相關(guān)分析技術(shù)在紡織纖維近紅外快速檢測(cè)中的應(yīng)用

摘要：眾所周知，纖維是紡織工業(yè)的重要原材料，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紡織工業(yè)為了擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)的產(chǎn)量以及生產(chǎn)的效率，纖維的快速檢測(cè)技術(shù)也在紡織工業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。尤其是近紅外檢測(cè)技術(shù)在中國(guó)的紡織工業(yè)中得到了普遍應(yīng)用，但是近紅外技術(shù)無(wú)論是在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)還是在線檢測(cè)其在檢測(cè)過(guò)程中的光散射等因素會(huì)嚴(yán)重影響模預(yù)測(cè)的性能，同時(shí)其檢測(cè)過(guò)程中濕度的變化引起的樣品水分變化等因素也會(huì)對(duì)模性能的檢測(cè)產(chǎn)生影響，從而會(huì)從整體上影響現(xiàn)場(chǎng)和在線測(cè)量的準(zhǔn)確度以及精準(zhǔn)度。本文將重點(diǎn)分析技術(shù)在紡織纖維近紅外快速檢測(cè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：紡織纖維;近紅外快速檢測(cè);應(yīng)用

前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的高新技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到紡織工業(yè)中，給紡織工業(yè)的發(fā)展與創(chuàng)新以及檢測(cè)技術(shù)注入了新的活力?？v觀紡織工業(yè)的發(fā)展，新興的紡織工藝，新的紡織機(jī)械和新的設(shè)備不斷的出現(xiàn)，紡織工業(yè)呈現(xiàn)出了較大的變化，對(duì)其紡織檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也變得越來(lái)越快速。

1、近紅外光譜等現(xiàn)代紡織檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 向檢測(cè)自動(dòng)化發(fā)展

近紅外光是指波長(zhǎng)介于可見光與中紅外區(qū)之間的電磁波，其波長(zhǎng)范圍大約在七百八十納米到兩千五百納米之間，波數(shù)范圍大約在一萬(wàn)兩千納米至四千納米之間，近紅外光譜分析是指利用近紅外譜區(qū)包含的物質(zhì)因素主要是應(yīng)用于有機(jī)物質(zhì)定性與定量分析的一種技術(shù)分析。近紅外光譜分析兼?zhèn)淞丝梢姽鈪^(qū)光譜分析信號(hào)容易獲取與近紅外光譜分析信息量豐富等優(yōu)點(diǎn)。加上該譜區(qū)自身具有的譜帶重疊，吸收強(qiáng)度較低以及需要依靠化學(xué)計(jì)量等方法來(lái)提取信息等特點(diǎn)，使得近紅外光譜分析成為一類新型的分析技術(shù)。

近紅外光譜在紡織纖維中的實(shí)驗(yàn)工程中，實(shí)驗(yàn)中的溫度濕度等環(huán)境因素的改變會(huì)對(duì)近紅外光譜造成一定的影響，所以在近紅外光譜檢測(cè)中必須要考慮檢測(cè)環(huán)境的問(wèn)題，一般情況下，實(shí)驗(yàn)裝樣的條件以及溫度的變化會(huì)影響近紅外光譜的穩(wěn)定性，會(huì)影響近紅外光譜的吸收峰的位置，強(qiáng)度以及峰形。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中為了減少環(huán)境因素改變?cè)斐傻墓庾V誤差，在近紅外光譜應(yīng)用在紡織的檢測(cè)過(guò)程中要保持各個(gè)環(huán)境因素的一致性。

我們現(xiàn)在處于信息時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展十分的迅速，電子信息技術(shù)在社會(huì)各行各業(yè)中都有大量的應(yīng)用，在紡織檢測(cè)領(lǐng)域，也應(yīng)用了這方面的很多技術(shù)，自動(dòng)化檢測(cè)、電子通信等技術(shù)的使用，也使得紡織檢測(cè)技術(shù)得到了極大的提高，這讓現(xiàn)代紡織檢測(cè)技術(shù)的方式和手段有了很大的改變，在功能上，紡織檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸完善起來(lái)，一些關(guān)鍵的指標(biāo)都可以得到精確的檢測(cè)，檢測(cè)的流程也變得十分的簡(jiǎn)單便捷，更加智能化，就目前發(fā)展的情況來(lái)看，現(xiàn)代紡織檢測(cè)技術(shù)主要有這些特點(diǎn)。

