Обнаружение масла на металле и ткани с помощью гиперспектральных камер

Масло используется во многих отраслях промышленности в качестве смазочного материала. В конечном продукте масло обычно считается загрязняющим веществом, и его очень важно обнаружить. Однако человеческому глазу сложно увидеть масло, поэтому традиционные RGB-камеры не способны его обнаружить. С другой стороны, гиперспектральные камеры должны иметь возможность захватывать эту информацию при работе на правильной длине волны.

Чтобы проверить это, на кусочки алюминия и черной ткани были намазаны три разных типа масла (рис. 1) и просканированы тремя разными типами гиперспектральных камер Specim: FX17, SWIR и FX50. Для теста использовались Weldlite TF2, очень распространенная смазка, используемая, например, для велосипедных цепей, Würth HSP 1400, высокотемпературная смазка, и Pentisol, синтетическое масло общего назначения.

Specim FX17 (900 - 1700 нм)

Specim SWIR (1000 - 2500 нм)

Specim FX50 (2700 - 5300 нм)

Рисунок 1 – Три типа масла, использованные в этом исследовании и нанесенные на металлические и тканевые детали. Круги на металлической пластине и куске ткани отмечают область нанесения масла. Зеленый указывает на Weldlite, красный на Würth, а синий на масло Pentisol.

Камера Specim FX17

Камера Specim FX17 охватывает спектральный диапазон 900 - 1700 нм и широко используется в промышленном контроле качества. Она подходит для обнаружения различных химических веществ на основе их природных и синтетических соединений. Например, она используется для измерения количества вещества, например, никотина, в листьях табака, а также для обнаружения загрязнителей и нежелательных объектов, например, кусочков костей в мясном фарше. Что касается механических масел, до сих пор было протестировано очень мало.

На основании спектрального анализа (рис. 3 и 4) камера Specim FX17 не может обнаружить все масла.

Масло Pentisol может быть частично обнаружено, масло Würth может быть обнаружено в основном на тканях (пик поглощения при 1393 нм), а масло Weltlite вообще не может быть обнаружено.

Рисунок 2 – Ложное RGB-изображение образцов с выборками

Рисунок 3 – Спектры, измеренные камерой Specim FX17, относительно усредненных выборок. Зеленый цвет указывает на Weldlite, красный на Würth, а синий на масло Pentisol. Желтые спектры можно считать эталонными, поскольку они относятся только к металлу и не испачканы каким-либо маслом.

Рисунок 4 – Спектры, измеренные камерой Specim FX17, относительно усредненных выборок. Зеленый цвет указывает на Weldlite, розовый на Würth, а синий на масло Pentisol. Оранжевые спектры можно считать эталонными, поскольку они относятся только к ткани и не испачканы каким-либо маслом.

Для данных был проведен анализ основных компонентов (PCA), подтверждающий наблюдения, основанные на спектрах. Далее анализ показывает, что масла, которые может обнаружить Specim FX17, можно очень слабо отличить друг от друга (рис. 5).

Рисунок 5 – Ложное представление PCA, когда PC1 назначается красной полосе, PC2 – зеленой, а PC3 – синей.

Specim SWIR камера

Камера Specim SWIR охватывает спектральный диапазон 1000 - 2500 нм. Как и FX17, SWIR также подходит для обнаружения различных химических компонентов. Благодаря более широкому спектральному диапазону SWIR обнаруживает больше материалов, чем FX17.

На основании спектрального анализа (рис. 7 и 8) камера SWIR со спектральными характеристиками выше 2200 нм подходит для обнаружения различных типов масла, особенно масел Würth и Pentisol. Масло Weltlite может быть частично обнаружено.

Рисунок 6 – Ложное RGB-изображение образцов с выборками

Рис. 7 – Спектры, измеренные камерой Specim SWIR, относительно усредненных выборок. Зеленый цвет указывает на Weldlite, красный на Würth, а синий на масло Pentisol. Желтые спектры можно считать эталонными, поскольку они относятся только к металлу и не испачканы каким-либо маслом.

Рис. 8 – Спектры, измеренные камерой Specim SWIR, относительно усредненных выборок. Зеленый цвет указывает на Weldlite, розовый на Würth, а синий на масло Pentisol. Оранжевые спектры можно считать эталонными, поскольку они относятся только к ткани и не испачканы каким-либо маслом.

В сочетании с PCA был проведен частичный дискриминантный анализ методом наименьших квадратов (PLS-DA) для оценки эффективности сортировки SWIR-камеры (рис. 9). По результатам масла Würth и Pentisol можно обнаружить как на металлических, так и на тканевых поверхностях и отделить друг от друга с помощью SWIR-камеры Specim. Масло Weltlite можно обнаружить на тканях, но его нельзя надежно обнаружить на металле.

Примечательно, что, несмотря на то, что все масла были нанесены на очень ограниченные участки образцов, масло Weltlite широко распространилось по ткани.

Рисунок 9 – Слева: ложное представление PCA при назначении PC1 красной полосе, PC2 – зеленой и PC3 – синей; справа: прогноз модели PLS-DA.

Камера Specim FX50

Камера Specim FX50 охватывает спектральный диапазон 2700 - 5300 нм. Эти длины волн являются частью теплового диапазона, так называемого MWIR. FX50 отлично подходит для сортировки различных типов полимеров, независимо от их цвета, даже черных.

Результаты показывают, что FX50 может обнаруживать все три различных типа масел как на поверхности металла, так и на поверхности ткани. FX50 может обнаруживать даже крошечные капельки масла. Тест показывает сильное поглощение масла в спектральном диапазоне 3300 и 3500 нм (рис. 11 и 12).

Рисунок 10 – Ложное RGB-изображение образцов с выборками

Рисунок 11 – Спектры, измеренные камерой Specim FX50, относительно усредненных выборок. Зеленый цвет указывает на Weldlite, красный на Würth, а синий на масло Pentisol. Желтые спектры можно считать эталонными, поскольку они относятся только к металлу и не испачканы каким-либо маслом.

Рисунок 12 – Спектры, измеренные камерой Specim FX50, относительно усредненных выборок. Зеленый указывает на Weldlite, красный на Würth, а синий на масло Pentisol. Желтые спектры можно считать эталонными, поскольку они относятся только к ткани и не испачканы каким-либо маслом.

В дополнение к PCA было построено моделирование PLS-DA для оценки производительности сортировки камеры Specim FX50. Как видно на рис. 13, все три типа масел можно обнаружить как на металлических, так и на тканевых поверхностях и отделить друг от друга с помощью камеры Specim FX50.

Рисунок 13 – Слева: ложное представление PCA при назначении PC1 красной полосе, PC2 – зеленой и PC3 – синей; справа: прогноз модели PLS-DA.

Вывод

На основании анализа можно сделать вывод, что Specim FX50 — лучшая камера для обнаружения масел с их поверхности. С FX50 вы также можете отличать разные типы масел друг от друга.

Список условных обозначений

PC – главный компонент

PCA – анализ основных компонентов

SWIR – короткие волны инфракрасного излучения

MWIR – средние волны инфракрасного излучения

PLS-DA – частичный метод наименьших квадратов – дискриминантный анализ