Hyperspectral imaging for moisture analysis

Moisture content during production processes determines the final quality of a wide range of materials. Therefore, techniques for moisture analysis are of great interest in both industrial and research fields. Traditional gravimetric and dielectric methods, while accurate, are destructive and not suitable for in-line monitoring. Hyperspectral imaging (HSI) could be a suitable alternative. This thesis studies the use of HSI for different materials belonging to the FLEXHYON project, such as tiles, calcium carbonate, and organic samples used for essential oil extraction. Tests under controlled conditions that combine hyperspectral imaging (1000 nm -2500 nm) with gravimetric measurements for comparison were carried out. Then, hyperspectral data were analyzed using different indicators such as mean reflectance, ratios, and principal components (obtained through PCA). The results demonstrate that a clear correlation between spectral response and moisture rate is present. In particular, specific wavelengths around 1490 nm and 1980 nm proved to be sensitive to water absorption, while others (e.g., 1050 nm) proved to be stable references. Mean reflectance ratios showed monotonic trends with moisture, while selected principal components proved capable of tracking moisture rate effectively while filtering redundant information. With the results obtained, calibrated models were built in order to obtain moisture maps that enabled the visualization of moisture distribution across sample surfaces. Overall, the study demonstrates the effectiveness of hyperspectral imaging as a tool for non-destructive moisture monitoring. The identification of key spectral bands and robust analysis strategies lays the groundwork for future applications in quality control and process optimization in various material-related fields.

La qualità finale di diversi prodotti dipende fortemente dalla percentuale di acqua presente in essi durante tutto il processo industriale. Per questo, avere tecniche robuste per l'analisi dell'umidità è fondamentale in ambito industriale. I metodi più usati sono quello gravimetrico e metodi che usano le proprietà dielettriche del materiale per risalire al contenuto d'acqua. Questi metodi, pur essendo molto precisi, sono però distruttivi e non adatti a un'applicazione in linea. L'uso di telecamere iperspettrali potrebbe dunque rappresentare una valida alternativa. Per testarne l'efficacia, sono stati svolti diversi test su materiali legati al progetto FLEXHYON (come piastrelle, carbonato di calcio e materiali organici) che combinano acquisizioni iperspettrali (1000 nm - 2500 nm) in condizioni controllate con misurazioni gravimetriche. I dati raccolti sono stati poi analizzati usando diversi indicatori, come le riflettanze medie a diverse lunghezze d'onda, il loro rapporto e le componenti principali ottenute tramite PCA. I risultati mostrano una correlazione tra la risposta spettrale dei materiali e il tasso di umidità. In particolare, certe lunghezze d'onda come 1490 nm e 1980 nm si sono rivelate essere molto sensibili all'acqua, mentre altre lunghezze d'onda meno sensibili sono state usate come riferimenti stabili. Tramite i rapporti di riflettanza media tra queste bande si è potuto ottenere un legame univoco tra risposta spettrale e contenuto d'acqua all'interno dei materiali, fornendo così la possibilità di ottenere poi delle mappe che mostrassero la distribuzione dell'umidità sulla superficie dei campioni. Anche le componenti principali, dopo un processo di selezione, si sono dimostrate capaci di monitorare efficacemente l'umidità rimuovendo contemporaneamente informazioni ridondanti e poco utili. Riassumendo, lo studio dimostra l’efficacia delle immagini iperspettrali come strumento per il monitoraggio non distruttivo dell’umidità. L’identificazione di lunghezze d’onda chiave e di strategie di analisi robuste costituisce la base per future applicazioni nel controllo qualità e nell’ottimizzazione dei processi in diversi settori.