CN106525756A - 一种木材种类快速鉴定的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种木材种类快速鉴定的装置，包括：128线元非制冷铟镓砷(InGaAs)二极管探测器阵列用于光子的探测；控制电路用于电路调控和温度补偿功能；USB2.0接口用于数据传输和设备充电；线性渐变滤光片分光系统用于不同波长光谱的展开；光学变换系统实现光子的聚焦和平行发射；双集成真空钨灯光源模块用于发射近红外光；样品采集窗口用于放置样品；环形垫圈用于抑制杂散光进入检测探测器；聚四氟乙烯反射盖用于将携带样品信息的光反射回检测器。本发明还公开了一种利用所述的木材种类快速鉴定的装置的识别模型构建方法。本发明实现了对木材种类的快速、实时、无损、准确检测识别，检测成本低，无环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及木材材种鉴定领域，特别涉及一种基于光谱技术的木材种类快速鉴定的装置及方法。
背景技术
木材鉴定经历了从人工手工到计算机辅助鉴定的发展过程，包括传统的人工鉴定、检索鉴定和计算机图像鉴定等等。目前使用最为广泛的还是传统的人工鉴定，其依据木材的外观特征和解剖特征，主要通过观察木材宏观或微观特征将木材鉴定到属或种的过程。木材的宏观鉴定主要是通过木材颜色、气味、滋味、纹理等特点来判别木材，其中有很强的主观因素的影响。木材微观鉴定技术主要是通过制作木材多个截面的切片，在显微镜下进行观察和记录木材组织与细胞形态与排列等微观构造特征，之后与标准木材切片的特征进行比对分析，最后实现木材的准确鉴定。一般情况下传统的木材鉴定方法无法全部鉴定到种和产地，而且需要专业技术人员具有丰富的经验，并在实验室内进行大量的制样、显微切片观察和分析等工作，耗时长，专业人员也难以在现场进行大批量的检测。面对广阔且快速发展的木材进出口流通及贸易市场，上述鉴定方法很难满足市场的需要。因此，寻找一种科学、快速、准确地鉴定木材树种的技术方法可为规范市场和保证产品质量提供服务，具有重要的现实意义。
近年来，随着科学技术的发展，一些新的木材鉴定方法，如DNA标记技术、稳定同位素分析技术和近红外光谱技术等在木材鉴定中也得到了应用。DNA标记木材鉴定技术是根据不同的木材树种或不同产地来源的木材树种的DNA所具有的特征不同，通过区分木材树种特有的DNA片段来鉴定木材的归属和产地，直到2007年，德国林业研究所的Degen利用DNA标记技术已经对6个杨树树种进行了成功鉴定，但是，这种方法在木材树种DNA的提取和扩增等方面还存在一定的技术问题有待解决。稳定同位素分析技术是通过分析已知木材中的稳定元素，如碳、氧、氢、氮、硫等稳定同位素的比率来推断木材的原产地，研究结果表明，在北欧木材中有机物所含氢的D/H比率，可以跟踪该木材产地，而同时利用D/H和18O/16O的比率，跟踪原产地更加准确，但在热带地区，似乎还比较困难。这些技术大都需要一套特定的昂贵设备，且操作需要一定的基础和熟练度，很难进行现场快速检测的推广，一般仅限用于实验室检测。
发明内容
本发明提供了一种木材种类快速鉴定的装置和方法，在保证木材样品基本无损的情况下，可以通过采集木材表面光谱，实现木材种类的快速有效识别，多模型筛选的应用保证木材种类的100％识别，操作简单，科学指导材种鉴定。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种一种木材种类快速鉴定的装置，包括：
温湿度显示模块、探测器阵列、控制电路模块、USB2.0接口模块、分光系统、电池模块、光学聚焦透视镜模块、光源模块、样品采集窗口、触摸屏、环形垫圈、聚四氟乙烯反射盖；