以往在測(cè)量單根纖維的長(zhǎng)度和重量的時(shí)候，用的是安培法，而最新的振動(dòng)法在測(cè)量上有很多的便利之處，能夠很好的對(duì)纖維的長(zhǎng)度和質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)不需要復(fù)雜的操作，國(guó)外已經(jīng)有很多以振動(dòng)法為基礎(chǔ)的測(cè)量方法，這些方法自動(dòng)化程度高，只需要簡(jiǎn)單地按一個(gè)鍵就能夠?qū)w維密度進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)方法的精度比較高，以往都是用人工判斷的方法，不僅效率低，也難以保證精確度。利用自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，可以在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)大量的樣本進(jìn)行檢測(cè)，基本不用太多的人工參與，準(zhǔn)確性和效率都能得到保證。

1.2 高科技的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于現(xiàn)代紡織檢測(cè)來(lái)說(shuō)具有十分重大的意義，在很多發(fā)達(dá)國(guó)家中，在對(duì)紡織產(chǎn)品的密度進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，采用一種新的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它可以更加準(zhǔn)確地控制樣品的標(biāo)準(zhǔn)重量時(shí)間，而且在對(duì)單纖維的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，可以用一個(gè)設(shè)備對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行收集處理并將最終的結(jié)果顯示出來(lái)。目前，我國(guó)在這方面也取得了一定的進(jìn)展，利用計(jì)算機(jī)軟件，采用光度檢測(cè)的方法對(duì)纖維進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，這種方法簡(jiǎn)單快捷，而且不失準(zhǔn)確性，即使有些纖維的化學(xué)成分十分相似，利用這種方法也能夠?qū)ζ溥M(jìn)行分辨。

此外，數(shù)字圖像處理技術(shù)也在纖維檢測(cè)中得到了應(yīng)用，比如在對(duì)羊毛纖維進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，可以非常準(zhǔn)確地測(cè)量羊毛的平均直徑，而且速度非?？欤谝环昼娭畠?nèi)就能夠?qū)ι先f(wàn)根羊毛完成檢測(cè)，而且這種技術(shù)的應(yīng)用，還可以檢測(cè)很多其他的纖維。除了數(shù)字圖像處理技術(shù)，在纖維檢測(cè)當(dāng)中還使用了激光技術(shù)，利用激光掃描和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)纖維進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)方法的速度也非?？欤揖雀?。

現(xiàn)代紡織檢測(cè)技術(shù)中傳感方式不斷升級(jí)在對(duì)紡織品進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中離不開傳感器的使用，利用傳感器來(lái)精確地對(duì)其成分和相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，而大量使用的聲頻和廣電傳感器在發(fā)展過(guò)程中不斷地成熟，在檢測(cè)紡織產(chǎn)品的過(guò)程中，可以保證測(cè)量的精確度，而且不容易受到環(huán)境的影響。

2、相關(guān)分析技術(shù)在紡織纖維近紅外快速檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用效果

隨著NIR分析方法的深入應(yīng)用和發(fā)展，已逐漸得到大眾的普遍接受和官方的認(rèn)可。1978年美國(guó)和加拿大就采用近紅外法作為分析小麥蛋白質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)方法，1998年美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)制訂了近紅外光譜測(cè)定多元醇（聚亞安酯原材料）中羥值含量的ASTMD6342標(biāo)準(zhǔn)方法。2003年，在我國(guó)也正式實(shí)施了近紅外光譜方法測(cè)定飼料中水分、粗蛋白質(zhì)、粗纖維、粗脂肪、賴氨酸、蛋氨酸的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18868-2002。由于近紅外光在常規(guī)光纖中有良好的傳輸特性，且其儀器較簡(jiǎn)單、分析速度快、非破壞性和樣品制備量小、幾乎適合各類樣品（液體、粘稠體、涂層、粉末和固體）分析、多組分多通道同時(shí)測(cè)定等特點(diǎn)，成為在線分析儀表中的一枝奇葩。近幾年，隨著化學(xué)計(jì)量學(xué)、光纖和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在線近紅外光譜分析技術(shù)正以驚人的速度應(yīng)用于包括農(nóng)牧、食品、化工、石化、制藥、煙草等在內(nèi)的許多領(lǐng)域，為科研、教學(xué)以及生產(chǎn)過(guò)程控制提供了一個(gè)十分廣闊的使用空間。近紅外光譜主要是由于分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，記錄的主要是含氫基團(tuán)X-H（X=C、N、O）振動(dòng)的倍頻和全頻吸收。不同基團(tuán)（如甲基、亞甲基，苯環(huán)等）或同一基團(tuán)在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波長(zhǎng)與強(qiáng)度都有明顯差別，

