馮國(guó)紅 朱玉杰 楊慧敏

(森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

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光纖液滴分析技術(shù)對(duì)紅松和白松樹種的識(shí)別1)

馮國(guó)紅 朱玉杰 楊慧敏

(森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

針對(duì)紅松和白松特征相似，容易被冒充的現(xiàn)象，提出了采用光纖液滴分析技術(shù)對(duì)兩者進(jìn)行樹種識(shí)別的方法。采用高壓反應(yīng)釜對(duì)白松和紅松木屑進(jìn)行了液化，由光纖液滴分析儀實(shí)驗(yàn)裝置得到了相應(yīng)的光纖液滴指紋圖。比較了兩者指紋圖的形狀，提取了液滴總周期、光纖信號(hào)的平均值、光纖信號(hào)的波谷值、光纖信號(hào)的波峰值等9個(gè)特征，結(jié)果表明：二者的指紋圖在形狀上有明顯的差異，9個(gè)特征值中，3個(gè)特征值的相對(duì)差異小于10%，1個(gè)特征值的相對(duì)差異超過(guò)了10%，5個(gè)特征值的相對(duì)差異超過(guò)了50%。運(yùn)用方差分析對(duì)兩個(gè)樹種的特征值差異性進(jìn)行了檢驗(yàn)，得出兩個(gè)樹種的特征值差異性顯著(P值為0.002 887)。說(shuō)明光纖液滴分析技術(shù)具備識(shí)別紅松和白松樹種的能力。

紅松；白松；樹種識(shí)別；光纖液滴分析技術(shù)

The Korean pine and white pine have the similar features, which is easy to be confused, so we put forward the method of identifying the two species based on fiber liquid drop analysis technology. We liquefied the sawdust of Korean pine and white pine with autoclave, and got the corresponding liquid drop fingerprint by the fiber liquid drop analysis. The shape of the two fingerprints had the obvious differences: among ten eigenvalues, the relative difference of three was less than 10%, the relative difference of one is more than 10%, and the relative difference of five is more than 50% by comparing the shapes of two fingerprint and extracting the drop total period, fiber signal average value, optical signal trough value, optical signal peak value and other nine eigenvalues. We used the variance analysis to test the difference of the characteristic values of the two tree species. The difference was significant between the two species (P=0.002 887). The technology based on fiber drop analysis has the ability to identify the Korean pine and white pine.

近年來(lái)我國(guó)木材供需缺口不斷擴(kuò)大，需要大量進(jìn)口木材解決這一矛盾。從木材進(jìn)口品種看，紅松和樟子松為主要進(jìn)口品種，其余為白松和落葉松。紅松是一種名貴而又稀有的樹種，其木材輕軟、細(xì)致、紋理直、耐腐蝕性強(qiáng)，為建筑、橋梁、枕木、家具等優(yōu)良用材。隨著進(jìn)口數(shù)量的大幅增長(zhǎng)，以特征相似、價(jià)格低的白松冒充紅松的欺詐案例屢屢發(fā)生，使得國(guó)內(nèi)進(jìn)口商蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。準(zhǔn)確的識(shí)別紅松和白松，將有利于規(guī)范木材市場(chǎng)，并能有效地防止非法木材交易和交易欺詐行為等?，F(xiàn)有的木材識(shí)別方法，主要有兩大類：一是人工知識(shí)識(shí)別，二是計(jì)算機(jī)輔助識(shí)別[1-4]。人工知識(shí)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)人工知識(shí)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。

光纖液滴分析技術(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，識(shí)別水平已經(jīng)達(dá)到能夠準(zhǔn)確識(shí)別出同一廠家不同年代生產(chǎn)的同一品牌酒及在外觀、氣味、制備原料等方面都非常相似的液體，如七喜汽水和雪碧、各種品牌礦泉水等[5-6]。熱裂解技術(shù)是目前進(jìn)行生物質(zhì)能研究的一項(xiàng)前沿技術(shù)。我國(guó)森林資源豐富，且木屑的平均出油率較高，目前已有大量的有關(guān)以木屑為原料的生物質(zhì)能方面的研究[7-10]?；跓崃呀饧夹g(shù)能夠把木材由固體轉(zhuǎn)化為液體、光纖液滴分析技術(shù)在液體識(shí)別方面的優(yōu)勢(shì)考慮，本文提出利用生物質(zhì)熱裂解技術(shù)先將紅松和白松木屑進(jìn)行液化，得到相應(yīng)的生物油，然后利用光纖液滴分析技術(shù)通過(guò)識(shí)別樹種液化后的生物油來(lái)識(shí)別紅松和白松。

