基于近红外光谱检测木材单板含水率装置设计与研究
这是一篇关于木材含水率,近红外光谱技术,微型近红外光谱采集装置,小型化,无损检测的论文, 主要内容为木材作为一种重要的材料,广泛应用于生活的方方面面,纤维素、半纤维素,木质素是组成木材的主要成分,而纤维素中存在大量-OH,-OH是亲水基团,所以木材对于水蒸气和液态水有亲和力,由于木材疏松多孔的特性,木材在环境中具有一定吸湿性,这就导致木材以及木制品会随着环境中温度湿度的变化引起含水率的变化。当含水率低于30%时,木材的尺寸稳定性、导电性等都会受到影响。因此对木制品的含水率管理和控制就显得尤为重要。烘干法是传统检测木材含水率的方法,虽然测量结果较为精准,但是测量时间较长,在木材工业的应用上不是长久之计。除此以外,电导法、微波法、射线法也是常见的方法,但是综合成本,检测时间等多因素考虑还不宜大规模应用。为了满足现代木材工业发展的需求,近几年有学者对木材的含水率预测展开各种研究,其中,近红外检测用时较短,采集光谱只需在几秒内即可完成,测量的精度高,并且能够实现无损检测,深受学者青睐。通用红外光谱的光谱覆盖范围为780-2526nm,但其价格较昂贵。水分吸收光谱的5个吸收带分别位于波长760、970、1145、1450、1926nm附近,而位于1450和1926nm附近的吸收峰更为明显,针对这两段特殊波长内的近红外光谱采集装置相对较少。为了解决以上问题,本研究旨在设计一款成本较低、便于携带、可以对木材含水率进行实时检测的微型近红外光谱采集装置,基于近红外光谱识别技术特点,结合偏最小二乘法(PLS)建立模型,有效的对木材的含水率实现快速检测。研究内容及创新点:(1)根据水分在近红外区1450和1926nm附近两处明显的光谱特征,本实验选择滨松公司的C14272和C14273两个微型光谱传感器作为核心光学元件。(2)考虑到装置的成本和集成化的设计理念,选择意法半导体(ST)公司的stm32f107vct6作为主控芯片,根据主控芯片的要求,设计了微控制器模块电路,实现光谱数据的传输与采集。采用亚德诺(ADI)公司的AD5541作为数模转换芯片,设计了可调恒压源模块电路,实现对光谱传感器内部可调谐滤波器的控制。采用德州仪器(TI)公司的ADS8320作为模数转换芯片,设计了信号采集模块,实现对传感器输出信号的采集。最后依据各个模块的设计方案绘制出装置的原理图与PCB图。(3)根据驱动程序与应用程序分离的原则,基于Free RTOS实时操作系统分别设计了装置驱动程序和应用程序,包括可调恒压源驱动设计、温度采集模块驱动设计、数模转换模块驱动设计和通信模块驱动设计,并根据木材光谱采集需求,建立多任务系统,确定任务执行逻辑,实现装置对光谱信息的快速准确采集。搭建实验平台对装置硬件模块进行功能测试,测试结果如下,可调恒压源电路输出电压精度高于0.76%,峰值为48m V,温度采集电路精度高于0.12%,数模采集电路精度高于0.82%,基本满足C14272和C14273光谱传感器外围电路的设计需求。选取橡木单板含水率进行检测,通过采集不同含水率的木材样本在1350nm～2150nm波段内的近红外光谱,结合偏最小二乘法对采集的光谱数据进行建模分析。并用传统烘干法与测量数据作对比,结果表明测量数值良好,最大误差0.9%,最小误差0.3%,整体误差控制在1%以内,测量结果良好。
基于近红外光谱检测木材单板含水率装置设计与研究
