油在許多行業(yè)中被用作潤(rùn)滑劑，但在有些產(chǎn)品中，油通常被認(rèn)為是種污染物，需要被探測(cè)識(shí)別。人眼很難觀察到油，傳統(tǒng)的RGB相機(jī)也很難檢測(cè)，但是高光譜相機(jī)在某些波長(zhǎng)下工作時(shí)能夠捕捉到油存在的信息。

    為了測(cè)試這點(diǎn)，我們將三種不同類(lèi)型的油涂抹在鋁片和黑色織物上（見(jiàn)圖1），包括Weldlite TF2（種常用的潤(rùn)滑劑，例如用于自行車(chē)鏈條）、Würth HSP 1400（種高溫潤(rùn)滑劑）和Pentisol（通用合成油），并使用三種不同型號(hào)的Specim高光譜相機(jī)對(duì)其進(jìn)行掃描：FX17 (900 – 1700 nm)、SWIR (1000 – 2500 nm)和FX50(2700 – 5300 nm)。

圖1：本研究中使用三種油涂抹在金屬和織物上。金屬板上的圓圈和塊織物標(biāo)記了涂油的區(qū)域。

綠色表示Weldlite油，紅色表示Würth油，藍(lán)色表示Pentisol油

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

 （1） Specim FX17相機(jī) 

    Specim FX17相機(jī)覆蓋900–1700 nm光譜范圍，廣泛用于工業(yè)質(zhì)量檢測(cè)，適用于檢測(cè)天然和合成化合物。FX17可用于測(cè)量物質(zhì)的數(shù)量，例如煙葉中的尼古??；也可以檢測(cè)食品中的異物，例如碎肉中的骨頭碎片、雜糧中的碎石等異物。關(guān)于機(jī)械油，迄今為止幾乎沒(méi)有進(jìn)行過(guò)測(cè)試。

 根據(jù)光譜分析（見(jiàn)圖3和4），Specim FX17相機(jī)無(wú)法檢測(cè)到所有油類(lèi)?？梢栽诙ǔ潭壬蠙z測(cè)到Pentisol油，在織物上可以檢測(cè)到Würth 油（在1393 nm處有吸收峰），但是檢測(cè)不到Weltlite油。

圖2：Specim FX17相機(jī)采集的偽彩色圖像

圖3. Specim FX17相機(jī)測(cè)量的金屬板上三種油的光譜。綠色表示Weldlite油，紅色表示Würth油，藍(lán)色表示Pentisol油。黃色光譜可被視為參考，因?yàn)樗鼈儍H與金屬有關(guān)，不會(huì)被任何類(lèi)型的油破壞

圖4. Specim FX17相機(jī)測(cè)量的織物上三種油的光譜。綠色表示Weldlite油，粉紅色表示Würth油，藍(lán)色表示 Pentisol油。橙色光譜可被視為參考，因?yàn)樗鼈儍H與織物有關(guān)，不會(huì)被任何類(lèi)型的油破壞

 對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了主成分分析(PCA)，得到了基于光譜的檢測(cè)結(jié)果。分析進(jìn)步表明，Specim FX17近紅外高光譜相機(jī)可以檢測(cè)到油，但是比較微弱（圖5）。

圖5. 基于光譜的檢測(cè)結(jié)果

 （2） Specim SWIR相機(jī) 

    Specim SWIR 相機(jī)覆蓋1000–2500 nm光譜范圍。與FX17樣，SWIR也適用于檢測(cè)不同的化學(xué)成分。由于其更寬的光譜范圍，SWIR比FX17檢測(cè)到的材料更多。

 基于光譜分析（圖7和圖8），具有2200 nm以上光譜征的SWIR相機(jī)適用于檢測(cè)不同類(lèi)型的油，尤其是Würth和Pentisol油?？梢圆糠謾z測(cè)到Weltlite油。

圖6：Specim SWIR相機(jī)采集的偽彩色圖像

圖7. 使用Specim SWIR相機(jī)測(cè)量的金屬板上三種油的光譜。綠色表示Weldlite油，紅色表示Würth油，藍(lán)色表示Pentisol油。黃色光譜可被視為參考，因?yàn)樗鼈儍H與金屬有關(guān)，不會(huì)被任何類(lèi)型的油破壞

圖 8. 使用 Specim SWIR 相機(jī)測(cè)量的織物上三種油的光譜。綠色表示Weldlite油，粉紅色表示 Würth油，藍(lán)色表示Pentisol油。橙色光譜可被視為參考，因?yàn)樗鼈儍H與織物有關(guān)，不會(huì)被任何類(lèi)型的油破壞

 結(jié)合PCA，進(jìn)行PLS-DA分析以評(píng)估SWIR 相機(jī)的分類(lèi)性能（見(jiàn)圖9）。結(jié)果顯示，可以從金屬和織物表面檢測(cè)到Würth和Pentisol油，并使用Specim SWIR相機(jī)進(jìn)行分類(lèi)。Weltlite油可以在織物上檢測(cè)到，但不能在金屬上可靠的檢測(cè)到。

 值得注意的是，即使所有的油都涂在樣品的非常有限的區(qū)域，Weltlite油已經(jīng)在織物上廣泛擴(kuò)散。

圖9. 用SpecimONE分選軟件檢測(cè)的效果

（3）Specim FX50相機(jī)

     Specim FX50相機(jī)覆蓋2700–5300nm光譜范圍，即所謂的MWIR。FX50非常適合分揀不同類(lèi)型的聚合物，無(wú)論其顏色如何，甚至是黑色的。

 結(jié)果表明，FX50可以檢測(cè)金屬和織物表面上的所有三種不同類(lèi)型的油。FX50甚至可以檢測(cè)到微小的油滴。測(cè)試顯示在3300和3500 nm光譜范圍之間有很強(qiáng)的吸油性（圖11和12）。

圖 10. Specim FX50相機(jī)采集的偽彩色圖像

圖 11. 使用 Specim FX50相機(jī)測(cè)量的金屬板上三種油的光譜。綠色表示Weldlite油，紅色表示Würth油，藍(lán)色表示Pentisol油。黃色光譜可被視為參考，因?yàn)樗鼈儍H與金屬有關(guān)，不會(huì)被任何類(lèi)型的油破壞

圖 12. 使用 Specim FX50相機(jī)測(cè)量的織物上三種油的光譜。綠色表示 Weldlite，紅色表示 Würth，藍(lán)色表示 Pentisol 油。黃色光譜可被視為參考，因?yàn)樗鼈儍H與織物有關(guān)，不會(huì)被任何類(lèi)型的油破壞

 除了PCA之外，研究人員還建立了PLS-DA模型來(lái)評(píng)估Specim FX50相機(jī)的分類(lèi)性能。如圖13所示，三種類(lèi)型的油都可以從金屬和織物表面檢測(cè)到，并使用Specim FX50相機(jī)進(jìn)行分類(lèi)。

圖13. 用SpecimONE分選軟件檢測(cè)的效果

結(jié)論

 根據(jù)分析，我們可以得出結(jié)論，Specim FX50是檢測(cè)表面油脂更為合適的高光譜相機(jī)。使用FX50，您還可以對(duì)不同類(lèi)型的油品進(jìn)行分類(lèi)。

詞匯表

PC = 主成分

PCA = 主成分分析

SWIR = 短波紅外線

MWIR = 中波紅外線