相關分析技術在紡織纖維近紅外快速檢測中的應用

摘要：眾所周知，纖維是紡織工業的重要原材料，隨著科學技術的發展，紡織工業為了擴大生產規模和生產的產量以及生產的效率，纖維的快速檢測技術也在紡織工業中得到了越來越廣泛的應用。尤其是近紅外檢測技術在中國的紡織工業中得到了普遍應用，但是近紅外技術無論是在現場檢測還是在線檢測其在檢測過程中的光散射等因素會嚴重影響模預測的性能，同時其檢測過程中濕度的變化引起的樣品水分變化等因素也會對模性能的檢測產生影響，從而會從整體上影響現場和在線測量的準確度以及精準度。本文將重點分析技術在紡織纖維近紅外快速檢測中的應用。

關鍵詞：紡織纖維;近紅外快速檢測;應用

前言

隨著科學技術的發展，越來越多的高新技術和檢測技術應用到紡織工業中，給紡織工業的發展與創新以及檢測技術注入了新的活力。縱觀紡織工業的發展，新興的紡織工藝，新的紡織機械和新的設備不斷的出現，紡織工業呈現出了較大的變化，對其紡織檢測技術的發展也變得越來越快速。

1、近紅外光譜等現代紡織檢測技術的特點

1.1 向檢測自動化發展

近紅外光是指波長介于可見光與中紅外區之間的電磁波，其波長范圍大約在七百八十納米到兩千五百納米之間，波數范圍大約在一萬兩千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包含的物質因素主要是應用于有機物質定性與定量分析的一種技術分析。近紅外光譜分析兼備了可見光區光譜分析信號容易獲取與近紅外光譜分析信息量豐富等優點。加上該譜區自身具有的譜帶重疊，吸收強度較低以及需要依靠化學計量等方法來提取信息等特點，使得近紅外光譜分析成為一類新型的分析技術。

近紅外光譜在紡織纖維中的實驗工程中，實驗中的溫度濕度等環境因素的改變會對近紅外光譜造成一定的影響，所以在近紅外光譜檢測中必須要考慮檢測環境的問題，一般情況下，實驗裝樣的條件以及溫度的變化會影響近紅外光譜的穩定性，會影響近紅外光譜的吸收峰的位置，強度以及峰形。在實驗的過程中為了減少環境因素改變造成的光譜誤差，在近紅外光譜應用在紡織的檢測過程中要保持各個環境因素的一致性。

我們現在處于信息時代，網絡技術的發展十分的迅速，電子信息技術在社會各行各業中都有大量的應用，在紡織檢測領域，也應用了這方面的很多技術，自動化檢測、電子通信等技術的使用，也使得紡織檢測技術得到了極大的提高，這讓現代紡織檢測技術的方式和手段有了很大的改變，在功能上，紡織檢測技術已經逐漸完善起來，一些關鍵的指標都可以得到精確的檢測，檢測的流程也變得十分的簡單便捷，更加智能化，就目前發展的情況來看，現代紡織檢測技術主要有這些特點。

以往在測量單根纖維的長度和重量的時候，用的是安培法，而最新的振動法在測量上有很多的便利之處，能夠很好的對纖維的長度和質量進行檢測，同時不需要復雜的操作，國外已經有很多以振動法為基礎的測量方法，這些方法自動化程度高，只需要簡單地按一個鍵就能夠對纖維密度進行檢測，這種檢測方法的精度比較高，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。利用自動檢測系統，可以在很短的時間內對大量的樣本進行檢測，基本不用太多的人工參與，準確性和效率都能得到保證。