这是一篇关于木材含水率,近红外光谱技术,微型近红外光谱采集装置,小型化,无损检测的论文, 主要内容为木材作为一种重要的材料,广泛应用于生活的方方面面,纤维素、半纤维素,木质素是组成木材的主要成分,而纤维素中存在大量-OH,-OH是亲水基团,所以木材对于水蒸气和液态水有亲和力,由于木材疏松多孔的特性,木材在环境中具有一定吸湿性,这就导致木材以及木制品会随着环境中温度湿度的变化引起含水率的变化。当含水率低于30%时,木材的尺寸稳定性、导电性等都会受到影响。因此对木制品的含水率管理和控制就显得尤为重要。烘干法是传统检测木材含水率的方法,虽然测量结果较为精准,但是测量时间较长,在木材工业的应用上不是长久之计。除此以外,电导法、微波法、射线法也是常见的方法,但是综合成本,检测时间等多因素考虑还不宜大规模应用。为了满足现代木材工业发展的需求,近几年有学者对木材的含水率预测展开各种研究,其中,近红外检测用时较短,采集光谱只需在几秒内即可完成,测量的精度高,并且能够实现无损检测,深受学者青睐。通用红外光谱的光谱覆盖范围为780-2526nm,但其价格较昂贵。水分吸收光谱的5个吸收带分别位于波长760、970、1145、1450、1926nm附近,而位于1450和1926nm附近的吸收峰更为明显,针对这两段特殊波长内的近红外光谱采集装置相对较少。为了解决以上问题,本研究旨在设计一款成本较低、便于携带、可以对木材含水率进行实时检测的微型近红外光谱采集装置,基于近红外光谱识别技术特点,结合偏最小二乘法(PLS)建立模型,有效的对木材的含水率实现快速检测。研究内容及创新点:(1)根据水分在近红外区1450和1926nm附近两处明显的光谱特征,本实验选择滨松公司的C14272和C14273两个微型光谱传感器作为核心光学元件。(2)考虑到装置的成本和集成化的设计理念,选择意法半导体(ST)公司的stm32f107vct6作为主控芯片,根据主控芯片的要求,设计了微控制器模块电路,实现光谱数据的传输与采集。采用亚德诺(ADI)公司的AD5541作为数模转换芯片,设计了可调恒压源模块电路,实现对光谱传感器内部可调谐滤波器的控制。采用德州仪器(TI)公司的ADS8320作为模数转换芯片,设计了信号采集模块,实现对传感器输出信号的采集。最后依据各个模块的设计方案绘制出装置的原理图与PCB图。(3)根据驱动程序与应用程序分离的原则,基于Free RTOS实时操作系统分别设计了装置驱动程序和应用程序,包括可调恒压源驱动设计、温度采集模块驱动设计、数模转换模块驱动设计和通信模块驱动设计,并根据木材光谱采集需求,建立多任务系统,确定任务执行逻辑,实现装置对光谱信息的快速准确采集。搭建实验平台对装置硬件模块进行功能测试,测试结果如下,可调恒压源电路输出电压精度高于0.76%,峰值为48m V,温度采集电路精度高于0.12%,数模采集电路精度高于0.82%,基本满足C14272和C14273光谱传感器外围电路的设计需求。选取橡木单板含水率进行检测,通过采集不同含水率的木材样本在1350nm～2150nm波段内的近红外光谱,结合偏最小二乘法对采集的光谱数据进行建模分析。并用传统烘干法与测量数据作对比,结果表明测量数值良好,最大误差0.9%,最小误差0.3%,整体误差控制在1%以内,测量结果良好。
应用于树种识别的近红外光谱采集装置设计
这是一篇关于木材树种识别,近红外光谱技术,微型近红外光谱采集装置,小型化,木材工业的论文, 主要内容为木材是一种重要的可再生资源,广泛应用于生产生活的方方面面,然而木材种类繁多,许多木材外形相似,肉眼难以分辨。随着国民经济的快速发展,工业领域对木材鉴别的效率、准确度和成本提出了更高的要求,传统鉴别方法无法满足现代化木材工业发展的需求。国内外学者针对木材树种识别技术展开了众多研究,其中,基于近红外光谱技术的木材树种识别方法以其检测速度快、成本低、对样本无损等特点成为众多识别技术中应用较为广泛的一种。现阶段,应用于近红外光谱分析的光谱采集装置多为通用型,光谱覆盖范围广,价格昂贵,针对木材工业领域的近红外光谱采集装置相对较少。本设计开发了一款应用于木材树种识别领域的微型近红外光谱采集装置,基于近红外光谱识别技术特点,结合主成分分析(PCA)与支持向量机(SVM)模型,可实现对木材树种的无损、快速识别。