基于熱裂解及液滴分析技術的樹種識別初探

馮國紅，姜雪松，張 敏

(1.東北林業(yè)大學 工程技術學院，哈爾濱 150040；2.北京ABB電氣傳動系統(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，由于木材消耗的增長，我國從歐洲、東南亞、非洲和大洋洲等地區(qū)進口木材的數(shù)量正在逐年大幅增長，樹種不符已成為我國進口木材貿易中最常見的欺詐手法之一；同時，木材作為重要的工程和工業(yè)用材料，被大量地應用在造紙、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，維護消費者利益，才能保證我國進出口木材市場流通順暢，才能科學合理地利用木材資源。

現(xiàn)有的木材識別方法主要有兩大類[1-4]：一是手工識別，如微觀與宏觀結合的識別方法；二是計算機輔助識別，如計算機數(shù)據(jù)庫識別法、計算機數(shù)字圖像識別法、DNA識別法和近紅外光譜識別法等。手工識別主要依靠識別人的知識和經驗，容易出現(xiàn)不能識別或誤判的情況；計算機輔助識別方法相對手工識別有了很大的進步，能夠消除人工因素的干擾，使得木材識別的結果更加客觀公正，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，不能用于實際應用。

液滴分析技術是近些年發(fā)展起來的一項新技術，其具有很強的液體識別能力，精度已經達到能夠準確識別在外觀、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的這種識別能力應用于樹種，這是很值得研究的課題。

應用液滴分析技術識別樹種，首先需要將木材由固態(tài)轉化為液態(tài)。由文獻可知，熱裂解技術是目前世界上生物質能研究的前沿技術之一。利用該技術可將木粉顆粒轉化為醇類、可燃性油或其他帶有特定官能團的化合物，即可將木材由固態(tài)轉化為液態(tài)[9-11]。基于此，本文提出基于熱裂解和液滴分析技術對樹種識別進行研究。

1 樹種識別的原理

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”具有細微識別液體的能力，裝置實現(xiàn)較簡單。基于此，本文利用熱裂解及光纖液滴分析法對樹種識別進行了研究，其原理框圖如圖1所示。

圖1 液滴分析技術識別樹種的原理框圖

木粉顆粒經熱烈解裝置高溫加熱、冷凝處理、濾除雜質后轉化為液體。將此液體由供液泵通過毛細管向滴頭供液，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程中，由光纖傳感器、光纖信號處理電路和計算機等記錄下液滴剛開始形成到滴落全過程的光纖信號變化曲線，即“光纖液滴指紋圖”。此液滴指紋圖在一定測試系統(tǒng)條件下，具有唯一性。可通過得到不同樹種的液滴指紋圖，提取特征，對樹種進行識別。

2 流速確定實驗及結果分析

理論上，光纖傳感器在記錄液滴生長過程時，應該是在供液泵供液一段時間后停止供液，液滴處于平衡狀態(tài)時，采集輸出光纖中的信號；供液泵再進行供液，然后停止，再采集；如此反復，直至液滴滴落。實際中，供液泵是連續(xù)工作的，液滴一直處于動態(tài)生長過程，若液滴的生長過程不出現(xiàn)抖動，保持流暢狀態(tài)，則由于數(shù)據(jù)采集速度較快，能夠得到重復性好的液滴指紋圖，可用于液體的識別。本文中，木材經過熱裂解裝置液化后，得到的液體比較粘稠，此粘稠液體的液滴生長過程能否保持穩(wěn)定、流暢，對于能否應用液滴分析技術識別樹種及相應儀器的設計至關重要。為此本文進行了如下實驗：將紅松木粉在380℃下進行蒸發(fā)，冷凝，濾除雜質，得到待測液體。采用天津大學裘祖榮教授設計的光纖液滴分析儀對該液體進行了實驗。

