基于太赫兹波时域光谱技术的纺织材料鉴别和分类技术研究.pdf

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基于太赫兹波时域光谱技术的纺织材料鉴别和分类技术研究曹丙花1，范孟豹2，荆胜羽1引言1实验部分第30卷，第7期0年7月光谱学与光谱分析摘要提出了一种基于太赫兹时域光谱(THz—TDS)技术和聚类分析方法的纺织材料鉴别和分类方法，并以几种典型的棉材料作为实验介质证明此方法的可行性。利用THz-们Ds系统测得了介质在THz波段的时域光谱信号，并从中提取出其吸收光谱。应用主成分分析法提取纺织材料吸收光谱的特征，然后应用马氏距离分类法对这些材料进行分类，实验结果表明这五种材料可以被准确区分。研究结果表明以纺织纤维的THz吸收光谱作为数据特征，采用主成分分析法与马氏距离判别法相结合的方法鉴别成分相似的纺织纤维是可行的，该方法有望为成分相近的纺织材料鉴别提供一种有效的分析方法。关键词太赫兹波；纺织材料；主成分分析；马氏距离判别法中图分类号：TP391。0433．3文献标识码：AEOI：10．3964／j．issn．1000-0593{2010}07—1748—04在纺织生产管理或产品分析中，常常要对各种状态下的纤维材料进行鉴别，有呈散纤维状态的纺织原料，也有各道工序生产的半制品或成品。化学纤维的大量发展和混纺品种的日益增多使纺织品的花色品种更为繁多，这使得对纺织材料进行系统鉴别变成一项非常重要而复杂的工作[1]。各种纺织材料的外观形态与内在性质，有相似之处，同时也存在很多不同之处。纤维鉴别利用不同纤维的外观形态或内在性质的差异，采用各种方法将其区分开来。目前主要有手感目测法、显微镜观察法、溶解法、药品着色法以及红外光谱法等鉴别方法。但这些方法均存在或多或少的不足之处，不能完全解决目前纺织材料鉴别的要求，尤其是成分相似的纺织材料仍然很难区分，是一个亟待解决的问题，因此寻找新的鉴别纺织材料的方法非常重要[1～1。太赫兹时域光谱(TH扩11)s)技术是近年来发展起来的光谱测量新技术。它具有很多传统光谱技术所不具有的优点。首先，很多物质分子的转动及部分振动能级位于太赫兹波段，而且太赫兹波对物质结构和环境的微小变化非常敏感，目前的研究表明THz-TDS技术在研究物质的内部结构和分子间相互作用中具有很大潜力，它可以给出物质独一无二的指纹光谱，即使化学成分非常相似的物质的太赫兹谱也具有很大差异，因此可以用于物质鉴别【4]。除此之外，THz-TDS中的相干探测技术可以同时得到太赫兹波的幅度和相位，因此能提供物质更多的信息。电光测量或光电导天线测量技术中采用的取样测量技术可以得到很高的信噪比，这使得物质的太赫兹光谱测鼍受噪声影响很小[5]。THz波独有的这些特殊性质，使其在DNA无标记检测[6]、氨基酸与蛋白质分析[7’8]、农产品品质分析C91和农药残留分析[10,11]以及毒品和爆炸物等危险品的识别[12]等很多方面都取得了一定进展，但在纺织品鉴别方面的应用却基本未见报道。棉、精炼棉、粘胶、强力粘胶和人造棉是典型的棉类材料，实际中应用非常多，它们的基本成分均为纤维素，其不同在于纺丝工艺和加工过程不同，这使得其分子量或分子排列方式也不同。本文以这5种材料为例，研究如何将太赫兹波技术应用于成分相近的纺织材料鉴别中。首先借助于太赫兹时域光谱(THz—n)s)系统获取这些材料的太赫兹吸收光谱，然后应用主成分分析法提取这些材料太赫兹吸收光谱的特征，最后应用马氏距离法对这些材料进行识别和分类。实验所用的THz-TDS系统由美国Coherent公司制造的Vitesse-800-5型钛蓝宝石飞秒激光器和美国Zomega公司研制的ModelZ-1型太赫兹系统组成，如图1为系统装置图，系统的详细描述参见文献[10]和E133。如图2所示为实验样品架，两片聚乙烯薄片间的距离可andSpectralAnalysisV01．30。No．7，ppl748—1751July，20101．中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州2210082．中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221008收稿日期：2009-10-09。修订日期：2010-01—12基金项目：国家自然科学基金项目(60774054)，国家教育部博士点基金项目(20070335123)和江苏省博士后基金项目(0902004C)资助作者简介：曹丙花，女，1981年生，中国矿业大学信息与电气工程学院讲师e-mail；[e-mail]201Spectroscopy
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肚№2量6光谱学与光谱分析mm。被测合成纤维为散纤维状态的纺织原料，将其夹在两片聚乙烯薄片之间压实进行光谱测-g品信号。实验时每种材料取14个样本进行实验研究，实验在≤1第7期调，本文将其固定为1肝Hz量，样品厚度为1rrliTl。聚乙烯对太赫兹波几乎完全透射。其中图2a为样品架，太赫兹波透过后的波形作为参