您好,欢迎来到图艺博知识网。
搜索
您的当前位置:首页近红外光谱用于杉木木材强度分等的研究

近红外光谱用于杉木木材强度分等的研究

来源:图艺博知识网
第31卷,第4期 2 0 1 1年4月 光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis Vo1.31。No.4,pp975-978 April,2011 近红外光谱用于杉木木材强度分等的研究 王晓旭 ,黄安民 ,杨 忠 ,杨 瑶 1.北京林业大学,北京100083 100091 2.中国林业科学研究院木材工业研究所,北京摘要利用近红外光谱技术对木材强度分等进行了研究。选择1 000 1 400 nlTl波段,结合偏最小二乘 法,在木材强度和近红外光谱数据问建立了校正模型,校正模型的相关系数(r)为0.89,校正标准误差 (SEC)为6.30 MPa。利用校正模型对35个未知样品的强度进行预测,根据近红外预测值和实测值分别对木 材样品进行分等,A级预测的准确率为75.0 ,B级准确率为91.3%,C级准确率为80.0 ,总正确率为 88.6 。研究结果表明,近红外光谱技术可以应用在无疵小试样的木材快速分等中。 关键词近红外光谱;木材;分等 文献标识码:A DOl:10.3964/j.issn.1000—0593(2011)04—0975—04 中图分类号:0657.3 加工行业的实际应用提供了重要的参考。 引 言 1材料和方法 木材作为一种历史悠久的可再生材料,具有众多优点, 广泛应用于建筑、家具、造纸等行业。同时,木材作为一种 天然形成的非均一材料,具有广泛的变异性,表现在幼龄材 1.1材料 实验林位于安徽省黄山市国有林场,东经117。58 ~119。 和成熟材强度不同、早材和晚材强度不同、不同树木位置强 度不同[1]。因此,将不同种类、不同强度的木材分成不同的 40 、北纬29。57 ~31。19 。地处黄山与天目山结合带,长江 与钱塘江水系分水岭处。 实验材料为人工林杉木(Cunninghamia lanceolata),树 龄28 ̄39年之间,伐倒树20株,其中低海拔(300 m)和高海 拔(800 m)各1O株。每株自胸径以上截取2 rn长的试样各3 等级,根据用途与要求的不同将其用在不同的场合,可以使 得木材的利用更加合理,更加科学。传统的木材分等方法, 是根据木材树种、缺陷、颜色等【2]进行分等。但是,木材用 作结构材料,其强度和刚度是木材利用中的重要指标。目 前,国内外已经开始尝试机械分级和数字扫描分级l3“],以 段,在中国林科院实验中心气干棚内气干到木材平衡含水 率,参照国家标准GB1927 ̄l943—9l《木材物理力学性质试 验方法》,分别在每株数的每个木段上,截取规格为10 ITIITI (R)×10 mm(丁)×160 am(L)的无疵小试件3~5个,共制 r及采用振动法对木材应力分等的研究 ],从而将木材的力学 性能作为分等的重要内容。但是,由于木材广泛的变异性, 其复杂程度超过了其他工业材料,尚没有一种各方面都满足 需求的分等技术,世界各国都在研究新的方法和新的技术。 近红外光谱法是一种新的无损检测方法,在众多行业的 原料检测、产品质量分等中具有广泛的应用_6’ 。已有的在 木材科学方面的研究证明,近红外光谱能够对木材的化学成 分_8]、密度[9]、力学性质Do,l1]、水分、微纤丝角等进行快速 预测。然而,由于种种原因,以上研究在木材的加工利用中 得合格样品285个。 1.2木材近红外反射光谱扫描 近红外光谱仪采用美国ASD公司生产的FieldSl ̄,ec光谱 仪,光谱波长范围在35O~2 500 nITl之间。采用光纤探头采 集样品表面的近红外光谱,照射光源用DC直流灯,在样品 上方与样品成6O。夹角,并与样品纵轴保持平行。每个样品 在径面和弦面的两端、中间分别扫描3个点,共6个点,每 并没有得到应用,根据木材加工利用的特点,结合近红外光 谱技术在原料分等、产品质量检验等方面的优势,本文提出 将近红外光谱应用于木材分等中,为近红外光谱技术在木材 收稿日期:2009—11-06.修订日期:2010—02—08 个点扫描3o次,时间在l S内,平均为一条光谱后被保存。 为了充分获得木材样品信息,将6个点扫描的6条光谱平均 为一条光谱,再进行建模分析。采谱过程中,实验室内的温 基金项目:北京市自然科学基金项目(6092021)和国际竹藤网络中心基本科研业务费专项基金(163200810)资助 作者简介:王晓旭,1978年生,北京林业大学讲师 *通讯联系人 e-mail:ham2003@oaf.ac.cn;hbham2000@sina.corn 976 光谱学与光谱分析 第31卷 Table 1 Parameters for tested Chinese ifr 注:G表示高海拔(800 m);D表示低海拔(300 m)。 