1.2 高科技的應用

計算機技術的應用對于現代紡織檢測來說具有十分重大的意義，在很多發達國家中，在對紡織產品的密度進行檢測的時候，采用一種新的計算機控制系統，它可以更加準確地控制樣品的標準重量時間，而且在對單纖維的強度進行檢測的時候，可以用一個設備對其數據進行收集處理并將最終的結果顯示出來。目前，我國在這方面也取得了一定的進展，利用計算機軟件，采用光度檢測的方法對纖維進行調節控制，這種方法簡單快捷，而且不失準確性，即使有些纖維的化學成分十分相似，利用這種方法也能夠對其進行分辨。

此外，數字圖像處理技術也在纖維檢測中得到了應用，比如在對羊毛纖維進行檢測的時候，利用數字圖像處理技術，可以非常準確地測量羊毛的平均直徑，而且速度非常快，在一分鐘之內就能夠對上萬根羊毛完成檢測，而且這種技術的應用，還可以檢測很多其他的纖維。除了數字圖像處理技術，在纖維檢測當中還使用了激光技術，利用激光掃描和計算機技術，對纖維進行檢測，這種檢測方法的速度也非常快，而且精度更高。

現代紡織檢測技術中傳感方式不斷升級在對紡織品進行檢測的過程中離不開傳感器的使用，利用傳感器來精確地對其成分和相關的參數進行測試，而大量使用的聲頻和廣電傳感器在發展過程中不斷地成熟，在檢測紡織產品的過程中，可以保證測量的精確度，而且不容易受到環境的影響。

2、相關分析技術在紡織纖維近紅外快速檢測中的應用

2.1 近紅外光譜技術的應用效果

隨著NIR分析方法的深入應用和發展，已逐漸得到大眾的普遍接受和官方的認可。1978年美國和加拿大就采用近紅外法作為分析小麥蛋白質的標準方法，1998年美國材料試驗學會制訂了近紅外光譜測定多元醇（聚亞安酯原材料）中羥值含量的ASTMD6342標準方法。2003年，在我國也正式實施了近紅外光譜方法測定飼料中水分、粗蛋白質、粗纖維、粗脂肪、賴氨酸、蛋氨酸的國家標準 GB/T 18868-2002。由于近紅外光在常規光纖中有良好的傳輸特性，且其儀器較簡單、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、多組分多通道同時測定等特點，成為在線分析儀表中的一枝奇葩。近幾年，隨著化學計量學、光纖和計算機技術的發展，在線近紅外光譜分析技術正以驚人的速度應用于包括農牧、食品、化工、石化、制藥、煙草等在內的許多領域，為科研、教學以及生產過程控制提供了一個十分廣闊的使用空間。近紅外光譜主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態向高能級躍遷時產生的，記錄的主要是含氫基團X-H（X=C、N、O）振動的倍頻和全頻吸收。不同基團（如甲基、亞甲基，苯環等）或同一基團在不同化學環境中的近紅外吸收波長與強度都有明顯差別，

光譜具有豐富的結構和組成信息，非常適合用于碳氫有機物質的組成與性質測量。但是在NIR區域，吸收強度弱，靈敏度相對較低，吸收帶較寬且重疊嚴重。因此，依靠傳統的建立工作曲線方法進行定量分析是十分困難的，化學計量學的發展為這一問題的解決奠定了數學基礎。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參數之間的對應關系（稱為分析模型），那么，只要測得樣品的光譜，通過光譜和上述對應關系，就能很快得到所需要的質量參數數據。分析方法包括校正和預測兩個過程：

在校正過程中，收集一定量有代表性的樣品（一般需要80個樣品以上），在測量其光譜圖的同時，根據需要使用有關標準分析方法進行測量，得到樣品的各種質量參數，稱之為參考數據。通過化學計量學對光譜進行處理，并將其與參考數據關聯，這樣在光譜圖和其參考數據之間建立起一一對應映射關系，通常稱之為模型。雖然建立模型所使用的樣本數目很有限，但通過化學計量學處理得到的模型應具有較強的普適性。對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關系不同而異，常用的有多元線性回歸，主成分回歸，偏最小二乘，人工神經網絡和拓撲方法等。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，與待測的性質數據有關，還與測量所要求達到的分析精度范圍有關。實際應用中，建立模型都是通過化學計量學軟件實現的，并且有嚴格的規范（如ASTM6500標準）。

