基于熱裂解及液滴分析技術(shù)的樹種識別初探

馮國紅，姜雪松，張 敏

(1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2.北京ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司，北京 100015)

木材是現(xiàn)代家庭普遍首選的裝飾裝修材料，不同樹種的家具，價格差異較大，因其而引起的用戶與供貨商，或者裝修公司之間的矛盾和糾紛屢見不鮮；此外，近年來，由于木材消耗的增長，我國從歐洲、東南亞、非洲和大洋洲等地區(qū)進(jìn)口木材的數(shù)量正在逐年大幅增長，樹種不符已成為我國進(jìn)口木材貿(mào)易中最常見的欺詐手法之一；同時，木材作為重要的工程和工業(yè)用材料，被大量地應(yīng)用在造紙、化工、紡織和船舶等行業(yè)，不同樹種的木材、性能各有不同。只有正確地鑒定出樹種，才能較好的解決裝修糾紛，維護(hù)消費(fèi)者利益，才能保證我國進(jìn)出口木材市場流通順暢，才能科學(xué)合理地利用木材資源。

現(xiàn)有的木材識別方法主要有兩大類[1-4]：一是手工識別，如微觀與宏觀結(jié)合的識別方法；二是計(jì)算機(jī)輔助識別，如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫識別法、計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像識別法、DNA識別法和近紅外光譜識別法等。手工識別主要依靠識別人的知識和經(jīng)驗(yàn)，容易出現(xiàn)不能識別或誤判的情況；計(jì)算機(jī)輔助識別方法相對手工識別有了很大的進(jìn)步，能夠消除人工因素的干擾，使得木材識別的結(jié)果更加客觀公正，但這些方法研究起步較晚，還存在很多不完善的地方有待挖掘，不能用于實(shí)際應(yīng)用。

液滴分析技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，其具有很強(qiáng)的液體識別能力，精度已經(jīng)達(dá)到能夠準(zhǔn)確識別在外觀、氣味和制備原料等方面都非常相似的液體，如七喜汽水和雪碧[5-8]。能否將液滴分析技術(shù)的這種識別能力應(yīng)用于樹種，這是很值得研究的課題。

應(yīng)用液滴分析技術(shù)識別樹種，首先需要將木材由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)。由文獻(xiàn)可知，熱裂解技術(shù)是目前世界上生物質(zhì)能研究的前沿技術(shù)之一。利用該技術(shù)可將木粉顆粒轉(zhuǎn)化為醇類、可燃性油或其他帶有特定官能團(tuán)的化合物，即可將木材由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)[9-11]?；诖耍疚奶岢龌跓崃呀夂鸵旱畏治黾夹g(shù)對樹種識別進(jìn)行研究。

1 樹種識別的原理

現(xiàn)有的液滴分析方法主要有：光纖液滴分析法、電容液滴分析法、光纖-電容液滴分析法和圖像液滴分析法等，其中光纖液滴分析法得到的“光纖液滴指紋圖”具有細(xì)微識別液體的能力，裝置實(shí)現(xiàn)較簡單?；诖耍疚睦脽崃呀饧肮饫w液滴分析法對樹種識別進(jìn)行了研究，其原理框圖如圖1所示。

圖1 液滴分析技術(shù)識別樹種的原理框圖

木粉顆粒經(jīng)熱烈解裝置高溫加熱、冷凝處理、濾除雜質(zhì)后轉(zhuǎn)化為液體。將此液體由供液泵通過毛細(xì)管向滴頭供液，在滴頭處形成形狀飽滿、均勻的液滴。

在液滴形成至滴落的過程中，由光纖傳感器、光纖信號處理電路和計(jì)算機(jī)等記錄下液滴剛開始形成到滴落全過程的光纖信號變化曲線，即“光纖液滴指紋圖”。此液滴指紋圖在一定測試系統(tǒng)條件下，具有唯一性?？赏ㄟ^得到不同樹種的液滴指紋圖，提取特征，對樹種進(jìn)行識別。

