用Specim FX17高光(guang)譜相機測量棉(mian)制品水分含量

水分的定量測試是許多工業和研究應用(yong)的關鍵。基(ji)于光譜學(xue)的(de)(de)定量(liang)模型對(dui)水分含(han)量(liang)的(de)(de)監測是有效、無損(sun)和準確的(de)(de)。高光(guang)譜相機也(ye)可(ke)以顯示水分的(de)(de)空間(jian)分布(bu)，而(er)點光(guang)譜儀只(zhi)能提供(gong)一(yi)般(ban)分布(bu)。在這項研(yan)究中，我(wo)們監測了一(yi)塊棉布(bu)在其干(gan)燥過程中的(de)(de)的(de)(de)水分含(han)量(liang)。

NIR:    近紅外(900 - 1700 nm)

PLS:    偏zui小(xiao)二乘(cheng)法 

PLSDA：偏zui小二乘判(pan)別分析

NIR波段水的吸收峰

生(sheng)產中(zhong)監測水(shui)分(fen)含量是非常重要的(de)，例(li)如，在食(shi)品、造(zao)紙(zhi)和木(mu)材(cai)行(xing)業中(zhong)。近紅(hong)外光(guang)譜儀被廣泛的(de)(de)使用在各類應用中。光譜(pu)學(xue)家依靠NIR波(bo)段內水的(de)(de)吸(xi)收峰，如(ru)下圖(tu)所示，水會強烈(lie)吸(xi)收970nm、1150nm和1450nm的(de)(de)光。而specim FX17高光譜(pu)相機的(de)(de)光譜(pu)覆蓋范圍為900nm - 1700nm，非常適合(he)檢測水的(de)(de)吸(xi)水峰。此外(wai)，高光譜(pu)圖(tu)片也能揭示水的(de)(de)空間分(fen)布情況。

在(zai)這項研究(jiu)中(zhong)，我(wo)們(men)監測和測量(liang)了棉布的干(gan)燥時間。我(wo)們(men)將約(yue)5厘米的圓形棉墊(通常(chang)用于(yu)卸妝)浸入水中(zhong)，然后(hou)把(ba)它放在(zai)Lab scanner 40x20掃描臺上。將其應用于標(biao)本實(shi)驗室(shi)掃描儀40×20。我們用FX17高光譜相機監(jian)測其干(gan)(gan)燥情況，每4分(fen)(fen)鐘測量(liang)一(yi)次(ci)，直到wan全干(gan)(gan)燥。總共測量(liang)了67次(ci)花費了264分(fen)(fen)鐘。然后使用Specim INSIGHT軟(ruan)件進行(xing)分(fen)(fen)析。

干燥(zao)棉(mian)墊(dian)的光譜(pu)分(fen)析

每張(zhang)圖(tu)片都通過暗噪聲和白參考(kao)做(zuo)了歸(gui)一(yi)化(hua)。然后，通過將實(shi)驗期(qi)間獲得的67幅(fu)圖(tu)像組(zu)合成(cheng)(cheng)一(yi)個(ge)文(wen)件，形(xing)成(cheng)(cheng)了一(yi)個(ge)組(zu)合圖(tu)片。這幅(fu)鑲(xiang)嵌圖(tu)片描繪了棉(mian)墊在不同干(gan)燥階(jie)段的情(qing)況，從右上方非(fei)常潮濕的時候開始，到右下方干(gan)燥的時候。從左到右，從上到下，逐行(xing)填了鑲(xiang)嵌圖(tu)。

如圖1a所示，在干(gan)燥(zao)過(guo)程中，可以(yi)從拼接圖中明顯的(de)看(kan)到偽(wei)彩(cai)圖的(de)梯(ti)度(du)變化。光譜曲線也(ye)(ye)顯示出同樣的(de)趨勢。與潮濕(shi)樣品相關的(de)光譜在970、1150和1420 nm處吸收zui多，而這些峰隨(sui)著干(gan)燥(zao)時間(jian)的(de)增長而消失。在3.5小時后(在zui后的(de)10次測(ce)量中)，干(gan)燥(zao)的(de)加速也(ye)(ye)非(fei)常明顯。

圖1:與棉(mian)墊(dian)干燥有關的(de)偽(wei)彩圖和NIR光(guang)譜(pu)。

建模- PLS回歸

建立一個PLS回歸(gui)模(mo)型來量化棉墊的(de)干燥(zao)程(cheng)度。回歸(gui)變(bian)量稱為“干燥(zao)"，范圍從(cong)0到264(對應于干燥(zao)時間，以分鐘為單位)。請注意(yi)，使用(yong)Insight軟件，回歸(gui)只能(neng)建立在樣本上，而不管背景(jing)如何。為了訓練(lian)模(mo)型，每(mei)一秒的(de)圖(tu)像(xiang)都被考慮在內。模(mo)型的(de)精度在所(suo)有其他的(de)圖(tu)片上估計。