光譜具有豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息，非常適合用于碳?xì)溆袡C(jī)物質(zhì)的組成與性質(zhì)測(cè)量。但是在NIR區(qū)域，吸收強(qiáng)度弱，靈敏度相對(duì)較低，吸收帶較寬且重疊嚴(yán)重。因此，依靠傳統(tǒng)的建立工作曲線方法進(jìn)行定量分析是十分困難的，化學(xué)計(jì)量學(xué)的發(fā)展為這一問(wèn)題的解決奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。其工作原理是，如果樣品的組成相同，則其光譜也相同，反之亦然。如果我們建立了光譜與待測(cè)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系（稱為分析模型），那么，只要測(cè)得樣品的光譜，通過(guò)光譜和上述對(duì)應(yīng)關(guān)系，就能很快得到所需要的質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)。分析方法包括校正和預(yù)測(cè)兩個(gè)過(guò)程：

在校正過(guò)程中，收集一定量有代表性的樣品（一般需要80個(gè)樣品以上），在測(cè)量其光譜圖的同時(shí)，根據(jù)需要使用有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析方法進(jìn)行測(cè)量，得到樣品的各種質(zhì)量參數(shù)，稱之為參考數(shù)據(jù)。通過(guò)化學(xué)計(jì)量學(xué)對(duì)光譜進(jìn)行處理，并將其與參考數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，這樣在光譜圖和其參考數(shù)據(jù)之間建立起一一對(duì)應(yīng)映射關(guān)系，通常稱之為模型。雖然建立模型所使用的樣本數(shù)目很有限，但通過(guò)化學(xué)計(jì)量學(xué)處理得到的模型應(yīng)具有較強(qiáng)的普適性。對(duì)于建立模型所使用的校正方法視樣本光譜與待分析的性質(zhì)關(guān)系不同而異，常用的有多元線性回歸，主成分回歸，偏最小二乘，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)浞椒ǖ?。顯然，模型所適用的范圍越寬越好，但是模型的范圍大小與建立模型所使用的校正方法有關(guān)，與待測(cè)的性質(zhì)數(shù)據(jù)有關(guān)，還與測(cè)量所要求達(dá)到的分析精度范圍有關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中，建立模型都是通過(guò)化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)的，并且有嚴(yán)格的規(guī)范（如ASTM6500標(biāo)準(zhǔn)）。

在預(yù)測(cè)過(guò)程中，首先使用近紅外光譜儀測(cè)定待測(cè)樣品的光譜圖，通過(guò)軟件自動(dòng)對(duì)模型庫(kù)進(jìn)行檢索，選擇正確模型計(jì)算待測(cè)質(zhì)量參數(shù)。

2.2 近紅外光譜分析技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

樣品無(wú)須預(yù)處理可直接測(cè)量：近紅外光譜測(cè)量方式有透射、反射和漫反射多種形式，適合測(cè)量液體、固體和漿狀等形式的樣品，因此，用途很廣。最大的優(yōu)點(diǎn)就是無(wú)須對(duì)樣品進(jìn)行任何預(yù)處理，如汽油可直接倒入測(cè)量杯中或?qū)⒐饫w探頭直接插入汽油中進(jìn)行測(cè)量，操作非常方便，幾秒鐘內(nèi)完成光譜掃描。