2 流速確定實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

理論上，光纖傳感器在記錄液滴生長過程時，應(yīng)該是在供液泵供液一段時間后停止供液，液滴處于平衡狀態(tài)時，采集輸出光纖中的信號；供液泵再進(jìn)行供液，然后停止，再采集；如此反復(fù)，直至液滴滴落。實(shí)際中，供液泵是連續(xù)工作的，液滴一直處于動態(tài)生長過程，若液滴的生長過程不出現(xiàn)抖動，保持流暢狀態(tài)，則由于數(shù)據(jù)采集速度較快，能夠得到重復(fù)性好的液滴指紋圖，可用于液體的識別。本文中，木材經(jīng)過熱裂解裝置液化后，得到的液體比較粘稠，此粘稠液體的液滴生長過程能否保持穩(wěn)定、流暢，對于能否應(yīng)用液滴分析技術(shù)識別樹種及相應(yīng)儀器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為此本文進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：將紅松木粉在380℃下進(jìn)行蒸發(fā)，冷凝，濾除雜質(zhì)，得到待測液體。采用天津大學(xué)裘祖榮教授設(shè)計(jì)的光纖液滴分析儀對該液體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

考慮到流速對于液滴生長的穩(wěn)定性有一定的影響，本文采用Razel公司生產(chǎn)的A-99型號供液泵。該泵共有99種流速可供選擇，可通過撥動儀器右下角的兩個數(shù)字鍵來選擇合適的流速。

本文采用容積為10 ml的注射器，將供液泵流速分別設(shè)置為第35種(13.9 ml/h)、第45種(17.9 ml/h)、第55種(21.8 ml/h)、第65種(25.8 ml/h)和第75種(29.8 ml/h)，對待測液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的光纖液滴指紋如圖2所示。

(a)第35種流速

(b)第45種流速

(c)第55種流速

(d)第65種流速

(e)第75種流速

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，供液泵的供液速度設(shè)置在第65種流速時得到的光纖液滴指紋圖重復(fù)性好，另外幾種流速得到的液滴指紋圖重復(fù)性不夠理想，出現(xiàn)了液滴指紋圖較凌亂的現(xiàn)象。通過觀察液滴的形成過程發(fā)現(xiàn)，由于木材液化后得到的液體比較粘稠，在液滴體積逐漸增大及滴落的瞬間，有時候會出現(xiàn)液滴抖動的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致采集的液滴指紋圖重復(fù)性較差。

由此可見，采用液滴分析技術(shù)進(jìn)行樹種識別時，需要設(shè)計(jì)好供液泵的供液速度，或選用專用于注射粘稠液體的供液泵，以保證獲得重復(fù)性理想的液滴指紋圖。

3 樹種識別實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證液滴分析技術(shù)識別樹種的能力，本文對與紅松特征相近的白松進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。將白松木粉同樣在380℃下進(jìn)行蒸發(fā)，冷凝，濾除雜質(zhì)，對得到的液體在流速為第65種下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了便于觀察及對比液滴指紋圖的細(xì)節(jié)，這里分別給出了紅松和白松液化后2滴液滴的液滴指紋圖，如圖3和圖4所示。

圖3 紅松的兩滴液滴的液滴指紋圖

圖4 白松的兩滴液滴的液滴指紋圖

比較圖3和圖4的光纖液滴指紋圖，可以看出二者在形狀上有較大的區(qū)別。紅松得到的液滴指紋圖包含的信息更豐富，從液滴剛開始形成到滴落，光纖信號一直在變化；而白松得到的液滴指紋圖僅在液滴生長到較大體積時才有信號。通過提取液滴指紋圖的特征，可實(shí)現(xiàn)紅松和白松的識別?？梢?，利用液滴分析技術(shù)識別樹種有一定的可行性。

4 結(jié)論與展望

本文利用光纖液滴分析技術(shù)對樹種識別進(jìn)行了探索性研究，通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)由于木材液化后得到的液體比較粘稠，需要選擇合適的流速，使液滴的形成過程具有一定的重復(fù)性，便于液滴指紋圖的采集與對比。對于紅松和白松，選擇第65種流速，可得到重復(fù)性好的液滴指紋圖。

(2)通過比較特征相似的白松和紅松的液滴指紋圖，可以看出二者有明顯的不同，說明利用液滴分析技術(shù)識別樹種有一定的可行性。

今后通過對多種樹種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到各個樹種的液滴指紋圖，通過比較、提取指紋圖特征、建立數(shù)據(jù)庫等，有望為樹種識別提供一種新的、準(zhǔn)確性高的識別方法。

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