考慮到流速對于液滴生長的穩(wěn)定性有一定的影響，本文采用Razel公司生產的A-99型號供液泵。該泵共有99種流速可供選擇，可通過撥動儀器右下角的兩個數(shù)字鍵來選擇合適的流速。

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)，對待測液體進行實驗，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

從實驗結果可以看出，供液泵的供液速度設置在第65種流速時得到的光纖液滴指紋圖重復性好，另外幾種流速得到的液滴指紋圖重復性不夠理想，出現(xiàn)了液滴指紋圖較凌亂的現(xiàn)象。通過觀察液滴的形成過程發(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，有時候會出現(xiàn)液滴抖動的現(xiàn)象，從而導致采集的液滴指紋圖重復性較差。

由此可見，采用液滴分析技術進行樹種識別時，需要設計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，以保證獲得重復性理想的液滴指紋圖。

3 樹種識別實驗及結果分析

為了驗證液滴分析技術識別樹種的能力，本文對與紅松特征相近的白松進行了實驗。將白松木粉同樣在380℃下進行蒸發(fā)，冷凝，濾除雜質，對得到的液體在流速為第65種下進行實驗。為了便于觀察及對比液滴指紋圖的細節(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，光纖信號一直在變化；而白松得到的液滴指紋圖僅在液滴生長到較大體積時才有信號。通過提取液滴指紋圖的特征，可實現(xiàn)紅松和白松的識別。可見，利用液滴分析技術識別樹種有一定的可行性。

4 結論與展望

本文利用光纖液滴分析技術對樹種識別進行了探索性研究，通過實驗得出以下結論：

(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，使液滴的形成過程具有一定的重復性，便于液滴指紋圖的采集與對比。對于紅松和白松，選擇第65種流速，可得到重復性好的液滴指紋圖。

(2)通過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，說明利用液滴分析技術識別樹種有一定的可行性。

今后通過對多種樹種進行實驗，得到各個樹種的液滴指紋圖，通過比較、提取指紋圖特征、建立數(shù)據(jù)庫等，有望為樹種識別提供一種新的、準確性高的識別方法。

【參 考 文 獻】

[1]汪杭軍，張廣群，祁亨年，等.木材識別方法研究綜述[J].浙江林學院學報，2009，26(6)：896-902.

[2]任洪娥，高 潔，馬 巖.我國木材材種識別技術的新進展[J].木材加工機械，2007(4)：38-41.

[3]朱 峰，王海豐，任洪娥.基于Gabor 變換的紋理圖像分割算法及應用[J].森林工程，2013，29(5)：60-63.

[4]于海鵬，劉一星，劉鎮(zhèn)波.基于圖像紋理特征的木材樹種識別[J].林業(yè)科學，2007，43(4)：77-83.

[5]馮國紅，裘祖榮，廖和琴.溫度對液滴指紋圖水質識別的影響分析[J].傳感技術學報，2012，25(4)：457-461.

[6]Song Q，Zhang G X，Qiu Z R，et al.Improvements in liquid drop sensor and optical signal processing of the liquid signature analyzer[J].Instrumentation Science and Technology，2005，33(2)：199-214.

[7]Ernst A.，Streule W.，Schmitt N.，et al.A capacitive sensor for non-contact nanoliter droplet detection[J].Sensors and Actuators：A Physical，2009，153(1)：57-63.

[8]Sun W，Li X，Zeng Y，et al.The application of cross-correlation analysis in the fiber fingerprint drop trace[J].Acta Photonica Sinica，2007，36(11)：2033-6.

[9]王黎明，王述洋.國內外生物質熱解液化裝置的研發(fā)進展[J].太陽能學報，2006，27(11)：1180-1184.

[10]Wang S，Luo Z，Dong L.Experimental study on bio-oil production from biomass of some agricultural and forestry residues[J].Transaction of the CASE，2004，20(2)：246-249.

[11]陶 楊，羅學剛.木材液化技術的研究進展[J].化學與生物工程，2006，23(2)：1-3.