基於紅外差譜技術的木材含水率檢測方法
2023-06-08 01:40:11 3
基於紅外差譜技術的木材含水率檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於紅外差譜技術的木材含水率檢測方法，選取待測木材製得全乾樣品和不同相對溼度的平衡樣品；利用紅外光譜儀測得全乾樣品I0的紅外光譜圖和平衡樣品的紅外光譜圖IW；用平衡樣品的紅外光譜圖IW減去全乾樣品I0的紅外光譜圖，得到紅外差譜圖IW-0；求得紅外差譜圖中2900-3750cm-1範圍內的面積AW-0；利用傳統烘乾法測定不同相對溼度木材樣品的含水率W；將各個試樣的含水率W和面積AW-0利用最小二乘法線性回歸構建紅外差譜技術檢測木材含水率的模型。該模型可用於待測木材樣品的批量測定，每個樣品耗時1s，大大縮短了木材含水率的檢測時間。本發明具有周期短、檢測快速、樣品需求微量甚至痕量的優點，是一種無損檢測技術，可以應用於木材評價領域。
【專利說明】基於紅外差譜技術的木材含水率檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及木材品質測定領域，尤其涉及一種基於紅外差譜技術的木材含水率檢測方法。
【背景技術】
[0002]木材含水率是木材重要的物理性質之一，與木材力學性質和木材利用有著密切的關係。測定木材含水率的方法大致有4種:乾燥法、蒸餾法、滴定法和導電法。乾燥法又名重量法，此法操作簡便，結果準確，但耗時較長。蒸餾法的測定結果不十分精確，滴定法費用較高。導電法是利用木材電學性質如電阻率、介電常數和功率因素等與木材含水率間有規律的關係設計出一種測溼儀，由於木材含水率與電阻率的關係僅在某一含水率範圍內呈有變化規律的關係，超過了此限度它就不明顯了，因此，導電法具有一定的局限性。以上方法的局限性給林業研究人員帶來極大的不便。
[0003]紅外光譜(Infrared Spectroscopy, IR)的研究開始於20世紀初期，自1940年商品紅外光譜儀問世以來，紅外光譜在研究中得到廣泛的應用。紅外光譜還具有測試迅速，操作方便，重複性好，靈敏度高，試樣用量少，儀器結構簡單等特點，它已成為最常用和不可缺少的工具。這就為紅外差譜技術應用於木材含水率的測定提供了平臺。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種周期短、檢測快速、樣品需求微量甚至痕量的基於紅外差譜技術的木材含水率檢測方法。
[0005]為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為:
一種基於紅外差譜技術的木材含水率檢測方法，包括以下步驟:
O製備平衡樣品:將待測木材樣品放置於恆溫恆溼箱中，製得不同相對溼度下的平衡樣品；
2)製備全乾樣品:將待測木材樣品放入烘箱，先在60°C低溫下烘乾2小時，之後將溫度調至103 ± 2°C，連續烘乾8?10h，其間，每隔2h試稱一次，至最後兩次稱重之差不超過0.3%，製得全乾樣品；
3)傳統法測定平衡樣品含水率W:利用傳統烘乾法測定步驟I)中不同相對溼度的平衡樣品含水率W ;
4)獲取紅外差譜圖:利用紅外光譜儀測得步驟2)中全乾樣品Itl的紅外光譜圖和步驟I)中不同相對溼度下平衡樣品的紅外光譜圖1w ;用不同含水率平衡樣品的紅外光譜圖1￥減去全乾樣品I。的紅外光譜圖，得到紅外差譜圖1m ;求得紅外差譜圖中2900-3750(3!^1範圍內的面積Am ；
5)構建紅外差譜技術檢測木材含水率的模型:將步驟3)中各個樣品的含水率W和步驟4)中面積Am利用最小二乘法線性回歸得到方程:W= aAu+b，用以計算木材樣品的含水率；方程中W為木材含水率，Am分別為紅外差譜所對應的2900-3750(31^1範圍內的面積，a、b為不同木材樣品含水率測定的參數；
6)測定含水率:利用步驟5)中所獲得的回歸方程，批量測定待測木材樣品。