度为(22±1)℃、湿度(5O±1) ,基本保持恒定。 1.3木材强度测定实验 将采集近红外光谱后的试样放人温度为22℃、相对湿 度65 的恒温恒湿箱中调节平衡含水率至12 ,然后参照 A M D143—94标准用INSTR0N万能试验机测试木材试样 的最大工作载荷、抗弯幔度和抗弯弹性模量。试验后,从试 样破坏处截取10 mm(R)×10 mm(T)×10 mm(L)_术块,测 量试样含水率;根据含水率,将测量的强度值统一换算为含 水率12 时的强度值。 1.4木材强度分等方法 (1)根据破坏性实验分等 根据INSTRON万能试验机测定的术材强度值,参照大 规格锯材的分等标准,按照正态分布规律,将所有试验样品 共(285个)分为3个等级,强度小于65 MPa的为C级,共 42个;在65 MPa到95 MPa之间的为B级,共215个;大于 95 MPa的为A级,共28个。 (2)近红外光谱分等 在近红外光谱和木材强度之问建立多元统计分析模型, 利用多元统计分析模型对未知样品的强度进行预测,根据预 测值利用VB编写的程序进行直接分等。 1.5校正模型建立以及对未知样品的预测 利用The Unscrambler(9.2)软件,分别以INSTRON万 能试验机测定的木材强度值和从木材弦切面采集的光谱数据 为因变量和应变量,对光谱数据进行基线校正和一阶导数处 理,选择合适的主成分数,结合偏最小二乘法(PLS1),采用 完全交互模型进行验证,建立了校正模型和验证模型;利用 建立的校正模型,对未知样品进行预测。 2结果与讨论 2.1不同波段近红外光谱分析结果比较 将全部285个样品分成两个集合,校正集250个,预测 集35个。校正集用于数学模型的建立,预测集用于对所建模 型进行检验。由于全光谱近红外仪器价格较高,在实际应用 中经常采用部分波段进行分析,为了考查不同波段预测效果 的差别,在其他条件相同的条件下,采用偏最小二乘法 (PLS)进行了模型建立和完全交互验证,分析结果见表2。 Table 2 Summary of PLS regression model of part band for MOR 由表2模型的结果来看,在全光谱范围(350~2 500 nm)内,相关系数最大,校正标准误差最小,预测效果最好; 在部分波段中,以在1 000 1 400 nm波段,相关系数、校正 标准误差较好。从经济角度来分析,和全波段相比,采用部 分波段比在价格上有很大的降低。因此,从预测效果和经济 成本两个方面综合考虑,选择l 000~1 400 nm波段进行校 正模型建立和木材强度分等。 2.2根据实测值和近红外预测值对木材进行分等 根据1.4节中的分等方法和2.1节的分析结果,选择 l 0O0~1 400 nIn波段,利用偏最小二乘法,对校正集的250 个样本建立校正模型。校正模型的相关系数为0.89,校正标 准误差为6.30 MPa。用该校正模型分别对预测集中未参与 建模的35个样本进行强度预测并分等级,结果如表3中所 示。从表中分等结果的对照中可以看出,在35个样品中,A 级样品总数为4个,预测的正确率为75.oZ;B级样品总数 为26个,正确率为91.3 ;C级样品总数为5个,正确率为 80.0Z,总正确率为88.6%。本研究为近红外光谱技术在木 材工业中的应用提出了新的思路,具有重要的实用意义。 3结论 实验结果证明,利用近红外光谱技术,选择l 000~ 1 400 nITl部分波段,结合多元统计分析方法(偏最小二乘法 等),可以有效地对无疵小试样木材进行快速分等,分等正 确率为88.6 ,这为将近红外光谱技术应用于木材加工利用 具有重要的实际意义。近红外光谱技术快速、无损的分析特 点,以及可以同时对木材强度、密度、水分以及化学性质等 进行预测和分等,使得其在木材加:[利用中具有十分广阔的 第4期 光谱学与光谱分析 977 注:*表示近红外分等错误的样品 [1]BAO Fu-cheng,JIANG Ze-hui(鲍甫成,).Wood Properties of Main Tree Species From Plantation in China(中国主要人工林树种 木材性质).Beijing:China Forestry Publishing House( ̄L京:中国林业出版社),1998. [2]DAITian-hong,WANGKe-qi,BAIXue-bing(戴天虹,王克奇,白雪冰).ForestEngineering(森林工程),2006,22(1):18. [3]RENHai~qing,GU()Wei,YINYa—fang(任海青,郭[4]IX)NG Chao,I.U Jian—xiong,RENHai~qing,et al(龙械与木工设备),2005,33(10):24. 伟,殷亚方).World ForestryResearch(世界林业研究),2006,19(3):66. 