巨哥科技近紅外光譜儀性能評測與塑料分類應用

MEMS 2021-10-16 00:00

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本報告分兩部分：第一部分為巨哥科技SG1700微型光譜儀與某進口NIR光譜儀模塊的對比測試，由北京工商大學吳靜珠教授課題組設計并完成；第二部分使用SG1700進行塑料成分建模，在所能獲取的樣本中達到100%的分類準確度，該部分由巨哥科技完成。

PART 1

NIR光譜儀性能評測對比

本實驗主要評估吸光度重復性、波長準確性、波長重復性。光譜測試系統(tǒng)分別基于巨哥科技SG1700微型光譜儀與某進口NIR光譜儀模塊搭建，采用透射測樣方式，使用相同的可調光源、樣品測試架以及比色皿，波長范圍均為900-1700nm。實驗裝置如圖1、圖2所示，圖中紅框為光譜儀模塊。

圖1（左圖）為SG1700光譜系統(tǒng)實物連接圖

圖2（右圖）為某進口光譜系統(tǒng)實物連接圖

一：吸光度重復性實驗

吸光度A=lg（1/T)，其中T為透射率。本實驗在同一條件下對同一樣本連續(xù)進行多次光譜測量，用整個光譜區(qū)間或某一特征譜峰的吸光度標準差來衡量重復性。本實驗分別以純凈水和75%醫(yī)用酒精為實驗樣本，采用上述兩套光譜系統(tǒng)，每隔10分鐘掃描測樣本1次，每天測試6小時，連續(xù)測試2天，通過計算整個光譜區(qū)間的吸光度標準差來分析儀器穩(wěn)定性。

圖3 SG1700重復測量水的吸光度標準差

圖4 某進口光譜儀重復測量水的吸光度標準差

圖3為SG1700重復測量水的吸光度標準差，圖4為某進口光譜儀重復測量水的吸光度標準差。SG1700的測量標準差遠小于某進口光譜儀模塊。

圖5 SG1700重復測量酒精的吸光度標準差

圖6 某進口光譜儀重復測量酒精的吸光度標準差

圖5為SG1700重復測量酒精的吸光度標準差，圖6為某進口光譜儀重復測量酒精的吸光度標準差。SG1700的測量標準差遠小于某進口光譜儀模塊。

本實驗中對全光譜進行吸光度標準差計算，包含了全光譜噪聲。巨哥科技自測時針對特征峰進行吸光度標準差計算，測量水的吸光度重復性優(yōu)于3x10^-4.

二：波長準確性和重復性實驗

波長準確性是指儀器測定標準物質某一譜峰的波長與該譜峰的標定波長之差，波長準確性對保證近紅外光譜儀間的模型傳遞非常重要。波長重復性是指對標準物質進行多次掃描獲得的譜峰位置差異，用標準偏差表示。波長重復性是體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的重要指標，影響最終分析結果的準確性。

本實驗用于校準光譜儀波長專用的鑫旭光電科技的近紅外（稀土）波長濾光片（圖7），使用其中5個特征吸收峰，1524.0nm、1464.4nm、1362.9nm、1220.5nm、1068.3nm。

圖7 近紅外波長濾光片實物圖及標準片吸收峰

實驗采用上述兩套光譜系統(tǒng)測量標準片特征峰，每間隔10分鐘掃描測樣本1次，每天測試6小時，連續(xù)測試2天。圖8為吸光度譜圖。由圖可見，SG1700的吸光度值高于某進口光譜儀模塊。

圖8 吸光度譜圖（藍色對應SG1700，黃色對應某進口光譜儀模塊）

波長準確性和重復性數(shù)據(jù)見表1。圖9為測量5個標準波長的誤差，圖10為重復測量后統(tǒng)計的標準差，反映儀器的重復性。

表1 波長準確性和重復性分析表

藍色對應SG1700，黃色對應某進口NIR光譜儀模塊

圖9（左圖）測量5個波長的誤差均值(nm)

圖10（右圖）重復測量5個波長的標準偏差(nm)

SG1700測量準確性在3個波長高于、2個波長低于某進口光譜儀。由于SG1700采用標準譜線光源進行波長標定，部分差異可能來自稀土濾光片的實際吸收峰與標準值的偏差，巨哥科技用標準譜線光源自測，全量程波長準確性優(yōu)于0.5nm。在重復性方面，SG1700在4個波長均顯著好于某進口光譜儀模塊，在1個波長略有不足。巨哥科技用標準譜線光源自測，全量程波長重復性優(yōu)于0.1nm。

小結

本實驗分別從吸光度重復性、波長準確度和波長重復性三個方面進行測試，SG1700穩(wěn)定性和準確性表現(xiàn)優(yōu)異，掃描速度快，并且有高靈敏度和低靈敏度模式，積分時間和平均次數(shù)可以調節(jié)。在相同照明光強下獲取相同信噪比，SG1700的掃描時間比某進口光譜儀模塊快1~2個數(shù)量級，達到毫秒級，可用于實時在線的成分分析。

PART 2

塑料建模與分類實測

一：建模

使用SG1700微型光譜儀采集5種塑料光譜進行建模，具體步驟為：

測量訓練集HDPE、PET、PP、PVC、ABS樣品各40個

對數(shù)據(jù)進行平滑等預處理

PCA降維選取主成分到解釋占比95%以上

使用支持向量機（SVM）模型建模

圖11 左右滑動查看樣品光譜采集圖集

圖12 PCA降維

二：模型實測

模型建立后，針對生活中實際樣本進行分類，包括：早餐豆花包裝、雪碧瓶子、雪碧瓶蓋、密封袋、實際PP零件、可口可樂包裝紙、可口可樂瓶蓋、可口可樂瓶身、農夫山泉包裝紙、農夫山泉瓶蓋、農夫山泉瓶身、銀行卡、校園卡、卡套、港臺通行證、身份證、計算器、剪刀柄、電子門卡、PVC管等，共200多種。使用上述模型對未知塑料進行分類識別，準確率達到100%。

三：模型遷移

根據(jù)本報告第一部分的評測結果，SG1700具有優(yōu)異的吸光度重復性、波長準確度和波長重復性，均有利于不同SG1700間模型的遷移。將建模使用SG1700光譜儀的模型直接遷移至其他SG1700光譜儀，對上述200多種塑料的分類準確率達到98%。

進一步提升遷移模型的準確性，可對每臺SG1700進行互校準。選取訓練集10%的樣本進行光譜互校準后，多臺SG1700的遷移模型對上述200多種塑料分類準確率均達到了100%。

PART 3

結論

巨哥科技SG1700微型光譜儀具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和一致性，靈敏度高，掃描速度快，可用于實驗室研究和實時在線檢測。使用SG1700建立的塑料分類模型預測準確度高，并可直接遷移至其他SG1700。使用SG1700進行化學成分定量分析的研究目前仍在開展。巨哥科技長期致力于先進光電儀器的開發(fā)，期待與各行業(yè)合作伙伴一起推動更多光譜分析應用的場景。