基于紅外差譜技術(shù)的木材含水率檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于紅外差譜技術(shù)的木材含水率檢測方法，選取待測木材制得全干樣品和不同相對濕度的平衡樣品；利用紅外光譜儀測得全干樣品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減去全干樣品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范圍內(nèi)的面積AW-0；利用傳統(tǒng)烘干法測定不同相對濕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(gòu)建紅外差譜技術(shù)檢測木材含水率的模型。該模型可用于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(fā)明具有周期短、檢測快速、樣品需求微量甚至痕量的優(yōu)點(diǎn)，是一種無損檢測技術(shù)，可以應(yīng)用于木材評價領(lǐng)域。
【專利說明】基于紅外差譜技術(shù)的木材含水率檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及木材品質(zhì)測定領(lǐng)域，尤其涉及一種基于紅外差譜技術(shù)的木材含水率檢測方法。

【背景技術(shù)】
[0002]木材含水率是木材重要的物理性質(zhì)之一，與木材力學(xué)性質(zhì)和木材利用有著密切的關(guān)系。測定木材含水率的方法大致有4種:干燥法、蒸餾法、滴定法和導(dǎo)電法。干燥法又名重量法，此法操作簡便，結(jié)果準(zhǔn)確，但耗時較長。蒸餾法的測定結(jié)果不十分精確，滴定法費(fèi)用較高。導(dǎo)電法是利用木材電學(xué)性質(zhì)如電阻率、介電常數(shù)和功率因素等與木材含水率間有規(guī)律的關(guān)系設(shè)計(jì)出一種測濕儀，由于木材含水率與電阻率的關(guān)系僅在某一含水率范圍內(nèi)呈有變化規(guī)律的關(guān)系，超過了此限度它就不明顯了，因此，導(dǎo)電法具有一定的局限性。以上方法的局限性給林業(yè)研究人員帶來極大的不便。
[0003]紅外光譜(Infrared Spectroscopy, IR)的研究開始于20世紀(jì)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(yīng)用。紅外光譜還具有測試迅速，操作方便，重復(fù)性好，靈敏度高，試樣用量少，儀器結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，它已成為最常用和不可缺少的工具。這就為紅外差譜技術(shù)應(yīng)用于木材含水率的測定提供了平臺。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)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于紅外差譜技術(shù)的木材含水率檢測方法。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為:
一種基于紅外差譜技術(shù)的木材含水率檢測方法，包括以下步驟:
O制備平衡樣品:將待測木材樣品放置于恒溫恒濕箱中，制得不同相對濕度下的平衡樣品；
2)制備全干樣品:將待測木材樣品放入烘箱，先在60°C低溫下烘干2小時，之后將溫度調(diào)至103 ± 2°C，連續(xù)烘干8?10h，其間，每隔2h試稱一次，至最后兩次稱重之差不超過0.3%，制得全干樣品；
3)傳統(tǒng)法測定平衡樣品含水率W:利用傳統(tǒng)烘干法測定步驟I)中不同相對濕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)中全干樣品Itl的紅外光譜圖和步驟I)中不同相對濕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￥減去全干樣品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范圍內(nèi)的面積Am ；
5)構(gòu)建紅外差譜技術(shù)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(jì)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(yīng)的2900-3750(31^1范圍內(nèi)的面積，a、b為不同木材樣品含水率測定的參數(shù)；
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(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn):
所述待測木材樣品為厚度低于10微米，面積大于I微米的微量樣品。
[0007]步驟6)中在獲得回歸方程之后，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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
本發(fā)明的基于紅外差譜技術(shù)的木材含水率檢測方法，本發(fā)明所測木材為厚度低于10微米，面積大于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，適用于樣品的批量檢測?？朔爽F(xiàn)有技術(shù)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(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)無損檢測技術(shù)，可以應(yīng)用于木材評價領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明建模中所用銀杏樣品在2900-3750(31^1范圍內(nèi)紅外差譜圖。
[0010]圖2為本發(fā)明建模中所用銀杏樣品所獲得的回歸方程。

【具體實(shí)施方式】
[0011]為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合說明書附圖和較佳的實(shí)施例對本發(fā)明作更全面、細(xì)致地描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于以下具體的實(shí)施例。
