基于紅外光譜的紡織品纖維質(zhì)量檢驗正交實驗方案設(shè)計研究

謝燕利

（桂平市公共檢驗檢測中心，廣西 貴港 537200）

紡織品纖維質(zhì)量檢驗技術(shù)在近年來得到了快速發(fā)展，在紡織品纖維成分檢驗中，及時排除檢驗影響因素，對于提升質(zhì)量檢驗的精準性有著十分重要的意義。為研究紡織品纖維質(zhì)量檢驗的影響因素，在正交實驗中，分別從檢驗儀器、檢驗環(huán)境、檢驗人員、樣品抽樣四個方面設(shè)計方案，根據(jù)得到的結(jié)果，繪制紅外光譜圖和測量吸收峰測量，并對方案進行驗證和優(yōu)化。

1 不同檢驗因素對紡織品纖維質(zhì)量的影響

1.1 紡織品纖維質(zhì)量檢驗因素實施方案

檢驗儀器、檢驗環(huán)境、樣品抽樣、檢驗人員等因素可能會對紅外光譜紡織品纖維質(zhì)量檢驗的結(jié)果造成影響，為了分析不同影響因素對紅外光譜紡織品纖維質(zhì)量檢驗結(jié)果的影響程度，本研究采用正交實驗的方法，對不同水平下各個影響因素進行了排列組合，針對木棉和粘膠纖維進行了紅外光譜正交實驗方案的設(shè)計，探明關(guān)鍵的拐點位置，試驗方案設(shè)計時考慮的因素與試驗方案如表1 所示。

表1 紡織品纖維質(zhì)量檢驗因素實施方案

1.2 具體方案

對紅外光譜紡織品纖維質(zhì)量檢驗，分別采用纖維材料便攜式紅外光譜儀BOKIR 1S、纖維材料便攜式紅外光譜儀i-Spec Plus 進行三因素兩水平的L8（27）正交試驗設(shè)計，粘膠纖維和木棉正交試驗設(shè)計，共32 組[1]。

正交試驗，2 次平行實驗為一組，共為16 組，算出平均值。設(shè)計正交實驗，為分析質(zhì)量檢驗因素明確試驗條件，并根據(jù)得出各自培養(yǎng)條件得到具體的檢驗方案。

1.3 數(shù)據(jù)采集

通過對木棉纖維的顏色、疏密度、厚度等物理特性的基礎(chǔ)上，在采集樣品的紅外光譜數(shù)據(jù)時，在標準白板上平壓織物，以保證樣本信息能盡可能地被儀器所接受。為了盡可能地降低測量誤差，本試驗中的數(shù)據(jù)采集單詞掃描次數(shù)是16 次，且積分時間為400 s，在光路穩(wěn)定的情況下開展數(shù)據(jù)采集。

1.4 數(shù)據(jù)處理

在本試驗中，為了更好地進行線性回歸分析，首先對光譜進行了預(yù)處理。首先對原始光譜采用常見的方案分貝實施預(yù)處理，再對預(yù)處理的光譜數(shù)據(jù)采用折一法進行交互驗證，且在交互驗證時采用的平滑法最具有科學(xué)性，能有效地將光譜數(shù)據(jù)中的隨機噪聲的信噪比消除。在預(yù)處理的基礎(chǔ)上，及時剔除奇異的樣品。即在紅外光譜定量分析中利用樣品數(shù)量建立了線性回歸方法建模，且結(jié)合所建模型來預(yù)測未參與建模的成分信息已知的樣品開展預(yù)測，再結(jié)合預(yù)測結(jié)果評價和分析模型性能。本試驗中采用的是最小半球體積法來剔除異常樣品，對36 個樣品中的異常數(shù)據(jù)剔除后，采用杠桿值開展綜合分析。其中異常的樣品分別為9 號（第二次）和15 號（第一次），對剩余的34 個樣品重新編號，設(shè)為1-34 的編號，為測量紅外光譜吸收峰奠定了基礎(chǔ)。