其中，所述温湿度显示模块将显示当前环境的温湿度；所述探测器阵列用于接受从光照模块发射出的光经反射盖反射回来的反射信息；所述控制电路模块用于对电路进行调控和温度补偿；所述USB2.0接口模块用于数据传输和设备充电；所述分光系统用于将光源发出的光按照不同的波长进行分散；所述电池模块为设备提供电源；所述光学聚焦透镜模块将反射光变成平行光；光源模块用于发射近红外波段范围的光；所述样品采集窗口用于放置样品进行光谱采集；所述触摸屏用于测量结果及定位信息的显示和保存；所述环形垫圈用于抑制杂散光进入检测装置；所述聚四氟乙烯反射盖用于将携带样品信息的光反射回检测器。
所述光照模块包括在光路上按照特定的角度布置低功率真空卤素灯，覆盖波长范围为：950–1650nm，两盏灯对称布置在检测器两侧。
优选的，每盏卤素灯光源的光轴沿光路方向与所述圆环形的轴线成45度夹角。
优选的，所述光谱采集模块包括接收样品反射光的光学变换模块以及接收该变换模块所传送光子的探测器阵列。
优选的，所述输出光学变换模块，实现光子的聚焦和平行发射，将光子信息传送到光敏传感器，模块均位于检测装置内部。
一种木材种类快速鉴定的装置测定木材种类的方法，包括以下步骤：
(1)利用所述装置测定木材光谱，直接将装置对着木材表面进行采集；
(2)在同一木材表面上至少选择3个检测点，所述光照模块向这些检测点发送检测光，利用光谱采集模块采集每个检测点处在波长为950–1650nm范围内所对应的木材表面的反射率；
(3)将上述检测点采集的光谱信息输入控制单元，控制单元对几个检测点光谱求平均，平均光谱作为最终的分析光谱X；
(4)将所得平均光谱X输入控制单元，控制单元将X带入木材材种模型中，最后依据模型对光谱X的判别结果，最终计算得到木材种类。
本发明实现了对木材种类的有效识别，检测快速准确，检测成本低，无环境污染。
附图说明
图1为本发明一种木材种类快速鉴定的装置示意图；
图2为本发明一种木材种类快速鉴定的装置光照模块示意图；
图3为采用本发明装置光谱采集环形软性遮光圈和聚四氟乙烯反射盖示意图；
图4为采用本发明装置采集的58种木材反射率光谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种木材种类快速鉴定的装置做详细描述。
如图1所示：用于测定木材种类快速鉴定的装置包括：
温湿度显示模块1用于显示当前环境的温湿度；
探测器阵列2用于接受从光照模块8发射出的光经反射盖12反射回来的反射信息；控制电路模块3用于对电路进行调控和温度补偿；
USB2.0接口模块4用于数据传输和设备充电，最高速度(480Mb/s)；分光系统5用于将光源发出的光按照不同的波长进行分散。电池模块6为设备提供电源，续航能力大于6小时；光学聚焦透镜模块7，用于将反射光变成平行光；
如图2所示：光源模块8用于发射近红外波段范围的光，采用双集成真空钨灯，两盏灯对称分布在装置顶端呈45度；
样品采集窗口9用于放置样品进行光谱采集，起到保护光源和固定光程的作用；
如图3所示：触摸屏10用于测量结果及定位信息的显示和保存；环形垫圈11用于抑制杂散光进入检测装置；聚四氟乙烯反射盖12用于将携带样品信息的光反射回检测器。
本发明所述的光照模块8、光谱采集模块以及控制单元3均为用电部件，为了保证光照模块8、光谱采集模块以及控制单元3的正常工作，在没有特殊说明的前提下应当理解为光照模块8、光谱采集模块以及控制单元3均连接有相匹配的电源，光照模块8、光谱采集模块以及控制单元3可以采用同一便携式电源模块6，也可以根据实际需要单独设置电源，或者是通过光照模块8、光谱采集模块以及控制单元3之间的电路实现电源信号的传递。各用电部件之间的空间位置关系没有严格限制，但为了便于加工和安装尽可能的采用集成度较高的电路布置。