1 光纖液滴分析技術(shù)

光纖液滴分析技術(shù)，是1992年由愛爾蘭的McMillan博士等人提出的[11-12]。工作原理見圖1，主要利用光纖傳感器監(jiān)測(cè)滴頭處液滴從開始形成至滴落整個(gè)過(guò)程中接收光纖中光信號(hào)的變化規(guī)律。液體不同，滴頭處形成的液滴對(duì)光的反射和吸收等不同；同時(shí)，液滴形成過(guò)程中的輪廓形狀也會(huì)有所差異(液滴在不同生長(zhǎng)時(shí)刻輸入、輸出光纖的傳光情況示意圖見圖2)，導(dǎo)致接收光纖中光信號(hào)的變化規(guī)律不同?？梢姡邮展饫w中光信號(hào)的變化規(guī)律，既能反映出被測(cè)液體的物理特性(如液體的表面張力、折射率、黏度等)，又能反映出被測(cè)液體的化學(xué)特性(如液體的吸光度等)，光纖液滴分析技術(shù)即利用該信號(hào)的變化規(guī)律識(shí)別液體。該信號(hào)形成的曲線如同人手指紋一樣，對(duì)每種液體具有唯一性，因此，一般將該信號(hào)曲線稱為“光纖液滴指紋圖”。

圖1 光纖液滴分析技術(shù)的工作原理

圖2 液滴不同生長(zhǎng)時(shí)刻輸入、輸出光纖的傳光情況

從實(shí)驗(yàn)過(guò)的樣品結(jié)果可看出，絕大部分液體的光纖液滴指紋圖呈現(xiàn)“兩峰一谷”的形狀，且第二個(gè)峰相對(duì)高一些。一般將第二個(gè)峰定義為“主峰”，第一個(gè)略小的峰定義為“次峰”，“主峰”與“次峰”之間定義為“波谷”。由此定義的光纖液滴指紋圖的主要特征值有[13-14]：液滴總周期、光纖信號(hào)的平均值、光纖信號(hào)的波谷值、光纖信號(hào)的主波峰值、光纖信號(hào)的次波峰值、光纖信號(hào)的主波峰與波谷的差值、光纖信號(hào)的次波峰與波谷的差值、光纖信號(hào)的主波峰與波谷的時(shí)間距離、光纖信號(hào)的次波峰與波谷的時(shí)間距離(見圖3)。

2 試驗(yàn)方法與裝置

對(duì)紅松和白松樣本進(jìn)行粉碎，用分樣篩篩分粒徑小于0.2 mm的木屑顆粒，于干燥箱中進(jìn)行烘干，使其含水率降為6%；采用高壓反應(yīng)釜在380 ℃下對(duì)烘干后的木屑進(jìn)行液化，濾除雜質(zhì)后得到待測(cè)液體。

采用的光纖液滴分析裝置，主要是借鑒天津大學(xué)裘祖榮教授及其研究生關(guān)于液滴分析儀方面的研究成果搭建而成的(見圖4)[15-16]。

圖中編號(hào)：1為液滴從開始形成到滴落的總時(shí)間(t)；3為生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)光纖信號(hào)的波谷值(minVf)；4為生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)光纖信號(hào)的主波峰值(maxVf1)；5為生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)光纖信號(hào)的次波峰值(maxVf2)；6為生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)光纖信號(hào)的波谷與主波峰的差值(ΔVf1)；7為生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)光纖信號(hào)的波谷與次波峰的差值(ΔVf2)；8為生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)光纖信號(hào)的波谷與主波峰的時(shí)間距離(Δtf1)；9為生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)光纖信號(hào)的波谷與次波峰的時(shí)間距離(Δtf2)。

圖3 光纖液滴指紋圖的主要特征值示意圖

圖中關(guān)鍵部件說(shuō)明：①滴頭結(jié)構(gòu)如圖5所示；②光源選擇的是LS-1，主要考慮其光強(qiáng)較強(qiáng)、穩(wěn)定、噪聲??；③供液泵為Razel公司生產(chǎn)的A-99型號(hào)供液泵，可調(diào)范圍寬；④光電接收二極管為SFH250V，體積小，方便集成；⑤采集卡為PCI-9113A采集卡，采集頻率為100點(diǎn)/s。

圖4 光纖液滴分析裝置

圖5 滴頭結(jié)構(gòu)