[0012]一種本發(fā)明的基于紅外差譜技術(shù)的木材含水率檢測方法，包括以下步驟:
O制備平衡樣品:將待測木材樣品放置于恒溫恒濕箱中進(jìn)行培養(yǎng)，制得不同相對濕度下的平衡樣品；
2)制備全干樣品:將待測木材樣品放入烘箱，先在60°C低溫下烘干2小時，之后將溫度調(diào)至103 ± 2°C，連續(xù)烘干8?10h，其間，每隔2h試稱一次，至最后兩次稱重之差不超過0.3%，制得全干樣品；
3)傳統(tǒng)法測定平衡樣品含水率W:利用傳統(tǒng)烘干法測定不同相對濕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干樣品Itl的紅外光譜圖和不同相對濕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減去全干樣品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范圍內(nèi)的面積AW_Q ；
5)構(gòu)建紅外差譜技術(shù)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(jì)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(yīng)的2900-3750(31^1范圍內(nèi)的面積，a、b為不同木材樣品含水率測定的參數(shù)；
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，厚度低于10微米，面積大于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(fā)明的檢測方法:
實(shí)施例1
(1)將銀杏木材制作成長1mmX寬1mmX厚8μ m尺寸的試樣,放置于恒溫恒濕箱中進(jìn)行培養(yǎng)，制得相對濕度為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低溫下烘干2小時，之后將溫度調(diào)至103±2°C，連續(xù)烘干8?10h，其間，每隔2h試稱一次，至最后兩次稱重之差極小(不超過0.3%)，制得全干樣品；
(3)利用傳統(tǒng)烘干法測定(I)中得到的不同相對濕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)中全干樣品Icw的紅外光譜圖和(I)中不同相對濕度下平衡樣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減去全干樣品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范圍內(nèi)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(gòu)建紅外差譜技術(shù)檢測木材含水率的模型時，模型的相關(guān)系數(shù)大于0.95，如圖2所示，獲得了滿意的預(yù)測精度。隨機(jī)制得相對濕度為15%的銀杏試樣，利用上述方法，測得含水率為0.0315，而傳統(tǒng)烘干法測得的含水率為0.031，計(jì)算相對誤差為1.61%。結(jié)果說明應(yīng)用本發(fā)明的方法能夠快速準(zhǔn)確地檢測木材含水率。單個樣品耗時僅為Is。
[0016]實(shí)施例2
利用實(shí)施例1中方法，對水曲柳試樣含水率進(jìn)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(jī)制得相對濕度為15%的水曲柳試樣，利用上述方法，測得含水率為0.0348，而傳統(tǒng)烘干法測得的含水率為0.034，計(jì)算相對誤差為2.35%。結(jié)果說明應(yīng)用本發(fā)明的方法能夠快速準(zhǔn)確地檢測木材含水率。
[0017]實(shí)施例3
利用實(shí)施例1中方法，對松木試樣含水率進(jìn)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(jī)制得相對濕度為15%的松木試樣，利用上述方法，測得含水率為0.0424，而傳統(tǒng)烘干法測得的含水率為0.042，計(jì)算相對誤差為0.95%。結(jié)果說明應(yīng)用本發(fā)明的方法能夠快速準(zhǔn)確地檢測木材含水率。
【權(quán)利要求】
1.一種基于紅外差譜技術(shù)的木材含水率檢測方法，包括以下步驟: 1)制備平衡樣品:將待測木材樣品放置于恒溫恒濕箱中，制得不同相對濕度下的平衡樣品； 2)制備全干樣品:將待測木材樣品放入烘箱，先在60°C低溫下烘干2小時，之后將溫度調(diào)至103 ± 2°C，連續(xù)烘干8?10h，其間，每隔2h試稱一次，至最后兩次稱重之差不超過0.3%，制得全干樣品； 3)傳統(tǒng)法測定平衡樣品含水率W:利用傳統(tǒng)烘干法測定步驟I)中不同相對濕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)中全干樣品Itl的紅外光譜圖和步驟I)中不同相對濕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￥減去全干樣品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范圍內(nèi)的面積Am ； 5)構(gòu)建紅外差譜技術(shù)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(jì)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(yīng)的2900-3750(31^1范圍內(nèi)的面積，a、b為不同木材樣品含水率測定的參數(shù)； 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(jù)權(quán)利要求1所述的基于紅外差譜技術(shù)的木材含水率檢測方法，其特征在于:所述待測木材樣品為厚度低于10微米，面積大于I微米的微量樣品。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紅外差譜技術(shù)的木材含水率檢測方法，其特征在于:步驟6)中在獲得回歸方程之后，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(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】郭鑫, 吳義強(qiáng), 喬建政, 黃自知, 卿彥, 胡云楚 申請人:中南林業(yè)科技大學(xué)