利用上述的测定木材种类快速鉴定的装置测定木材种类的方法，包括以下步骤：
(1)利用所述装置测定木材表面光谱，测量时直接将装置对着木材表面；
(2)在同一木材表面上至少选择3个检测点，所述光照模块向这些检测点发送检测光，利用光谱采集模块采集每个检测点处在波长为950–1650nm范围内所对应的木材的反射率；
(3)将上述检测点采集的光谱信息输入控制单元，控制单元对几个检测点光谱求平均，平均光谱作为最终的分析光谱X(图4)；
(4)将所得平均光谱X输入控制单元，控制单元分别将X带入木材材种模型中，最后依据模型对光谱X的判别结果，最终计算得到木材种类。
本发明实现了对木材种类的有效识别，检测快速准确，检测成本低，无环境污染。
利用本发明提供的方法建立模型的相关指标见表1，其中，模型1-4分别为簇类独立软模式法(SIMCA)、概率神经网络(PNN)、极限学习机(ELM)和支持向量机(SVM)一起建立的识别模型。结合不同的预处理方法，本发明提出的模型自动选择方法可以实现木材种类的最佳识别。
表1利用本发明方法对木材种类识别比较结果
Claims (5)
1.一种木材种类快速鉴定的装置，其特征在于，包括：
温湿度显示模块、探测器阵列、控制电路模块、USB2.0接口模块、分光系统、电池模块、光学聚焦透视镜模块、光源模块、样品采集窗口、触摸屏、环形垫圈、聚四氟乙烯反射盖；
其中，所述温湿度显示模块将显示当前环境的温湿度；所述探测器阵列用于接受从光照模块发射出的光经反射盖反射回来的反射信息；所述控制电路模块用于对电路进行调控和温度补偿；所述USB2.0接口模块用于数据传输和设备充电；所述分光系统用于将光源发出的光按照不同的波长进行分散；所述电池模块为设备提供电源；所述光学聚焦透镜模块将反射光变成平行光；光源模块用于发射近红外波段范围的光；所述样品采集窗口用于放置样品进行光谱采集；所述触摸屏用于测量结果及定位信息的显示和保存；所述环形垫圈用于抑制杂散光进入检测装置；所述聚四氟乙烯反射盖用于将携带样品信息的光反射回检测器。
所述光照模块包括在光路上按照特定的角度布置低功率真空卤素灯，覆盖波长范围为：950–1650nm，两盏灯对称布置在检测器两侧。
2.如权利要求1所述的木材种类快速鉴定的装置，其特征在于，每盏卤素灯光源的光轴沿光路方向与所述圆环形的轴线成45度夹角。
3.如权利要求1所述的木材种类快速鉴定的装置，其特征在于，所述光谱采集模块包括接收样品反射光的光学变换模块以及接收该变换模块所传送光子的探测器阵列。
4.如权利要求3所述的木材种类快速鉴定的装置，其特征在于，所述输出光学变换模块，实现光子的聚焦和平行发射，将光子信息传送到光敏传感器，模块均位于检测装置内部。
5.一种利用如权利要求1～4任一所述的木材种类快速鉴定的装置测定木材种类的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用所述装置测定木材光谱，测量时直接将装置对着木材样品表面进行采集，采集点位于环形垫圈和聚四氟乙烯反射盖中间；
(2)在同一木材各面至少选择3个检测点，所述光照模块向这些检测点发送检测光，利用光谱采集模块采集每个检测点处在波长为950–1650nm范围内所对应的反射率；
(3)将上述检测点采集的光谱信息输入控制单元，控制单元对几个检测点光谱求平均，平均光谱作为最终的分析光谱X；
(4)将所得平均光谱X输入控制单元，控制单元分别将X带入木材识别模型中，最后依据每个模型对光谱X的判定结果带入模型，最终显示木材材种鉴定结果。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |