEP、相對分析誤差RPD、絕 對偏差A(yù)D綜合評價。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用近紅外光譜技術(shù)快速測定制漿材基本密度的方法，其步驟為：a.采集制漿材木片作為樣品，將其分為訓(xùn)練集和驗證集；b.經(jīng)充分平衡水分后，利用近紅外光譜儀采集各樣品的原始近紅外光譜數(shù)據(jù)；c.對原始近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；d.用排水法測定各樣品基本密度；e.采用化學(xué)計量學(xué)方法將訓(xùn)練集中樣品基本密度實測值與其近紅外光譜數(shù)據(jù)對應(yīng)建立預(yù)測模型；f.用建立的制漿材基本密度預(yù)測模型對驗證集樣品近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測確定模型性能。此法具有高效、無損的優(yōu)點。
【IPC分類】G01N9/24
【公開號】CN105223102
【申請?zhí)枴緾N201510633325
【發(fā)明人】房桂干, 吳珽, 梁龍, 崔宏輝, 鄧擁軍
【申請人】中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年9月29日