采用近紅外技術測量沙子的含水量

在工程應用中,沙子通常是露天堆放的,其含水量隨空氣濕度變化而變化,經過雨水后,沙子水分可達到30%以上。在混凝土配比設計中,施工人員需要根據沙子的含水量調整沙子與水的用量,否則將極大影響混凝土的質量及施工性能。實際操作中,因為不知道沙子的含水量,建筑使用時通常將沙子烘干,然后加水至所需的水分含量。這種方法需要消耗大量的能源和時間,產生嚴重環境資源浪費,同時延誤工期。實際生產使用中如果可以快速的得到沙子的水分含量即可根據需求加入所需的水或干砂調節至所需含水量。測量沙子中的水分含量常用的是烘箱法,缺點是需要花費較多的操作時間。而且信息嚴重滯后,因此這種方法無法應用到生產線上,只能在實驗室中應用。本方法可快速檢測沙子的水分,對于實際生產具有重要作用。

技術方案:

一、 設備信息

迅杰IAS3100便攜式近紅外光光譜儀,基于DMD光柵原理,采集方式為漫反射,光譜波長范圍是900-1700nm。

二、 模型建立

(1) 樣品準備:選取不同地域、不同粗細的河沙、海沙、山沙和人工砂200余種,每種沙子過20目篩去除大顆粒石頭和其他雜質;

(2) 光譜采集:將沙子置于樣品盤中,裝樣量高于最低刻度。按照一參一樣的方式采集,每條光譜采集30次,每個樣品采集3條光譜,取平均值作為該樣品的光譜。

(3) 2g細砂平鋪于干燥至恒重的扁形稱量瓶中,精密稱定,打開瓶蓋在105℃下干燥3小時,將瓶蓋蓋好,移置干燥器中,冷卻 30分鐘,精密稱定,再在上述溫度下干燥1小時,冷卻,稱重,至連續兩次稱重的差異不超過5mg為止,根據減失的重量,計算樣品水分含量值。

(4) 數據篩選:按照水分含量分布選取2/3的樣品作為建模集,1/3的樣品作為驗證集。

(5) 光譜預處理:首先對波長進行截取,選取水分吸收明顯的波段作為建模波段,剔除譜段中噪聲較大的干擾段,截取范圍為1350-1550nm;

(6) 算法選擇:采用偏最小二乘法建立沙子樣品近紅外光譜特征數據與其水分含量之間的校正模型。

(7) 可選擇多種預處理方式,如移動平滑、多元散射校正、標準正態變換、一階求導、不預處理及多種預處理的組合都可達到實用要求,主成分選擇上1-4個主成分都可較好的預測回歸。比較內部交叉驗證均方差(RMSECV)和相關系數的大小,認為光譜預處理為多元散射校正、主成分選擇2,建模波段為1350-1550nm,得到的校正模型最為理想。RMSECV0.221%,外部均方差RMSEP0.185%,R20.9908。

三、 模型驗證

額外選取30種未知水分含量的沙子,采用(二)中的方法測得其水分含量。將該30種沙子按照一參一樣的方式采集光譜,每條光譜采集30次,將測得的光譜數據輸入定量分析模型,得到預測值,與烘箱法測得的值進行比較,來評價該定量模型的實際預測沙子水分能力。預測值與準確值的預測均方差為0.178%,相關系數R20.9894效果較好。

相比較現有技術的缺點,近紅外的技術的優勢體現如下:

(1) 分析速度快。模型構造完成后,在進行現場應用時,只需按照要求裝樣后,數秒即能在電腦平臺顯示出分析結果。

(2) 分析成本低。近紅外光譜分析無耗材,能源節省,與常用的標準方法相比,測試費用有很大程度的降低。

(3) 對操作人員要求低。相關操作人員只需要簡單的培訓就可以使用,一鍵即可得到結果,軟件界面簡單易懂。

(4) 測試條件要求低。在室外、工地等環境都可進行測試。對測試環境要求較低。

(5) 無需試劑、綠色環保。近紅外光譜分析技術只需樣品的光譜,無需破壞樣品性狀,不需要添加任何化學劑,避免了有害物質的產生,綠色環保。


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