CN106018334B - 采用近红外光谱直接定量测量二元混合体系的方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用近红外光谱直接定量测量二元混合体系的方法，涉及一种光学领域中二元混合体系的测量方法，它通过分别采集各组分的近红外光谱，建立移动窗口，选择组分b的近红外光谱B，将移动窗口从该近红外光谱B的左端向右移动，分别计算近红外光谱B与近红外混合光谱AB的夹角，得到系列夹角值，求取系列夹角值的方差D；分别计算近红外光谱B与组分b在不同含量下的近红外混合光谱AB的系列方差Di；绘制组分b的不同含量与系列方差Di的标准曲线，根据标准曲线，即可确定待测二元混合体系ab中组分a和组分b的配比，实现被测物的组分定量。本发明方法简单，成本较低，工作强度低，可以不用按照严格的光度值实现定量，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学领域中二元混合体系的测量方法，特别是一种采用近红外光谱直接定量测量二元混合体系的方法。
背景技术
二元混合体系是一种常见的体系，例如，化工生产中的配方调和、纺织品混纺、食品勾兑等。而一直以来，近红外光谱分析方法都被作为一种二元混合体系的组分定量分析方法加以应用，但其分析结果必须依靠对体系作大量直接测量，然后依据直接测量值和光谱测量，进行二次建模，其方法复杂，成本较高，限制了近红外光谱分析方法的应用。
而且近红外光谱很多时候要采用漫反射测量，光程和取样位置很难严格控制，光谱所受到的随机干扰多，难以按照严格的光度值定量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种采用近红外光谱直接定量测量二元混合体系的方法，以解决现有技术存在的上述方法复杂、成本较高、难以按照严格的光度值定量的不足之处。
解决上述技术问题的技术方案是：一种采用近红外光谱直接定量测量二元混合体系的方法，其特征在于：该方法是通过光谱仪分别采集各组分的近红外光谱、二元混合体系ab的近红外混合光谱AB，建立移动窗口，选择组分b的近红外光谱B，在移动窗口内，将移动窗口从该近红外光谱B的左端向右移动，分别计算近红外光谱B与近红外混合光谱AB的夹角，得到系列夹角值，并求取系列夹角值的方差D；分别计算近红外光谱B与组分b在不同含量下的近红外混合光谱AB的系列方差Di；绘制组分b的不同含量与系列方差Di的标准曲线，根据标准曲线，即可确定待测二元混合体系ab中组分a和组分b的配比，实现被测物的组分定量。
本发明的进一步技术方案是：该方法包括以下步骤：
S1. 通过光谱仪分别采集组分a的近红外光谱A、组分b的近红外光谱B、二元混合体系ab的近红外混合光谱AB，根据近红外混合光谱AB包含的波长点数，取其一半建立移动窗口；
S2. 选择二元混合体系中的组分b的近红外光谱B，在移动窗口内，将移动窗口从该近红外光谱B的左端向右移动，分别计算近红外光谱B与近红外混合光谱AB的夹角，得到系列夹角值；
S3.求取该系列夹角值的方差D；
S4. 选择组分b在不同含量下的近红外混合光谱AB，重复步骤S 1至S 3，分别计算近红外光谱B与组分b在不同含量下的近红外混合光谱AB的系列方差Di；
S5.绘制组分b的不同含量与系列方差Di的标准曲线；
S6.根据标准曲线，即可确定近红外混合光谱AB中组分a和组分b的配比，实现被测物的组分定量。
本发明的原理如下：
二元混合体系中由组分a和组分b组成，相对于组分a，随着组分b加入，得到的二元混合体系ab的光谱逐渐偏离组分a，如果将组分a的光谱和二元混合体系ab光谱视为向量，向量ab与向量a的夹角逐渐增大。需要指出的是组分a和组分b不一定是纯净物，只要组成确定，都可作为确定组分来进行比对，也就是说，多元混合体系可由逐次的二元混合体系实现。
本申请的发明人研究发现，组分a的近红外光谱A和二元混合体系ab的近红外混合光谱AB的分段向量夹角与组分b的光谱B的贡献存在定量关系。如果以近红外光谱A和近红外混合光谱AB用移动窗口构成分段向量，计算窗口内两个分段向量的夹角，多个夹角值构成夹角序列，在如果夹角取值范围较小，该序列的方差值与光谱B的加入成线性相关。可以利用该线性相关对光谱B所对应的组分b进行定量。
由于采用上述结构，本发明之采用近红外光谱直接定量测量二元混合体系的方法与现有技术相比，具有以下有益效果：
1. 方法简单，成本较低