2 紅外光譜吸收峰測量

由于不同的物質(zhì)在分子結(jié)構(gòu)上不同，當物質(zhì)和外部連續(xù)波長的光輻射作用時，會形成多種不同的吸收能級與特征吸收峰不同，只有測量紅外光譜吸收峰，才能更加精準地掌握特征峰的位置、強度。因此，本研究在對2 種樣品開展的36 次的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后，得到的34 種剩下的樣品數(shù)據(jù)，對特征峰與波數(shù)的關(guān)系進行了測定，詳見表2 和表3 所示。

表2 木棉的特征峰與波數(shù)的關(guān)系

表3 粘膠纖維的特征峰與波數(shù)的關(guān)系

紅外光譜的定量分析時，本試驗測量吸收峰的峰面積，記作A’，計算時采用基線校正后的峰面積值。峰面積測量必須限定吸收峰所包含的波數(shù)范圍，特征峰的峰面積為吸收峰光譜曲線和基線所包圍的面積[2]。

3 基于相似度的紡織品纖維質(zhì)量評定方案的設(shè)計

確定了紅外光譜檢驗的試驗方法以后，需要驗證其在紡織品纖維質(zhì)量評定過程中的可靠性，本研究對紅外光譜檢驗結(jié)果與其他常規(guī)的部分紡織品纖維質(zhì)量判定指標之間的相關(guān)性展開研究，并提出合理的紅外光譜紡織品纖維質(zhì)量檢驗評價指標。本試驗基于木棉提出相似度的指標對木棉進行質(zhì)量評定。試驗時，對木棉樣品進行了紅外光譜紡織品纖維質(zhì)量檢驗，將其紅外光譜圖作為標準圖譜，對檢驗樣品進行紅外光譜紡織品纖維質(zhì)量檢驗，將其紅外光譜圖與樣品的紅外光譜圖進行比對，通過對比分析軟件，對不同圖譜的相似度進行分析，從而對木棉的質(zhì)量進行快速評定。對木棉和粘膠纖維的常規(guī)指標進行分析，主要對全套指標、組分試驗、分級試驗。探索建立紅外光譜檢驗結(jié)果與部分紡織品纖維質(zhì)量判定指標的相關(guān)關(guān)系。考慮到試驗規(guī)程中組分試驗的復(fù)雜程度，為了消除試驗誤差，通過快速檢驗方法進行對比。試驗方案詳見表4。

表4 紡織品質(zhì)量試驗方案

對通過紅外光譜檢驗相似度結(jié)果達不到要求的木棉，本研究對組分、分級指標、全套指標等試驗進行驗證和分析。若常規(guī)試驗結(jié)果有差異，探討分析紅外光譜圖與常規(guī)試驗指標之間的相關(guān)性；若常規(guī)試驗檢驗結(jié)果正常，說明紅外光譜識別技術(shù)相對常規(guī)試驗指標具有很好的區(qū)分度。例如在上述試驗中，分別對木棉、粘膠纖維進行紅外光譜檢驗，共檢驗樣品32 個，按照相似度進行評價，相似度滿足要求占62.5%（20 個樣品滿足相似度≥95%）。在實際分析中，結(jié)合吸光度和波數(shù)，根據(jù)所需檢測的指標進行判定，驗證試驗方案的可行性[3]。

4 方案驗證實踐

4.1 制備樣品

在本研究中，收集了木棉、粘膠纖維的代表性樣品，每種10份，在恒溫恒濕的環(huán)境下備用。

4.2 采集數(shù)據(jù)

把2 種樣品裝入紅外光譜測試專用的樣品瓶中采集光譜，確保裝樣厚度≥10 mm，并確保二者的密實度一致。再借助紅外光譜儀將其與指導(dǎo)穩(wěn)定狀態(tài)的基礎(chǔ)上，掃描時采取積分球漫反射模式，以其獲得紅外光譜，且每條光譜信號掃描32 次，以盡可能地降低由于纖維成分差異對實驗結(jié)果帶來的影響[4]。