研究创新点:根据木材在近红外区独特的光谱特征进行光谱传感器选型,结合微控制器、工业485传输协议,实现装置小型化,低功耗,快速准确,操作简单,满足工业领域对木材树种在线检测识别的需求。论文主要研究内容和成果如下:(1)对比国内外学者研究成果,分析近红外光谱技术应用于木材树种识别领域的可行性,总结现有近红外光谱采集装置的不足之处。(2)分析木材在近红外光谱区的特征,选择滨松公司的C14272微型光谱传感器作为核心光学元件。基于集成化设计与装置成本的考量,设计采用意法半导体(ST)公司的stm32f107vct6作为主控芯片,设计了微控制器模块电路,实现光谱数据的采集与传输。采用亚德诺(ADI)公司的AD5541作为数模转换芯片,设计了可调恒压源模块电路,实现对光谱传感器内部可调谐滤波器的控制。采用德州仪器(TI)公司的ADS8320作为模数转换芯片,设计了信号采集模块,实现对传感器输出信号的采集。最后根据各模块设计方案绘制原理图与PCB图。(3)依据驱动程序与应用程序分离的原则,基于Free RTOS实时操作系统分别设计了装置驱动程序和应用程序,包括可调恒压源驱动设计、温度采集模块驱动设计、AD转换模块驱动设计和通信模块驱动设计,并根据木材光谱采集需求,建立多任务系统,确定任务执行逻辑,实现装置对光谱信息的快速准确采集。(4)搭建实验平台对装置硬件模块进行功能测试,测试结果如下,可调恒压源电路输出电压精度高于0.68%,峰峰值52mV,温度采集电路精度高于0.05%,AD采集电路精度高于0.67%,基本满足C14272光谱传感器外围电路的设计需求。木材树种识别的可行性验证采用市场上常见的非洲紫檀、变色紫檀、橡胶木、白栎4种木材,通过采集木材样本1350nm～1650nm波段的近红外光谱,并利用PCA主成分分析方法与SVM算法对采集的光谱数据进行建模分类。分类结果表明,四种木材识别准确度达90%。
应用于树种识别的近红外光谱采集装置设计
这是一篇关于木材树种识别,近红外光谱技术,微型近红外光谱采集装置,小型化,木材工业的论文, 主要内容为木材是一种重要的可再生资源,广泛应用于生产生活的方方面面,然而木材种类繁多,许多木材外形相似,肉眼难以分辨。随着国民经济的快速发展,工业领域对木材鉴别的效率、准确度和成本提出了更高的要求,传统鉴别方法无法满足现代化木材工业发展的需求。国内外学者针对木材树种识别技术展开了众多研究,其中,基于近红外光谱技术的木材树种识别方法以其检测速度快、成本低、对样本无损等特点成为众多识别技术中应用较为广泛的一种。现阶段,应用于近红外光谱分析的光谱采集装置多为通用型,光谱覆盖范围广,价格昂贵,针对木材工业领域的近红外光谱采集装置相对较少。本设计开发了一款应用于木材树种识别领域的微型近红外光谱采集装置,基于近红外光谱识别技术特点,结合主成分分析(PCA)与支持向量机(SVM)模型,可实现对木材树种的无损、快速识别。研究创新点:根据木材在近红外区独特的光谱特征进行光谱传感器选型,结合微控制器、工业485传输协议,实现装置小型化,低功耗,快速准确,操作简单,满足工业领域对木材树种在线检测识别的需求。论文主要研究内容和成果如下:(1)对比国内外学者研究成果,分析近红外光谱技术应用于木材树种识别领域的可行性,总结现有近红外光谱采集装置的不足之处。(2)分析木材在近红外光谱区的特征,选择滨松公司的C14272微型光谱传感器作为核心光学元件。基于集成化设计与装置成本的考量,设计采用意法半导体(ST)公司的stm32f107vct6作为主控芯片,设计了微控制器模块电路,实现光谱数据的采集与传输。采用亚德诺(ADI)公司的AD5541作为数模转换芯片,设计了可调恒压源模块电路,实现对光谱传感器内部可调谐滤波器的控制。采用德州仪器(TI)公司的ADS8320作为模数转换芯片,设计了信号采集模块,实现对传感器输出信号的采集。最后根据各模块设计方案绘制原理图与PCB图。