基于热裂解及液滴分析技术的树种识别初探

冯国红，姜雪松，张 敏

(1.东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040；2.北京ABB电气传动系统有限公司，北京 100015)

木材是现代家庭普遍首选的装饰装修材料，不同树种的家具，价格差异较大，因其而引起的用户与供货商，或者装修公司之间的矛盾和纠纷屡见不鲜；此外，近年来，由于木材消耗的增长，我国从欧洲、东南亚、非洲和大洋洲等地区进口木材的数量正在逐年大幅增长，树种不符已成为我国进口木材贸易中最常见的欺诈手法之一；同时，木材作为重要的工程和工业用材料，被大量地应用在造纸、化工、纺织和船舶等行业，不同树种的木材、性能各有不同。只有正确地鉴定出树种，才能较好的解决装修纠纷，维护消费者利益，才能保证我国进出口木材市场流通顺畅，才能科学合理地利用木材资源。

现有的木材识别方法主要有两大类[1-4]：一是手工识别，如微观与宏观结合的识别方法；二是计算机辅助识别，如计算机数据库识别法、计算机数字图像识别法、DNA识别法和近红外光谱识别法等。手工识别主要依靠识别人的知识和经验，容易出现不能识别或误判的情况；计算机辅助识别方法相对手工识别有了很大的进步，能够消除人工因素的干扰，使得木材识别的结果更加客观公正，但这些方法研究起步较晚，还存在很多不完善的地方有待挖掘，不能用于实际应用。

液滴分析技术是近些年发展起来的一项新技术，其具有很强的液体识别能力，精度已经达到能够准确识别在外观、气味和制备原料等方面都非常相似的液体，如七喜汽水和雪碧[5-8]。能否将液滴分析技术的这种识别能力应用于树种，这是很值得研究的课题。

应用液滴分析技术识别树种，首先需要将木材由固态转化为液态。由文献可知，热裂解技术是目前世界上生物质能研究的前沿技术之一。利用该技术可将木粉颗粒转化为醇类、可燃性油或其他带有特定官能团的化合物，即可将木材由固态转化为液态[9-11]。基于此，本文提出基于热裂解和液滴分析技术对树种识别进行研究。

1 树种识别的原理

现有的液滴分析方法主要有：光纤液滴分析法、电容液滴分析法、光纤-电容液滴分析法和图像液滴分析法等，其中光纤液滴分析法得到的“光纤液滴指纹图”具有细微识别液体的能力，装置实现较简单。基于此，本文利用热裂解及光纤液滴分析法对树种识别进行了研究，其原理框图如图1所示。

图1 液滴分析技术识别树种的原理框图

木粉颗粒经热烈解装置高温加热、冷凝处理、滤除杂质后转化为液体。将此液体由供液泵通过毛细管向滴头供液，在滴头处形成形状饱满、均匀的液滴。

在液滴形成至滴落的过程中，由光纤传感器、光纤信号处理电路和计算机等记录下液滴刚开始形成到滴落全过程的光纤信号变化曲线，即“光纤液滴指纹图”。此液滴指纹图在一定测试系统条件下，具有唯一性。可通过得到不同树种的液滴指纹图，提取特征，对树种进行识别。

2 流速确定实验及结果分析

理论上，光纤传感器在记录液滴生长过程时，应该是在供液泵供液一段时间后停止供液，液滴处于平衡状态时，采集输出光纤中的信号；供液泵再进行供液，然后停止，再采集；如此反复，直至液滴滴落。实际中，供液泵是连续工作的，液滴一直处于动态生长过程，若液滴的生长过程不出现抖动，保持流畅状态，则由于数据采集速度较快，能够得到重复性好的液滴指纹图，可用于液体的识别。本文中，木材经过热裂解装置液化后，得到的液体比较粘稠，此粘稠液体的液滴生长过程能否保持稳定、流畅，对于能否应用液滴分析技术识别树种及相应仪器的设计至关重要。为此本文进行了如下实验：将红松木粉在380℃下进行蒸发，冷凝，滤除杂质，得到待测液体。采用天津大学裘祖荣教授设计的光纤液滴分析仪对该液体进行了实验。

考虑到流速对于液滴生长的稳定性有一定的影响，本文采用Razel公司生产的A-99型号供液泵。该泵共有99种流速可供选择，可通过拨动仪器右下角的两个数字键来选择合适的流速。

本文采用容积为10 ml的注射器，将供液泵流速分别设置为第35种(13.9 ml/h)、第45种(17.9 ml/h)、第55种(21.8 ml/h)、第65种(25.8 ml/h)和第75种(29.8 ml/h)，对待测液体进行实验，得到的光纤液滴指纹如图2所示。

(a)第35种流速

(b)第45种流速

(c)第55种流速

(d)第65种流速

(e)第75种流速

从实验结果可以看出，供液泵的供液速度设置在第65种流速时得到的光纤液滴指纹图重复性好，另外几种流速得到的液滴指纹图重复性不够理想，出现了液滴指纹图较凌乱的现象。通过观察液滴的形成过程发现，由于木材液化后得到的液体比较粘稠，在液滴体积逐渐增大及滴落的瞬间，有时候会出现液滴抖动的现象，从而导致采集的液滴指纹图重复性较差。

由此可见，采用液滴分析技术进行树种识别时，需要设计好供液泵的供液速度，或选用专用于注射粘稠液体的供液泵，以保证获得重复性理想的液滴指纹图。

3 树种识别实验及结果分析

为了验证液滴分析技术识别树种的能力，本文对与红松特征相近的白松进行了实验。将白松木粉同样在380℃下进行蒸发，冷凝，滤除杂质，对得到的液体在流速为第65种下进行实验。为了便于观察及对比液滴指纹图的细节，这里分别给出了红松和白松液化后2滴液滴的液滴指纹图，如图3和图4所示。

图3 红松的两滴液滴的液滴指纹图

图4 白松的两滴液滴的液滴指纹图

比较图3和图4的光纤液滴指纹图，可以看出二者在形状上有较大的区别。红松得到的液滴指纹图包含的信息更丰富，从液滴刚开始形成到滴落，光纤信号一直在变化；而白松得到的液滴指纹图仅在液滴生长到较大体积时才有信号。通过提取液滴指纹图的特征，可实现红松和白松的识别。可见，利用液滴分析技术识别树种有一定的可行性。

4 结论与展望

本文利用光纤液滴分析技术对树种识别进行了探索性研究，通过实验得出以下结论：

(1)由于木材液化后得到的液体比较粘稠，需要选择合适的流速，使液滴的形成过程具有一定的重复性，便于液滴指纹图的采集与对比。对于红松和白松，选择第65种流速，可得到重复性好的液滴指纹图。

(2)通过比较特征相似的白松和红松的液滴指纹图，可以看出二者有明显的不同，说明利用液滴分析技术识别树种有一定的可行性。

今后通过对多种树种进行实验，得到各个树种的液滴指纹图，通过比较、提取指纹图特征、建立数据库等，有望为树种识别提供一种新的、准确性高的识别方法。

【参 考 文 献】

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