[0006]作為上述技術方案的進一步改進:
所述待測木材樣品為厚度低於10微米，面積大於I微米的微量樣品。
[0007]步驟6)中在獲得回歸方程之後，批量測定待測木材樣品時單個木材樣品測定只需Is0
[0008]與現有技術相比，本發明的優點在於:
本發明的基於紅外差譜技術的木材含水率檢測方法，本發明所測木材為厚度低於10微米，面積大於I微米的微量樣品，大大降低了含水率測定過程中所需木材樣品量，同時，將木材含水率的測定時間縮短為1S，適用於樣品的批量檢測。克服了現有技術周期長、待測樣品需求量大的不足，具有檢測快速、樣品需求微量甚至痕量的優點，是一項無損檢測技術，可以應用於木材評價領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明建模中所用銀杏樣品在2900-3750(31^1範圍內紅外差譜圖。
[0010]圖2為本發明建模中所用銀杏樣品所獲得的回歸方程。
【具體實施方式】
[0011]為了便於理解本發明，下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本發明作更全面、細緻地描述，但本發明的保護範圍並不限於以下具體的實施例。
[0012]一種本發明的基於紅外差譜技術的木材含水率檢測方法，包括以下步驟:
O製備平衡樣品:將待測木材樣品放置於恆溫恆溼箱中進行培養，製得不同相對溼度下的平衡樣品；
2)製備全乾樣品:將待測木材樣品放入烘箱，先在60°C低溫下烘乾2小時，之後將溫度調至103 ± 2°C，連續烘乾8?10h，其間，每隔2h試稱一次，至最後兩次稱重之差不超過0.3%，製得全乾樣品；
3)傳統法測定平衡樣品含水率W:利用傳統烘乾法測定不同相對溼度的平衡樣品含水率W ；
4)獲取紅外差譜圖:利用紅外光譜儀測得全乾樣品Itl的紅外光譜圖和不同相對溼度下平衡樣品的紅外光譜圖1w ;用不同含水率平衡樣品的紅外光譜圖1w減去全乾樣品Itl的紅外光譜圖，得到紅外差譜圖;求得紅外差譜圖中2900-3750(31^1範圍內的面積AW_Q ；
5)構建紅外差譜技術檢測木材含水率的模型:將步驟3)中各個樣品的含水率W和步驟4)中面積Am利用最小二乘法線性回歸得到方程:W= aAu+b，用以計算木材樣品的含水率；方程中W為木材含水率，Am分別為紅外差譜所對應的2900-3750(31^1範圍內的面積，a、b為不同木材樣品含水率測定的參數；
6)測定含水率:利用步驟5)中所獲得的回歸方程，批量測定待測木材樣品，單個木材樣品測定只需Is。
[0013]上述木材樣品為微量樣品，厚度低於10微米，面積大於I微米。
[0014]以下以3種不同的木材(銀杏木、水曲柳、松木)含水率檢測為例來說明本發明的檢測方法:
實施例1
(1)將銀杏木材製作成長1mmX寬1mmX厚8μ m尺寸的試樣,放置於恆溫恆溼箱中進行培養，製得相對溼度為10%，20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%和90%的銀杏木材平衡樣品;
(2)將銀杏木材試樣放入烘箱，先在60°C低溫下烘乾2小時，之後將溫度調至103±2°C，連續烘乾8?10h，其間，每隔2h試稱一次，至最後兩次稱重之差極小(不超過0.3%)，製得全乾樣品；
(3)利用傳統烘乾法測定(I)中得到的不同相對溼度的銀杏木材平衡樣品的含水率W;
(4)利用紅外光譜儀測得(2)中全乾樣品Icw的紅外光譜圖和(I)中不同相對溼度下平衡樣ΒΠ的紅外光譜圖110%?工20%，工30%，140%，工50%，160%? 170%? 180%? 190% ;用不問0水率木材樣B口的紅外光譜圖1w減去全乾樣品Icw的紅外光譜圖，得到紅外差譜圖1l0%-0%，工20%-0%，工30%-0%，工40%-0%，
150%-0% ? Ιθ0%-0%? 170%-0% ? Ιδο%-ο%?