(3)依据驱动程序与应用程序分离的原则,基于Free RTOS实时操作系统分别设计了装置驱动程序和应用程序,包括可调恒压源驱动设计、温度采集模块驱动设计、AD转换模块驱动设计和通信模块驱动设计,并根据木材光谱采集需求,建立多任务系统,确定任务执行逻辑,实现装置对光谱信息的快速准确采集。(4)搭建实验平台对装置硬件模块进行功能测试,测试结果如下,可调恒压源电路输出电压精度高于0.68%,峰峰值52mV,温度采集电路精度高于0.05%,AD采集电路精度高于0.67%,基本满足C14272光谱传感器外围电路的设计需求。木材树种识别的可行性验证采用市场上常见的非洲紫檀、变色紫檀、橡胶木、白栎4种木材,通过采集木材样本1350nm～1650nm波段的近红外光谱,并利用PCA主成分分析方法与SVM算法对采集的光谱数据进行建模分类。分类结果表明,四种木材识别准确度达90%。
应用于树种识别的近红外光谱采集装置设计
这是一篇关于木材树种识别,近红外光谱技术,微型近红外光谱采集装置,小型化,木材工业的论文, 主要内容为木材是一种重要的可再生资源,广泛应用于生产生活的方方面面,然而木材种类繁多,许多木材外形相似,肉眼难以分辨。随着国民经济的快速发展,工业领域对木材鉴别的效率、准确度和成本提出了更高的要求,传统鉴别方法无法满足现代化木材工业发展的需求。国内外学者针对木材树种识别技术展开了众多研究,其中,基于近红外光谱技术的木材树种识别方法以其检测速度快、成本低、对样本无损等特点成为众多识别技术中应用较为广泛的一种。现阶段,应用于近红外光谱分析的光谱采集装置多为通用型,光谱覆盖范围广,价格昂贵,针对木材工业领域的近红外光谱采集装置相对较少。本设计开发了一款应用于木材树种识别领域的微型近红外光谱采集装置,基于近红外光谱识别技术特点,结合主成分分析(PCA)与支持向量机(SVM)模型,可实现对木材树种的无损、快速识别。研究创新点:根据木材在近红外区独特的光谱特征进行光谱传感器选型,结合微控制器、工业485传输协议,实现装置小型化,低功耗,快速准确,操作简单,满足工业领域对木材树种在线检测识别的需求。论文主要研究内容和成果如下:(1)对比国内外学者研究成果,分析近红外光谱技术应用于木材树种识别领域的可行性,总结现有近红外光谱采集装置的不足之处。(2)分析木材在近红外光谱区的特征,选择滨松公司的C14272微型光谱传感器作为核心光学元件。基于集成化设计与装置成本的考量,设计采用意法半导体(ST)公司的stm32f107vct6作为主控芯片,设计了微控制器模块电路,实现光谱数据的采集与传输。采用亚德诺(ADI)公司的AD5541作为数模转换芯片,设计了可调恒压源模块电路,实现对光谱传感器内部可调谐滤波器的控制。采用德州仪器(TI)公司的ADS8320作为模数转换芯片,设计了信号采集模块,实现对传感器输出信号的采集。最后根据各模块设计方案绘制原理图与PCB图。(3)依据驱动程序与应用程序分离的原则,基于Free RTOS实时操作系统分别设计了装置驱动程序和应用程序,包括可调恒压源驱动设计、温度采集模块驱动设计、AD转换模块驱动设计和通信模块驱动设计,并根据木材光谱采集需求,建立多任务系统,确定任务执行逻辑,实现装置对光谱信息的快速准确采集。(4)搭建实验平台对装置硬件模块进行功能测试,测试结果如下,可调恒压源电路输出电压精度高于0.68%,峰峰值52mV,温度采集电路精度高于0.05%,AD采集电路精度高于0.67%,基本满足C14272光谱传感器外围电路的设计需求。木材树种识别的可行性验证采用市场上常见的非洲紫檀、变色紫檀、橡胶木、白栎4种木材,通过采集木材样本1350nm～1650nm波段的近红外光谱,并利用PCA主成分分析方法与SVM算法对采集的光谱数据进行建模分类。分类结果表明,四种木材识别准确度达90%。
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