在預測過程中，首先使用近紅外光譜儀測定待測樣品的光譜圖，通過軟件自動對模型庫進行檢索，選擇正確模型計算待測質量參數。

2.2 近紅外光譜分析技術的優勢

樣品無須預處理可直接測量：近紅外光譜測量方式有透射、反射和漫反射多種形式，適合測量液體、固體和漿狀等形式的樣品，因此，用途很廣。最大的優點就是無須對樣品進行任何預處理，如汽油可直接倒入測量杯中或將光纖探頭直接插入汽油中進行測量，操作非常方便，幾秒鐘內完成光譜掃描。

光纖遠距離測量：近紅外光可以通過光纖進行遠距離傳輸，可以實現遠距光譜儀以外的遠距離測量，可將測量探頭或流通池直接安裝到生產裝置的管線，實現在線測量，或環境苛刻以及危險的地方的現場測量。一臺在線近紅外光譜儀可以外接多路（2～10路）光纖回路，實現同時對生產裝置的多個測量點的物料在線測量。在線測量數據可直接輸送到DCS或先進控制系統，為生產的優化及時提供油品的質量參數。與其它在線測量儀表提供的參數（如壓力、流量和溫度等變量）相比，在線近紅外分析提供的數據（如組成或性質）是直接質量參數，對生產的優化提供更準確和有益的參考信息。近紅外分析與常規的標準分析方法配合使用，起到雙方互補的作用，不僅能夠及時向生產控制部門提供分析數據，同時也節省了大量分析化驗費用（包括人力、設備，和試劑等）;在線近紅外分析與DCS連接，直接給控制系統提供數據，據此進行生產優化得到的經濟效益是巨大的;與其它在線儀表相比，近紅外光譜儀運行故障率和消耗均很低。

2.3? 近紅外光譜分析技術注意事項

近紅外分析技術的一個重要特點就是技術本身的成套性，即必須同時具備三個條件：

第一各項性能長期穩定的近紅外光譜儀，是保證數據具有良好再現性的基本要求;第二功能齊全的化學計量學軟件，是建立模型和分析的必要工具;第三準確并適用范圍足夠寬的模型。

這三個條件有機結合起來，才能為用戶真正發揮作用。因此，在購買儀器時必須對儀器提供的模型使用性有足夠的認識，特別避免個別商家為推銷儀器所做的過度宣傳的不良誘導，為此付出代價的廠家有之，因此，一定要對廠家提供模型與技術支持情況有詳細了解。

近紅外分析技術分析速度快，是因為光譜測量速度很快，計算機計算結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目，比如測量一張光譜圖，如果僅有一個模型，只能得到一個數據，如果建立了10種數據模型，那么，僅憑測量的一張光譜，可以同時得到10種分析數據。

3、結束語

經濟發展全球化已經是一個大的趨勢，而且我們在這個浪潮中獲得了很多的利益，而在世界整體的發展過程中，技術也被全球范圍內共享。現代紡織檢測技術現在已經向著智能化和自動化的方向邁進了，在很多檢測情境中都發揮了重要的作用，人工的參與越來越少，因此，檢測結果就受到人為干預比較少，檢測結果更加趨于一致并保證了較高的準確性，所以，我們可以利用檢測的結果，對正在加工和生產的產品質量進行一定的預測，這樣可以對某些產品的生產過程中將會遇到的質量問題進行預測，并加以避免，不僅可以提高生產的效率，減少生產的成本，也可以使產品的質量得到較大的提高。

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作者簡介：郭瑾（1986-）女，漢，天津，職稱：工程師，學歷：碩士，單位：天津市產品質量監督檢測技術研究院紡織纖維檢驗中心，研究方向：紡織化學與染整工程。