4.3 結(jié)果分析

第一步，對光譜數(shù)據(jù)實施預(yù)處理環(huán)節(jié)，首先是采取定性分析的方式，將兩種樣品光譜分別于標準光譜對比，從而對樣品的成分、種類進行判斷。在確保所采集光譜不含噪聲和無關(guān)信息的基礎(chǔ)上，采取化學(xué)計量學(xué)方法，即以特征峰作為成分分析方法。但是光譜采集中的噪聲需要開展光譜處理。比如通過平滑處理，也可以通過基線校正，校正多元散射，校正標準正態(tài)變量等方法。在本試驗中，主要是采取一階導(dǎo)數(shù)與矢量歸一化技術(shù)實施光譜預(yù)處理，得到的導(dǎo)數(shù)光譜能有效消除干擾，使得重疊峰得以分辨，在保證分辨率的同時提升了靈敏度。

第二步，在選擇波長時，因為發(fā)現(xiàn)木棉、粘膠纖維的紅外光譜特征較為明顯，不管是峰的數(shù)量還是曲線走線都相對類似，要想直觀鑒別和分類的難度較大。所以在光譜數(shù)據(jù)分析時，所選的波長采用了簡化的模型，并將不相關(guān)和非線性變量提出后，得到的校正模型的穩(wěn)健性更好，預(yù)測能力也更強。本項目中采用的簡化模型是基于逐步回歸算法，將對輸出結(jié)果存在顯著影響的變量逐一輸入后，對輸入的新變量進行逐一檢驗和剔除不顯著變量，通過多次選入和檢驗以及剔除處理，直到無法選入和剔除后停止。由于光譜儀采集的數(shù)據(jù)較多，若直接輸入，會出現(xiàn)過度擬合的情況，導(dǎo)致預(yù)測的適應(yīng)能力下降，所以本試驗中針對木棉、粘膠纖維選擇的波段分別是3 000～4 000 cm-1和4 100～5 500 cm-1，使得本研究建立的矯正模型更具有針對性。

第三步，在定性判別過程中，按照上述的方案，采用歐式距離標準法時，為一種監(jiān)督模式識別的方法。即計算樣品光譜與標準光譜之間的歐式距離，達到對樣品類型判別的目的。在計算過程中，本項目選擇的木棉、粘膠纖維的歐式距離計算詳見式（1）：

其中，D代表歐式距離，a（k）和b（k）分別代表木棉、粘膠纖維各自的2 種光譜圖在光譜波數(shù)k點縱坐標的值。結(jié)合結(jié)果得到鑒別模型置信的水平，最終得到鑒別模型的閾值。具體詳見式（2）：

其中，Dr代表木棉、粘膠纖維樣品的光譜分布閾值，Dmax代表木棉、粘膠纖維樣品最大的歐式距離，So代表木棉、粘膠纖維樣品距離分布標準偏差值，x代表缺省值，通常范圍為0.25～1.00。

由此可見，x大小關(guān)系著鑒別模型置信水平，若x過小，在同類物質(zhì)鑒別時，容易出現(xiàn)誤判，反之，x過大，在不同類物質(zhì)鑒別時，也容易出現(xiàn)誤差。所以x的取值，就是保證同類樣品距離比該閾值要小，但是不同類光譜距離則需要比該閾值要大。當選定閾值后，再建立相應(yīng)的鑒別模型，本項通過反復(fù)研究后，取x的值為0.75 時的置信水平最高[5]。

5 結(jié)語

紅外光譜的紡織品纖維質(zhì)量檢驗正交實驗方案，主要是從紅外光譜的視角，設(shè)計科學(xué)的檢測方案，需要從紅外光譜吸收峰測量為切入點，設(shè)計評定方案，并通過制備樣品、采集數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，對方案的科學(xué)性進行驗證，以確保紡織品纖維檢驗的科學(xué)性和有效性。