光纖遠(yuǎn)距離測(cè)量：近紅外光可以通過(guò)光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距光譜儀以外的遠(yuǎn)距離測(cè)量，可將測(cè)量探頭或流通池直接安裝到生產(chǎn)裝置的管線，實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，或環(huán)境苛刻以及危險(xiǎn)的地方的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。一臺(tái)在線近紅外光譜儀可以外接多路（2～10路）光纖回路，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)生產(chǎn)裝置的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的物料在線測(cè)量。在線測(cè)量數(shù)據(jù)可直接輸送到DCS或先進(jìn)控制系統(tǒng)，為生產(chǎn)的優(yōu)化及時(shí)提供油品的質(zhì)量參數(shù)。與其它在線測(cè)量?jī)x表提供的參數(shù)（如壓力、流量和溫度等變量）相比，在線近紅外分析提供的數(shù)據(jù)（如組成或性質(zhì)）是直接質(zhì)量參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)的優(yōu)化提供更準(zhǔn)確和有益的參考信息。近紅外分析與常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)分析方法配合使用，起到雙方互補(bǔ)的作用，不僅能夠及時(shí)向生產(chǎn)控制部門提供分析數(shù)據(jù)，同時(shí)也節(jié)省了大量分析化驗(yàn)費(fèi)用（包括人力、設(shè)備，和試劑等）;在線近紅外分析與DCS連接，直接給控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，據(jù)此進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化得到的經(jīng)濟(jì)效益是巨大的;與其它在線儀表相比，近紅外光譜儀運(yùn)行故障率和消耗均很低。

2.3? 近紅外光譜分析技術(shù)注意事項(xiàng)

近紅外分析技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是技術(shù)本身的成套性，即必須同時(shí)具備三個(gè)條件：

第一各項(xiàng)性能長(zhǎng)期穩(wěn)定的近紅外光譜儀，是保證數(shù)據(jù)具有良好再現(xiàn)性的基本要求;第二功能齊全的化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件，是建立模型和分析的必要工具;第三準(zhǔn)確并適用范圍足夠?qū)挼哪Ｐ汀?/p>

這三個(gè)條件有機(jī)結(jié)合起來(lái)，才能為用戶真正發(fā)揮作用。因此，在購(gòu)買儀器時(shí)必須對(duì)儀器提供的模型使用性有足夠的認(rèn)識(shí)，特別避免個(gè)別商家為推銷儀器所做的過(guò)度宣傳的不良誘導(dǎo)，為此付出代價(jià)的廠家有之，因此，一定要對(duì)廠家提供模型與技術(shù)支持情況有詳細(xì)了解。

近紅外分析技術(shù)分析速度快，是因?yàn)楣庾V測(cè)量速度很快，計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果速度也很快的原因。但近紅外分析的效率是取決于儀器所配備的模型的數(shù)目，比如測(cè)量一張光譜圖，如果僅有一個(gè)模型，只能得到一個(gè)數(shù)據(jù)，如果建立了10種數(shù)據(jù)模型，那么，僅憑測(cè)量的一張光譜，可以同時(shí)得到10種分析數(shù)據(jù)。

3、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)濟(jì)發(fā)展全球化已經(jīng)是一個(gè)大的趨勢(shì)，而且我們?cè)谶@個(gè)浪潮中獲得了很多的利益，而在世界整體的發(fā)展過(guò)程中，技術(shù)也被全球范圍內(nèi)共享?，F(xiàn)代紡織檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)向著智能化和自動(dòng)化的方向邁進(jìn)了，在很多檢測(cè)情境中都發(fā)揮了重要的作用，人工的參與越來(lái)越少，因此，檢測(cè)結(jié)果就受到人為干預(yù)比較少，檢測(cè)結(jié)果更加趨于一致并保證了較高的準(zhǔn)確性，所以，我們可以利用檢測(cè)的結(jié)果，對(duì)正在加工和生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行一定的預(yù)測(cè)，這樣可以對(duì)某些產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中將會(huì)遇到的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)，并加以避免，不僅可以提高生產(chǎn)的效率，減少生產(chǎn)的成本，也可以使產(chǎn)品的質(zhì)量得到較大的提高。

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作者簡(jiǎn)介：郭瑾（1986-）女，漢，天津，職稱：工程師，學(xué)歷：碩士，單位：天津市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)技術(shù)研究院紡織纖維檢驗(yàn)中心，研究方向：紡織化學(xué)與染整工程。