回歸的(de)(de)(de)預測性(xing)能如(ru)圖2所示(shi)。對于每個(ge)棉(mian)墊，我(wo)們制(zhi)作了(le)一個(ge)代表干(gan)燥的(de)(de)(de)熱(re)力圖，突出了(le)高(gao)光(guang)(guang)譜(pu)圖像(xiang)與(yu)(yu)描(miao)述水分分布的(de)(de)(de)相關(guan)(guan)性(xing)。建立的(de)(de)(de)模型具有(you)很高(gao)的(de)(de)(de)準確度(du)，R2為0.98。對比實際(ji)值(zhi)和(he)預測值(zhi)，非常濕(shi)的(de)(de)(de)棉(mian)花的(de)(de)(de)干(gan)燥過程(cheng)更難以(yi)量(liang)化。圖1c的(de)(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)與(yu)(yu)此相關(guan)(guan)，表明在(zai)干(gan)燥開始時，與(yu)(yu)水有(you)關(guan)(guan)的(de)(de)(de)吸收峰深度(du)只(zhi)有(you)輕微的(de)(de)(de)變化。

我們建立了第(di)(di)二個模(mo)型(xing)(xing)，類似(si)于之前展示的(de)模(mo)型(xing)(xing)，但這(zhe)(zhe)次(ci)是(shi)基(ji)于每隔一分(fen)鐘獲取的(de)61張圖像。R2在這(zhe)(zhe)里是(shi)0.97。在第(di)(di)二個模(mo)型(xing)(xing)中，更關注潮(chao)濕樣品(pin)，實際值與預測值表明，第(di)(di)二個模(mo)型(xing)(xing)在干燥過程(cheng)開始時更準確。這(zhe)(zhe)突(tu)出(chu)表明，根據(ju)樣本(ben)及其濕度(du)水平，訓練樣本(ben)的(de)選擇對于建立準確的(de)模(mo)型(xing)(xing)至關重要。

A  PLS回(hui)歸熱(re)力圖(Min = 0;Max = 264)

B  第1個回歸模型的回歸圖片(每4分鐘獲(huo)取一次(ci)數據(ju))

C  第二(er)個回歸(gui)模(mo)型的(de)回歸(gui)圖(每2分鐘獲取一次(ci)數(shu)據)

圖2:“干燥"回歸模型(xing)的預測性(xing)能。

使(shi)用Specim FX17高光譜相機+ LabScanner 40 x 20位移臺(tai)

光譜范圍：NIR(900 – 1700 nm)

光譜波(bo)段：224

光譜分(fen)辨率：8 nm

狹縫寬(kuan)度(du)：30 μm

空間像素數(shu)：640

像素大(da)小：15x15 μm

成像速(su)度：全譜段采集為(wei)670 Hz， ROI波段選擇(ze)后可達15000 Hz

昊量光電推(tui)出了適用于(yu)科研端(duan)、工業(ye)端(duan)、地面實(shi)驗室(shi)、機(ji)載航(hang)空等領域高(gao)光譜相(xiang)機(ji)，Specim高(gao)光譜相(xiang)機(ji)波長覆蓋范圍很(hen)廣，包括400-1000nm，900-1700nm，1000-2500nm.2.7um-5.3um，8um-12um, 廣泛(fan)應(ying)用于(yu)工業(ye)分選、精準農業(ye)、色差檢測、食(shi)品檢測、醫學制藥、文(wen)物保護(hu)、刑偵檢測、環境(jing)監測等領域。Specim高(gao)光譜相(xiang)機(ji)設備具(ju)有(you)高(gao)速、強大和穩定的(de)性能，易(yi)于(yu)安裝和維護(hu)，并且保證每一個空間像素的(de)光譜純度，為(wei)客戶(hu)提供真實(shi)準確可(ke)靠的(de)高(gao)光譜數據, 同時(shi)具(ju)有(you)高(gao)效(xiao)的(de)投資回報。

結論

Specim FX17適用于準確定量樣(yang)品的(de)濕度水平，這里是(shi)一(yi)個(ge)棉(mian)墊。同時(shi)，SpecimInsigh是(shi)一(yi)個(ge)很好的(de)軟件來執行這樣(yang)的(de)分(fen)析和建立回歸模(mo)型。這個(ge)模(mo)型也(ye)可以加(jia)載到Spcim Cube上進(jin)行實時(shi)測量。zui后，本(ben)研(yan)究表明(ming)，訓練樣(yang)本(ben)的(de)選擇(ze)很大的(de)影響著模(mo)型的(de)預測性(xing)能。

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