近紅外光譜儀性能評測與塑料分類應(yīng)用

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(xué)吳靜珠教授課題組設(shè)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。

一、NIR光譜儀性能評測對比
本實驗主要評估吸光度重復(fù)性、波長準確性、波長重復(fù)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(diào)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，圖中紅框所示為光譜儀模塊。

1）吸光度重復(fù)性實驗
吸光度 ，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(fù)性。本實驗分別以純凈水，75%醫(yī)用酒精為實驗樣本，采用上述兩套光譜系統(tǒng)，每間隔10分鐘掃描測樣本1次，每天測試6小時，測試連續(xù)測試2天，實驗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為SG1700重復(fù)測量水的吸光度標準差，圖4為某進口光譜儀重復(fù)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為SG1700重復(fù)測量酒精的吸光度標準差，圖6為某進口光譜儀重復(fù)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。

2）波長準確性和重復(fù)性實驗
波長準確性是指儀器測定標準物質(zhì)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(fù)性是指對標準物質(zhì)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(fù)性是體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的重要指標，影響最終分析結(jié)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。

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，藍色曲線對應(yīng)SG1700，黃色曲線對應(yīng)某進口光譜儀模塊。由圖可見，SG1700的吸光度值高于某進口光譜儀模塊。

波長準確性和重復(fù)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(fù)測量后統(tǒng)計的標準差，反映儀器的重復(fù)性。

(藍色數(shù)值為SG1700數(shù)值，黃色數(shù)值為某進口NIR光譜儀模塊數(shù)值）

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采用標準光源進行波長標定，部分差異可能來自標準光源和濾光片之間的波長差異。在重復(fù)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(fù)性優(yōu)于0.1nm。

3）結(jié)論
本實驗分別從吸光度重復(fù)性、波長準確度和波長重復(fù)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(diào)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。

二、 塑料建模與分類實測
1）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：
a) 測量訓(xùn)練集HDPE、PET、PP、PVC、ABS樣品各40個
b) 對數(shù)據(jù)進行平滑等預(yù)處理
c) PCA降維選取主成分到解釋占比95%以上
d) 使用支持向量機（SVM）模型建模

2） 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(nóng)夫山泉包裝紙、農(nóng)夫山泉瓶蓋、農(nóng)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%。

3）模型遷移
根據(jù)本報告第一部分的評測結(jié)果，SG1700具有很好的吸光度重復(fù)性、波長準確度和波長重復(fù)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(xùn)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達到了100%。

三、 結(jié)論
巨哥科技SG1700微型光譜儀具有很好的穩(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(yù)測準確度高，并可直接遷移至其他SG1700。使用SG1700進行化學(xué)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)，愿與各行業(yè)的合作伙伴一起推動更多應(yīng)用的開發(fā)。

審核編輯：符乾江