3 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)得到的紅松和白松木屑液化后的光纖液滴指紋圖見圖6。比較圖6中的a和b的光纖液滴指紋圖可看出，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)變化明顯；白松的液滴指紋圖的光纖信號(hào)僅在液滴生長(zhǎng)到較大體積時(shí)才變化明顯。提取圖6中紅松和白松的光纖液滴指紋圖的特征值見表1。比較表1中兩樹種的數(shù)據(jù)可看出，ΔVf2無(wú)差異，minVf、maxVf2的差異較小(相對(duì)差異小于10%)，maxVf1的相對(duì)差異超過(guò)了10%，其余特征值差異較大(均超過(guò)了50%)。對(duì)兩組特征值進(jìn)行方差分析，由表2可看出，兩個(gè)樹種方差分析得到的P值為0.002 887，小于顯著性水平(0.05水平)，說(shuō)明紅松和白松的特征值差異顯著。

圖6 紅松和白松的光纖液滴指紋圖

特征參數(shù)t/sVf/VminVf/VmaxVf1/VmaxVf2/VΔVf1/VΔVf2/VΔtf1/sΔtf2/s紅松15.030.290.810.920.840.110.030.890.70白松7.390.120.781.040.820.260.030.160.11絕對(duì)差異7.640.170.03-0.120.03-0.1500.730.59相對(duì)差異0.510.590.04-0.130.03-1.3500.820.84

注：Vf為光纖信號(hào)的平均值。

表2 兩組特征值的方差分析結(jié)果

4 結(jié)論與討論

針對(duì)紅松和白松特征較相似，市面上容易出現(xiàn)白松冒充紅松的現(xiàn)象，提出了應(yīng)用光纖液滴分析技術(shù)對(duì)紅松和白松的樹種進(jìn)行識(shí)別的方法。采用高壓反應(yīng)釜在380 ℃下分別對(duì)白松和紅松木屑進(jìn)行了液化，應(yīng)用光纖液滴分析儀實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到了紅松和白松液化后的光纖液滴指紋圖。比較兩者的指紋圖形狀可看出，兩者的形狀有明顯的差異。提取了指紋圖中相應(yīng)的液滴總周期、光纖信號(hào)的平均值、光纖信號(hào)的波谷值、光纖信號(hào)的主波峰值、光纖信號(hào)的次波峰值、光纖信號(hào)的主波峰與波谷的差值、光纖信號(hào)的次波峰與波谷的差值、光纖信號(hào)的主波峰與波谷的時(shí)間距離、光纖信號(hào)的次波峰與波谷的時(shí)間距離9個(gè)特征，通過(guò)比較兩個(gè)樹種的各特征值得出：9個(gè)特征值中，3個(gè)特征值的差異較小(相對(duì)差異小于10%)，1個(gè)特征值的相對(duì)差異超過(guò)了10%，5個(gè)特征值的差異較大(相對(duì)差異均超過(guò)了50%)。運(yùn)用方差分析，對(duì)兩組特征值的差異性進(jìn)行了檢驗(yàn)(P值為0.002 887)，小于顯著性水平(0.05水平)，說(shuō)明紅松和白松的光纖液滴指紋圖的特征值差異性顯著。由此可見，光纖液滴分析技術(shù)具備識(shí)別紅松和白松樹種的能力。

進(jìn)一步的研究，可通過(guò)探尋影響兩種樹種的光纖液滴指紋圖形狀上差異的因素，尤其是白松的光纖液滴指紋圖在開始形成時(shí)光纖信號(hào)變化不明顯的原因，提出更多的特征提取方法。同時(shí)，采用多種液滴分析技術(shù)，如圖像液滴分析技術(shù)、電容液滴分析技術(shù)、光譜液滴分析技術(shù)等，對(duì)紅松和白松的樹種進(jìn)行識(shí)別，提高識(shí)別的準(zhǔn)確度。

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Identifying Korean Pine and White Pine by Fiber Liquid Droplet Analysis Technology//

Feng Guohong, Zhu Yujie, Yang Huimin(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(2)：50-52,70.

Korean pine； White pine； Tree species identification; Fiber liquid droplet analysis technology

1)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2572015CB04)；黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(QC2014C010)。

馮國(guó)紅，女，1980年11月生，森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，講師。E-mail：fgh_1980@126.com。

朱玉杰，森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，教授。E-mail：zhuyujie004@126.com。

2016年11月14日。

S781.1

責(zé)任編輯：張 玉。