馮國(guó)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(dòng)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(jià)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(lái)，由于木材消耗的增長(zhǎng)，我國(guó)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(zhǎng)，樹種不符已成為我國(guó)進(jìn)口木材貿(mào)易中最常見的欺詐手法之一；同時(shí)，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(guó)進(jìn)出口木材市場(chǎng)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(shí)別方法主要有兩大類[1-4]：一是手工識(shí)別，如微觀與宏觀結(jié)合的識(shí)別方法；二是計(jì)算機(jī)輔助識(shí)別，如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)識(shí)別法、計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像識(shí)別法、DNA識(shí)別法和近紅外光譜識(shí)別法等。手工識(shí)別主要依靠識(shí)別人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，容易出現(xiàn)不能識(shí)別或誤判的情況；計(jì)算機(jī)輔助識(shí)別方法相對(duì)手工識(shí)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(shí)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(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，其具有很強(qiáng)的液體識(shí)別能力，精度已經(jīng)達(dá)到能夠準(zhǔn)確識(shí)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(shí)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(shí)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?，本文提出基于熱裂解和液滴分析技術(shù)對(duì)樹種識(shí)別進(jìn)行研究。

1 樹種識(shí)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(shí)別液體的能力，裝置實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單。基于此，本文利用熱裂解及光纖液滴分析法對(duì)樹種識(shí)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(shí)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(guò)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(guò)程中，由光纖傳感器、光纖信號(hào)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(guò)程的光纖信號(hào)變化曲線，即“光纖液滴指紋圖”。此液滴指紋圖在一定測(cè)試系統(tǒng)條件下，具有唯一性?？赏ㄟ^(guò)得到不同樹種的液滴指紋圖，提取特征，對(duì)樹種進(jìn)行識(shí)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(zhǎng)過(guò)程時(shí)，應(yīng)該是在供液泵供液一段時(shí)間后停止供液，液滴處于平衡狀態(tài)時(shí)，采集輸出光纖中的信號(hào)；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(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程，若液滴的生長(zhǎng)過(guò)程不出現(xiàn)抖動(dòng)，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(shí)別。本文中，木材經(jīng)過(guò)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(zhǎng)過(guò)程能否保持穩(wěn)定、流暢，對(duì)于能否應(yīng)用液滴分析技術(shù)識(shí)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(cè)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(duì)該液體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

考慮到流速對(duì)于液滴生長(zhǎng)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(hào)供液泵。該泵共有99種流速可供選擇，可通過(guò)撥動(dòng)儀器右下角的兩個(gè)數(shù)字鍵來(lái)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(duì)待測(cè)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(shí)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(guò)觀察液滴的形成過(guò)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(shí)候會(huì)出現(xiàn)液滴抖動(dòng)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(shí)別時(shí)，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(shí)別實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證液滴分析技術(shù)識(shí)別樹種的能力，本文對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)一直在變化；而白松得到的液滴指紋圖僅在液滴生長(zhǎng)到較大體積時(shí)才有信號(hào)。通過(guò)提取液滴指紋圖的特征，可實(shí)現(xiàn)紅松和白松的識(shí)別?？梢?，利用液滴分析技術(shù)識(shí)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(duì)樹種識(shí)別進(jìn)行了探索性研究，通過(guò)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(guò)程具有一定的重復(fù)性，便于液滴指紋圖的采集與對(duì)比。對(duì)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(guò)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(shuō)明利用液滴分析技術(shù)識(shí)別樹種有一定的可行性。

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

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