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巨哥科技近红外光谱仪性能评测与塑料分类应用

2021/10/13

本报告分两部分:第一部分为巨哥科技SG1700微型光谱仪与某进口NIR光谱仪模块的对比测试,由北京工商大学吴静珠教授课题组设计并完成;第二部分使用SG1700进行塑料成分建模,在所能获取的样本中达到100%的分类准确度,该部分由巨哥科技完成。

 PART 1  NIR光谱仪性能评测对比

本实验主要评估吸光度重复性、波长准确性、波长重复性。光谱测试系统分别基于巨哥科技SG1700微型光谱仪与某进口NIR光谱仪模块搭建,采用透射测样方式,使用相同的可调光源、样品测试架以及比色皿,波长范围均为900-1700nm。实验装置如图所示,图中红框为光谱仪模块。

 

左为SG1700光谱系统实物连接图,右为某进口光谱系统实物连接图

一:吸光度重复性实验

吸光度A=lg(1/T),其中T为透射率。本实验在同一条件下对同一样本连续进行多次光谱测量,用整个光谱区间或某一特征谱峰的吸光度标准差来衡量重复性。本实验分别以纯净水和75%医用酒精为实验样本,采用上述两套光谱系统,每隔10分钟扫描测样本1次,每天测试6小时,连续测试2天,通过计算整个光谱区间的吸光度标准差来分析仪器稳定性。

图3 SG1700重复测量水的吸光度标准差

图4 某进口光谱仪重复测量水的吸光度标准差

图3为SG1700重复测量水的吸光度标准差,图4为某进口光谱仪重复测量水的吸光度标准差。SG1700的测量标准差远小于某进口光谱仪模块。

图5 SG1700重复测量酒精的吸光度标准差

图6 某进口光谱仪重复测量酒精的吸光度标准差

图5为SG1700重复测量酒精的吸光度标准差,图6为某进口光谱仪重复测量酒精的吸光度标准差。SG1700的测量标准差远小于某进口光谱仪模块。

本实验中对全光谱进行吸光度标准差计算,包含了全光谱噪声。巨哥科技自测时针对特征峰进行吸光度标准差计算,测量水的吸光度重复性优于3x10-4

 

二:波长准确性和重复性实验

 

波长准确性是指仪器测定标准物质某一谱峰的波长与该谱峰的标定波长之差,波长准确性对保证近红外光谱仪间的模型传递非常重要。波长重复性是指对标准物质进行多次扫描获得的谱峰位置差异,用标准偏差表示。波长重复性是体现仪器稳定性的重要指标,影响最终分析结果的准确性。

本实验用于校准光谱仪波长专用的鑫旭光电科技的近红外(稀土)波长滤光片(图7),使用其中5个特征吸收峰,1524.0nm、1464.4nm、1362.9nm、1220.5nm、1068.3nm。

图7 近红外波长滤光片实物图及标准片吸收峰

实验采用上述两套光谱系统测量标准片特征峰,每间隔10分钟扫描测样本1次,每天测试6小时,连续测试2天。图8为吸光度谱图。由图可见,SG1700的吸光度值高于某进口光谱仪模块。

 

图8  吸光度谱图(蓝色对应SG1700,黄色对应某进口光谱仪模块)

波长准确性和重复性数据见表1。图9为测量5个标准波长的误差,图10为重复测量后统计的标准差,反映仪器的重复性。

表1  波长准确性和重复性分析表

蓝色对应SG1700,黄色对应某进口NIR光谱仪模块

左图测量5个波长的误差均值(nm)  & 右图重复测量5个波长的标准偏差(nm)

SG1700测量准确性在3个波长高于、2个波长低于某进口光谱仪。由于SG1700采用标准谱线光源进行波长标定,部分差异可能来自稀土滤光片的实际吸收峰与标准值的偏差,巨哥科技用标准谱线光源自测,全量程波长准确性优于0.5nm。在重复性方面,SG1700在4个波长均显著好于某进口光谱仪模块,在1个波长略有不足。巨哥科技用标准谱线光源自测,全量程波长重复性优于0.1nm。

小结

本实验分别从吸光度重复性、波长准确度和波长重复性三个方面进行测试,SG1700稳定性和准确性表现优异,扫描速度快,并且有高灵敏度和低灵敏度模式,积分时间和平均次数可以调节。在相同照明光强下获取相同信噪比,SG1700的扫描时间比某进口光谱仪模块快1~2个数量级,达到毫秒级,可用于实时在线的成分分析。

 PART 2   塑料建模与分类实测

一、建模

使用SG1700微型光谱仪采集5种塑料光谱进行建模,具体步骤为:

a)测量训练集HDPE、PET、PP、PVC、ABS样品各40个

b)对数据进行平滑等预处理

c)PCA降维选取主成分到解释占比95%以上

d)使用支持向量机(SVM)模型建模

图11 样品光谱采集图集

图12 PCA降维

二:模型实测

模型建立后,针对生活中实际样本进行分类,包括:早餐豆花包装、雪碧瓶子、雪碧瓶盖、密封袋、实际PP零件、可口可乐包装纸、可口可乐瓶盖、可口可乐瓶身、农夫山泉包装纸、农夫山泉瓶盖、农夫山泉瓶身、银行卡、校园卡、卡套、港台通行证、身份证、计算器、剪刀柄、电子门卡、PVC管等,共200多种。使用上述模型对未知塑料进行分类识别,准确率达到100%。

三:模型迁移

根据本报告第一部分的评测结果,SG1700具有优异的吸光度重复性、波长准确度和波长重复性,均有利于不同SG1700间模型的迁移。将建模使用SG1700光谱仪的模型直接迁移至其他SG1700光谱仪,对上述200多种塑料的分类准确率达到98%。

进一步提升迁移模型的准确性,可对每台SG1700进行互校准。选取训练集10%的样本进行光谱互校准后,多台SG1700的迁移模型对上述200多种塑料分类准确率均达到了100%。

 PART 3  结论

巨哥科技SG1700微型光谱仪具有优异的稳定性和一致性,灵敏度高,扫描速度快,可用于实验室研究和实时在线检测。使用SG1700建立的塑料分类模型预测准确度高,并可直接迁移至其他SG1700。使用SG1700进行化学成分定量分析的研究目前仍在开展。巨哥科技长期致力于先进光电仪器的开发,期待与各行业合作伙伴一起推动更多光谱分析应用的场景。


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