基于近红外波长组合快速检测油页岩含油率

李永才



基于近红外波长组合快速检测油页岩含油率

李永才

Point

近红外光谱分析技术是检测含油率的方法之一，其既不会对样品造成破坏又不会对环境产生污染，在现场即可针对目标进行测定，且分析速度较快。笔者就此技术对油页岩中含油率的监测进行实验并得出结论，供相关工作者参考。

油页岩是以矿物质、水及油母为主要成分的泥灰岩或黏土岩，岩石中含有大量有机物，其中的油母在高温条件下会裂解生成页岩油。该种岩石的含油率即为其中的页岩油质量占岩石整体质量的比率。

一、实验的准备

（一）此次实验的样品

建模样品：本次实验选取产于东北某地并经充分研磨后的高岭土作为实验原料，此原料在过木筛后与美国某公司生产的基友按比例混合，获得浓度自2％至19％均匀分布的样品共18个。

验证样品：选取建模样品内的材料并将其分别配置成浓度分别是3％、5％、8％、10％、12％、14％、16％、20％共8个样品。

（二）实验仪器的选择

笔者采用近红外光谱分析设备作为实验的主要仪器，其光谱范围介于1300-2400nm之间，采样间隔范围介于2-10nm之间，出射狭缝大小在0.3-1.6nm之间，光谱的分辨率介于8-48nm之间。取样方式是积分球漫反射，测量方式是单点扫描与连续扫描；光谱数据有吸光度、反射率及K-M函数。

二、实验数据处理

（一）建模样品的光谱数据

把18个建模样品粉末放入此次测量所用的烧杯内，将其压实后把烧杯置放于仪器的窗口处，择取1300-2400nm全波段连续光谱进行扫描，再把烧杯进行旋转，从不同角度进行4次扫描取平均数作为反射率数据。此次实验数据如图1所示。再选取N个波长点进行单点扫描，取得平均值作为单点反射率的光谱数据。

（二）验证样品的光谱数据

把8个验证样品的粉末装入此次测量使用的烧杯内，再将其放置在仪器的窗口部位，使用单点扫描的方法，择取数个波长点并旋转烧杯至不同角度进行3此测量，取平均值即为此样品的单点反射率。

（三）含油率

验证样品和建模样品共26个，其含油率测量过程如下：用电子天平分别对机油和高岭土粉末进行适量的量取，再将此两种成分均匀混合后得到，含油率在3％-20％之间。

图1　样品反射率光谱分析

（四）实验方法概述

1、选择波长组合

对于建模样品的各类光谱数据，先对其进行微分、未处理并采用多元散射校正法进行预处理。

根据进行处理之后的数据来对波长和含油率之间的相关系数进行计算，依照设置的阈值择取阈值较高处的波峰点及阈值较低处的波谷点作为最初的波长组合。按照单点扫描状态下40nm的波长分辨率，剔除最初选择的波长点，再按比例手动择取10个波长点并将其作为候选点。

依照波长数进行组合，生成相应算法并建模。针对每次的建模结果计算出其预测标准偏差、决定系数等，再求出波长数建模的最小、最大SEV，选择最适宜的波长组合。

2、多元线性回归的方式建模

针对建模样品内的各个单点光谱数据依照含油率高低进行顺序排列，当间隔相等时择取中间点将其作为预测集，其他点作为校正集。各个样品的单点光谱应用石英烧杯作为实验容器也消除了散射及基线漂移等现象，所以针对单点光谱的数据直接建模，计算求得决定系数与预测集、校正集的标准偏差。

三、实验结果分析

（一）针对光谱数据进行预处理

将建模样品中各种全光谱数据进行预处理，预处理时选择多元散射校正以及 3阶7点曲线的一阶微分，通过计算求得预处理后含油率和光谱状况的相关系数。

通过观察可以发现，波长1418、1757、1876、2087nm处出现了吸收峰。多元散射校正原始光谱，能看出不同样品间反射率差异逐渐减小，散射的影响也逐步消除。一阶微分原始光谱，很容易看出不同样品之间反射率的差异也逐渐减小，其它背景与基线的干扰已经基本消除。

（二）选择波长组合

针对样品的全光谱进行预处理并经多元散射校正后，选取相关系数法完成阈值的设定，阈值较高时相关系数值是0.7，阈值较低时相关系数值是0.2。按照设置的阈值，可以于波峰处择取相关系数比0.7大的波长点，于波谷处择取相关系数比0.2波长点，再按照波长点数建模，求得预测标准偏差和决定系数。

（三）多元线性回归的建模结果

采用模型分级的方式针对单点光谱进行处理，在针对其反射率完成建模，求得预测集与校正集的预测标准偏差是0.0040与0.0042，决定系数是0.9986 与0.9963，再据此推算回归函数。

（四）针对模型进行验证

针对模型进行验证可以求得验证集有0.0063及0.9914预测标准偏差。分析样品的含油率和单点光谱反射率的关系，可发现反射率和含油率之间大致为线性关系。

结语

笔者结合相关系数法、微分等方法，针对波长进行初步筛选，并用多元线性回归的方式建模对最适宜波长组合进行确定；借助单点测量光谱求出了最适宜波长的光谱数据，再根据此进行建模验证。从实验结果中可以看出，验证样品及建模样品的决定系数均超过了0.99。希望笔者的研究能为检测工作者提供参考。

（作者单位：吉林省桦甸市产品质量计量检测所）