由于本发明通过计算近红外光谱B与近红外混合光谱AB的夹角，得到系列夹角值，并求取系列夹角值的方差D，分别计算近红外光谱B与组分b在不同含量下的近红外混合光谱AB的系列方差Di；绘制组分b的不同含量与系列方差Di的标准曲线，根据标准曲线，根据该标准曲线，即可确定近红外混合光谱AB中组分a和组分b的配比，实现被测物的组分定量。因此，本发明不采用需要大量样本的多变量统计建模方法，工作强度低，节省了建模费用。
2. 可不用严格依据光度值实现定量
本发明不受光度变化的影响，从实施例中可以看出，即使针对光强出现显著差异的未知样品，也能准确实现定量，因此，本发明可不用严格按照光度值定量。
3.使用方便：
本发明由于不用严格校正光强，因此可以省去每次标准测量步骤，给现场和过程连续测量带来很大方便。
4.适用范围广
本发明可适用于化工生产中的配方调和、纺织品混纺、食品勾兑等二元混合体系，其适用范围比较广泛。
下面，结合附图和实施例对本发明之采用近红外光谱直接定量测量二元混合体系的方法的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1：本发明实施例一中采集的粘胶纤维的近红外光谱A、棉纤维的近红外光谱B、棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱AB的光谱图；
图2：本发明实施例一中棉纤维b不同含量与系列方差Di的标准曲线图；
图3：本发明实施例一中棉纤维b含量分别为35%和45%的棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱的光谱图。
在上述附图中，各标号说明如下：
A-粘胶纤维的近红外光谱，B-棉纤维的近红外光谱，
AB1-棉纤维含量占10%的棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱，
AB2-棉纤维含量分别占20%的棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱，
AB3-棉纤维含量分别占30%的棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱，
AB4-棉纤维含量分别占40%的棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱，
AB5-棉纤维含量分别占50%的棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱，
AB6-棉纤维含量分别占60%的棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱，
AB7-棉纤维含量分别占70%的棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱，
AB8-棉纤维含量分别占80%的棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱；
AB9-棉纤维含量分别占35%的棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱，
AB10-棉纤维含量分别占45%的棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱。
具体实施方式
一种采用近红外光谱直接定量测量化工生产中的配方调和、纺织品混纺、食品勾兑等二元混合体系的方法，该方法是通过光谱仪分别采集组分a的近红外光谱A、组分b的近红外光谱B、二元混合体系ab的近红外混合光谱AB，建立移动窗口，选择组分b的近红外光谱B，在移动窗口内，将移动窗口从该近红外光谱B的左端向右移动，分别计算近红外光谱B与近红外混合光谱AB的夹角，得到系列夹角值，并求取系列夹角值的方差D；分别计算近红外光谱B与组分b在不同含量下的近红外混合光谱AB的系列方差Di；绘制组分b的不同含量与系列方差Di的标准曲线，根据标准曲线，即可确定待测二元混合体系ab中组分a和组分b的配比，实现被测物的组分定量。
该方法包括以下步骤：
S1. 通过光谱仪分别采集组分a的近红外光谱A、组分b的近红外光谱B、二元混合体系ab的近红外混合光谱AB，根据近红外混合光谱AB包含的波长点数，取其一半建立移动窗口；
