Specim高光譜相機應用案例：金屬和織物上的油污檢測

    油在許多行業中被用作潤滑劑，但在有些產品中，油通常被認為是種污染物，需要被探測識別。人眼很難觀察到油，傳統的RGB相機也很難檢測，但是高光譜相機在某些波長下工作時能夠捕捉到油存在的信息。

    為了測試這點，我們將三種不同類型的油涂抹在鋁片和黑色織物上（見圖1），包括Weldlite TF2（種常用的潤滑劑，例如用于自行車鏈條）、Würth HSP 1400（種高溫潤滑劑）和Pentisol（通用合成油），并使用三種不同型號的Specim高光譜相機對其進行掃描：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記了涂油的區域。

綠色表示Weldlite油，紅色表示Würth油，藍色表示Pentisol油

實驗過程：

 （1） Specim FX17相機 

    Specim FX17相機覆蓋900–1700 nm光譜范圍，廣泛用于工業質量檢測，適用于檢測天然和合成化合物。FX17可用于測量物質的數量，例如煙葉中的尼古??；也可以檢測食品中的異物，例如碎肉中的骨頭碎片、雜糧中的碎石等異物。關于機械油，迄今為止幾乎沒有進行過測試。

 根據光譜分析（見圖3和4），Specim FX17相機無法檢測到所有油類?？梢栽诙ǔ潭壬蠙z測到Pentisol油，在織物上可以檢測到Würth 油（在1393 nm處有吸收峰），但是檢測不到Weltlite油。

圖2：Specim FX17相機采集的偽彩色圖像

圖3. Specim FX17相機測量的金屬板上三種油的光譜。綠色表示Weldlite油，紅色表示Würth油，藍色表示Pentisol油。黃色光譜可被視為參考，因為它們僅與金屬有關，不會被任何類型的油破壞

圖4. Specim FX17相機測量的織物上三種油的光譜。綠色表示Weldlite油，粉紅色表示Würth油，藍色表示 Pentisol油。橙色光譜可被視為參考，因為它們僅與織物有關，不會被任何類型的油破壞

 對光譜數據進行了主成分分析(PCA)，得到了基于光譜的檢測結果。分析進步表明，Specim FX17近紅外高光譜相機可以檢測到油，但是比較微弱（圖5）。

圖5. 基于光譜的檢測結果

 （2） Specim SWIR相機 

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

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

圖6：Specim SWIR相機采集的偽彩色圖像

圖7. 使用Specim SWIR相機測量的金屬板上三種油的光譜。綠色表示Weldlite油，紅色表示Würth油，藍色表示Pentisol油。黃色光譜可被視為參考，因為它們僅與金屬有關，不會被任何類型的油破壞

圖 8. 使用 Specim SWIR 相機測量的織物上三種油的光譜。綠色表示Weldlite油，粉紅色表示 Würth油，藍色表示Pentisol油。橙色光譜可被視為參考，因為它們僅與織物有關，不會被任何類型的油破壞

 結合PCA，進行PLS-DA分析以評估SWIR 相機的分類性能（見圖9）。結果顯示，可以從金屬和織物表面檢測到Würth和Pentisol油，并使用Specim SWIR相機進行分類。Weltlite油可以在織物上檢測到，但不能在金屬上可靠的檢測到。

 值得注意的是，即使所有的油都涂在樣品的非常有限的區域，Weltlite油已經在織物上廣泛擴散。

圖9. 用SpecimONE分選軟件檢測的效果

（3）Specim FX50相機

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

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

圖 10. Specim FX50相機采集的偽彩色圖像

圖 11. 使用 Specim FX50相機測量的金屬板上三種油的光譜。綠色表示Weldlite油，紅色表示Würth油，藍色表示Pentisol油。黃色光譜可被視為參考，因為它們僅與金屬有關，不會被任何類型的油破壞

圖 12. 使用 Specim FX50相機測量的織物上三種油的光譜。綠色表示 Weldlite，紅色表示 Würth，藍色表示 Pentisol 油。黃色光譜可被視為參考，因為它們僅與織物有關，不會被任何類型的油破壞

 除了PCA之外，研究人員還建立了PLS-DA模型來評估Specim FX50相機的分類性能。如圖13所示，三種類型的油都可以從金屬和織物表面檢測到，并使用Specim FX50相機進行分類。

圖13. 用SpecimONE分選軟件檢測的效果

結論

 根據分析，我們可以得出結論，Specim FX50是檢測表面油脂更為合適的高光譜相機。使用FX50，您還可以對不同類型的油品進行分類。

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