超,吕建雄,任海青,等).WoodIndustry(木材工业),2008,22(4):23. [5]CUI Ying—ying,ZHANG Hou@ang,SHENG Wei(崔英颖,张厚江,盛威).Forestry Machinery and Woodworking Equipment(林业机 [6]LU Wan-zhen,YUAN Hong-fu,XU Guang-tong(陆婉珍,袁洪福,徐广通).Modern Near-Infrared Spectroscopy Analytical Technology (现代近红外光谱分析技术).Beijing:China Petrochemical Press(Jl ̄京:中国石化出版社),2001. [7]YAN Yan—lu(严衍禄).Near-Infrared Spectroscopy Analytical Fundamentals and Applications(近红外光谱分析基础与应用).Beijing: China Light Industry Press(J ̄京:中国轻工业出版社),2005. r 8]Schimleck I,R,Wright P J,Michell A J,et a1.APPIT 1997,50(1):40. r 9]Schimleck I R,Evans R,llic J.Canadian Journal of Forest Research,2001,31(10):1671. r10]Gindl W,Teischinger A,Schwanninger M,et a1.Near Infrared Spectros ̄,2001,9(4):255. rl1]Schim/eck I R,Evans R.IAWA Journal,2002,23(3):217. 978 光谱学与光谱分析 第31卷 Study on the Wood Grading by Near Infrared Spectroscopy WANG Xiao-xu ,HUANG An-minz ,YANG zh0n ,YANG Yao 1.Beijng Forestry University,Beiiing 100083,China 2.Research Institute of Wood Industry,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China Abstract The present paper discussed wood grading according to modulus of rupture(MOR)by near infrared(NIR) spectroscopy.The calibration model was built between MOR of wood and NIR data in the range of l 000 1 400 nm with partial least square regression(PLS).The correlation coefficient(r)was 0.89 and the standard error of calibration(SEC)was 6.30 MPa.The MOR of 35 unknown samples was predicted using the mode1.Wood samples were graded according to their predicted values and true values.The rate of right prediction for A,B and C was 75.0 ,91.3 and 80.0 respectively,and the whole rate of right prediction was 88.6 .The result has proved that near infrared spectroscopy is a fast method for the determination of wood grade in the smal1 clear samples. Keywords Near infrared spectroscopy;Wood;Grading (Received Nov.6,2009;accepted Feb.8,2010) *Corresponding author 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- huatuoyibo.net 版权所有 湘ICP备2023021910号-2

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务