I9cw.,如圖1所示；求得紅外差譜圖中2900-37500^1範圍內的面積Aw_q ；
(5)將各個樣品的含水率W和面積Am利用最小二乘法線性回歸得到方程:W=0.005Aff_0-0.0035，如圖 2 所示。
[0015]將各個試樣的含水率W和紅外差譜面積Am構建紅外差譜技術檢測木材含水率的模型時，模型的相關係數大於0.95，如圖2所示，獲得了滿意的預測精度。隨機製得相對溼度為15%的銀杏試樣，利用上述方法，測得含水率為0.0315，而傳統烘乾法測得的含水率為0.031，計算相對誤差為1.61%。結果說明應用本發明的方法能夠快速準確地檢測木材含水率。單個樣品耗時僅為Is。
[0016]實施例2
利用實施例1中方法，對水曲柳試樣含水率進行紅外差譜檢測，獲得回歸方程:W=0.0048Aff_o-0.0016o批量檢測水曲柳試樣時，單個樣品耗時僅為Is。隨機製得相對溼度為15%的水曲柳試樣，利用上述方法，測得含水率為0.0348，而傳統烘乾法測得的含水率為0.034，計算相對誤差為2.35%。結果說明應用本發明的方法能夠快速準確地檢測木材含水率。
[0017]實施例3
利用實施例1中方法，對松木試樣含水率進行紅外差譜檢測，獲得回歸方程:W=0.0043Aff_o+0.0062。批量檢測松木試樣時，單個樣品耗時僅為Is。隨機製得相對溼度為15%的松木試樣，利用上述方法，測得含水率為0.0424，而傳統烘乾法測得的含水率為0.042，計算相對誤差為0.95%。結果說明應用本發明的方法能夠快速準確地檢測木材含水率。
【權利要求】
1.一種基於紅外差譜技術的木材含水率檢測方法，包括以下步驟: 1)製備平衡樣品:將待測木材樣品放置於恆溫恆溼箱中，製得不同相對溼度下的平衡樣品； 2)製備全乾樣品:將待測木材樣品放入烘箱，先在60°C低溫下烘乾2小時，之後將溫度調至103 ± 2°C，連續烘乾8?10h，其間，每隔2h試稱一次，至最後兩次稱重之差不超過0.3%，製得全乾樣品； 3)傳統法測定平衡樣品含水率W:利用傳統烘乾法測定步驟I)中不同相對溼度下的平衡樣品含水率W ； 4)獲取紅外差譜圖:利用紅外光譜儀測得步驟2)中全乾樣品Itl的紅外光譜圖和步驟I)中不同相對溼度下平衡樣品的紅外光譜圖1w ;用不同含水率平衡樣品的紅外光譜圖1￥減去全乾樣品I。的紅外光譜圖，得到紅外差譜圖1m ;求得紅外差譜圖中2900-3750(3!^1範圍內的面積Am ； 5)構建紅外差譜技術檢測木材含水率的模型:將步驟3)中各個樣品的含水率W和步驟4)中面積Am利用最小二乘法線性回歸得到方程:W= aAu+b，用以計算木材樣品的含水率；方程中W為木材含水率，Am分別為紅外差譜所對應的2900-3750(31^1範圍內的面積，a、b為不同木材樣品含水率測定的參數； 6)測定含水率:利用步驟5)中所獲得的回歸方程，批量測定待測木材樣品。
2.根據權利要求1所述的基於紅外差譜技術的木材含水率檢測方法，其特徵在於:所述待測木材樣品為厚度低於10微米，面積大於I微米的微量樣品。
3.根據權利要求1所述的基於紅外差譜技術的木材含水率檢測方法，其特徵在於:步驟6)中在獲得回歸方程之後，批量測定待測木材樣品時單個木材樣品測定只需Is。
【文檔編號】G01N21/3563GK104390932SQ201410634685
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月12日 優先權日:2014年11月12日
【發明者】郭鑫, 吳義強, 喬建政, 黃自知, 卿彥, 胡云楚 申請人:中南林業科技大學