流程工业智能制造是过程信息化与自动化的融合,其信息化核心则是过程信息感知技术。对于流程工业,温度、压力、流量等信息参数的在线检测技术很成熟,而物料组成及关键性质的在线感知技术则是流程工业智能制造亟待发展的。近红外光谱(NIR)可以快速测定物料组成及物化性质,具有用于发展过程信息感知技术的潜力。在线NIR分析技术已广泛用于流体物质等条件恒定和均匀物料的过程检测。然而,固态物质形态不均匀,易受环境因素(水分、温度)变化影响,传送带上物料移动速度快等,这些因素均严重影响在线NIR光谱测量精度;而环氧树脂等固化过程既存在化学性质变化又存在物理性质变化,这造成近红外光谱信号既包含吸收光信息又包含散射光信息。光谱信号中存在大量噪声,对有用信息产生严重湮灭作用,使用常用的光谱预处理方法难以有效地消除其影响,成为阻碍NIR过程分析技术用于固态产物及高分子聚合反应领域的重要因素。本论文旨在研究这些因素影响规律与机理,发展适合固态物质及高分子聚合过程在线NIR分析的理论和方法。主要研究内容与结果如下:1.天然纤维素浆粕关键性质过程分析研究。α-纤维素含量和聚合度是天然纤维素浆粕产品的关键性质指标,现有的测定方法耗时,严重滞后于生产过程控制的即时需要。天然纤维素浆粕NIR光谱含有丰富的组成与结构信息,是理想的分析信号。然而,天然纤维素分子含有大量O-H基团,导致水分子与其分子之间的相互作用十分显著,吸水性强,环境湿度变化会严重影响NIR分析结果,成为富含纤维素固体天然产物的NIR过程分析的技术难题。论文采用连续小波变换和二维相关光谱等方法研究了水分子与纤维素分子相互作用的机理,提出了消除水分变化对近红外光谱影响的自适应斜投影算法(AOPA),使用竞争适应重加权抽样(CARS)方法结合相关系数选择特征变量,建立了不同原材料(针叶木、阔叶木、竹、纸改浆)纤维素浆粕的α-纤维素含量和聚合度PLS定量分析模型。结果表明,与使用现有的光谱预处理方法相比,建立的模型分析精度提高了一个数量级,α-纤维素含量和聚合度多次重复性测定结果的RSD分别不大于0.22和1.22。模型的SEC分别为0.498和31.627,SEP 分别为 0.557 和 34.146,RPD 分别为 5.22 和 3.00,即近红外分析结果与标准方法一致,满足了实际生产需求,为解决天然纤维素浆粕关键指标在线NIR检测技术难题奠定了理论基础。2.活体蚕蛹雌雄智能高速分选技术研究。杂交是现代蚕桑业生产的关键工序,目前还仍依赖于眼睛辨认和手工分拣雌雄蚕蛹,效率低,成本高,是制约着行业升级的技术瓶颈。论文采用NIR光谱研究了高速识别活体蚕蛹雌雄的方法。由于生产实际可行的分拣速度要求很苛刻,单个分选时间为毫秒级,使得曝光时间极短,个体尺寸差异产生的光程差(OPD)等因素引起的光谱噪声显著,课题难度很大,极具挑战性。论文首先采用干燥称量法结合红外光谱分析了雌雄蚕蛹的组成差异。然后,人工控制蚕蛹处于静止状态和不同部位,采集其漫反射NIR光谱,研究光谱预处理对建模的影响。在上述研究基础上,设计和制作了高速动态采集活体蚕蛹NIR光谱的装置,在线采集处于高速动态状态的活体蚕蛹近红外光谱。研究发现,动态光谱中噪声显著,比静态的大一个数量级,主要来自蚕蛹尺寸和体位变化产生的OPD。使用常用的光谱预处理法均难以消除其影响。论文提出了将吸光度光谱转变为角向量光谱消除OPD影响的方法,效果非常明显,结合软独立建模分类法(SIMCA)建立了雌雄蚕蛹识别模型,分拣速度可以达到8枚/s,正确率达到98%以上。攻克了活体蚕蛹雌雄高速分选的技术难题,成功地用于实际生产,填补了一项技术空白。3.环氧树脂胺固化凝胶点和凝胶时间测定方法及凝胶机理研究。凝胶时间和凝胶点是环氧树脂固化材料工业生产质量和成本控制的关键指标。凝胶点是对应凝胶时间的转化率。现有凝胶时间检测是基于DMA等仪器的方法,而凝胶点检测则是基于分子光谱或者DSC等方法。这两种指标检测设备不同,所需的样品量及传质过程均不同,使得测量结果误差较大。而且这些传统检测方法均为离线检测,不仅检测结果严重滞后实际生产质量控制的即时需求,而且,由于条件控制差异,使得离线测量结果与实际生产情况存在着较大偏差。论文提出了一种可同时测定凝胶时间和凝胶点的在线检测方法。使用在线近红外光谱技术采集环氧固化反应过程光谱信号,采用离散小波将光谱信号分解为不同频率的信号。不同频率的信号对应着不同信息,如化学组成与光散射相关的信号。将过程光谱中的化学组成和光散射信号分别用于测定转化率和凝胶时间,实现了使用在线NIR光谱同时测定凝胶时间和凝胶点,有效地解决了上述传统方法的问题,显著提高了凝胶点检测精度。研究还采用多元曲线分辨(MCR-ALS)方法解析了环氧树脂的凝胶化机理,揭示了温度对环氧树脂凝胶化过程中网络生长规律的影响:在较低温度时,先形成较长的线性结构,直链的长度限制了自身的运动,开始形成支化结构,最后相互连接形成三维网络结构发生凝胶;温度适中时,形成较长的直链支化结构,凝胶时支化结构相互连接形成大的网络结构;而反应温度过高时反应开始即形成小三维网络结构,凝胶时众多小的三维网络结构相互连接形成大的三维网络结构。