S2. 选择二元混合体系中的组分b的近红外光谱B，在移动窗口内，将移动窗口从该近红外光谱B的左端向右移动，分别计算近红外光谱B与近红外混合光谱AB的夹角，得到系列夹角值；
S3.求取该系列夹角值的方差D；
S4. 选择组分b在不同含量下的近红外混合光谱AB，重复步骤S 1至S 3，分别计算近红外光谱B与组分b在不同含量下的近红外混合光谱AB的系列方差Di；
S5.绘制组分b的不同含量与系列方差Di的标准曲线；
S6.根据标准曲线，即可确定混合光谱AB中组分a和组分b的配比，实现被测物的组分定量。
以下是本发明实施的具体例子
实施例一
一种采用近红外光谱直接定量测量棉/粘胶混纺纤维二元混合体系的方法，在棉/粘胶混纺纤维二元混合体系中，组分a为粘胶纤维，组分b为棉纤维，二元混合体系ab为棉/粘胶混纺纤维，该方法包括以下步骤：
S1. 通过光谱仪分别采集组分a——粘胶纤维的近红外光谱A、组分b——棉纤维的近红外光谱B、二元混合体系ab——棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱AB，如图1，包含了纯粘胶纤维的近红外光谱A和纯棉纤维的近红外光谱B，以及棉纤维含量分别占10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%的棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱AB；
在棉/粘胶混纺纤维的近红外混合光谱AB中选择差异相对显著的1480-1650nm波段，根据所包含的波长点数，取其一半建立移动窗口；
S2. 选择棉纤维的近红外光谱B，将移动窗口从近红外光谱B的左端向右移动，计算近红外光谱B与近红外混合光谱AB的夹角，得到系列夹角值θ；
S3. 求取系列夹角值的方差D；
S4. 重复步骤S1至S3，分别计算近红外光谱B与棉纤维含量分别占10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%下的近红外混合光谱AB的系列方差Di；
S5. 绘制棉纤维的不同含量与系列方差Di的标准曲线，相关系数为0.9734，如图2；
S6. 另采集棉纤维含量分别为35%和45%的混纺纤维光谱，如图3。计算光谱1480-1650nm波段的D值分别为1.084×10-3和1.419×10-3，代入标准曲线y=3.151×10-3 x-3.113×10-5，得x分别为35.4%和46.0%，与真实值相对误差分别为1.1%和2.2%。
纤维样品由于蓬松度和排列存在很大的随机性，直接影响光谱信号的质量。从系列样本的光谱中可以看出，光谱强弱高低与样本的含量不存在确定对应关系，只在光谱形状细节上存在差异，无法按照反射率等强度响应值定量。采用本发明解决了纤维样品近红外测量的关键问题，实现快速测定棉/粘胶混纺纤维的组成配比，结果精度和准确度较好。
Claims (2)
1.一种采用近红外光谱直接定量测量二元混合体系的方法，其特征在于：该方法是通过光谱仪分别采集各组分的近红外光谱、二元混合体系ab的近红外混合光谱AB，建立移动窗口，选择组分b的近红外光谱B，在移动窗口内，将移动窗口从该近红外光谱B的左端向右移动，分别计算近红外光谱B与近红外混合光谱AB的夹角，得到系列夹角值，并求取系列夹角值的方差D；分别计算近红外光谱B与组分b在不同含量下的近红外混合光谱AB的系列方差Di；绘制组分b的不同含量与系列方差Di的标准曲线，根据标准曲线，即可确定待测二元混合体系ab中组分a和组分b的配比，实现被测物的组分定量。
2.根据权利要求1所述的一种采用近红外光谱直接定量测量二元混合体系的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1. 通过光谱仪分别采集组分a的近红外光谱A、组分b的近红外光谱B、二元混合体系ab的近红外混合光谱AB，根据近红外混合光谱AB包含的波长点数，取其一半建立移动窗口；
S2. 选择二元混合体系中的组分b的近红外光谱B，在移动窗口内，将移动窗口从该近红外光谱B的左端向右移动，分别计算近红外光谱B与近红外混合光谱AB的夹角，得到系列夹角值；
S3.求取该系列夹角值的方差D；
S4. 选择组分b在不同含量下的近红外混合光谱AB，重复步骤S 1至S 3，分别计算近红外光谱B与组分b在不同含量下的近红外混合光谱AB的系列方差Di；
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