快速無損檢測綠茶成分含量的裝置的製作方法

2023-12-05 18:56:21 2

專利名稱：快速無損檢測綠茶成分含量的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光電檢測技術領域，特別地，涉及一種快速無損檢測綠茶 成分含量的裝置。
背景技術：
近紅外光是指波長介於可見區與中紅外區之間的電磁波，波長範圍780nm 2500nm，還可將其劃分為短波近紅外(780nm 1100nm)和長波近紅外(1100nm 2500nm)兩個區域。近紅外光譜(NIR)的信息主要來源於分子內部振動引起光 子吸收，主要反映分子中C-H，N-H與0-H等含氫基團的倍頻與合頻振動吸收。 近紅外光譜分析技術是利用近紅外譜區所包含的信息對物質進行定性和定量的 分析，是光譜分析技術與化學計量學方法的有機結合，通過接收反射光譜或透 射光譜，並以現代化學計量學方法對其進行解析，就可以對物質成分進行定性 或定量分析，在理論研究和技術應用上也已經趨於成熟。近紅外光譜分析技術 具有檢測過程無需或很少進行樣品預處理、檢測速度快、不消耗任何試劑、對 環境不造成汙染以及容易實現在線分析等顯著優點。
從上世紀50年代起，各國廣泛開展了茶葉理化審評的研究，探討茶葉的物 理性狀和分析茶葉各種有效化學成分的含量，試從計量的數據來尋求理化審評 方法鑑定茶葉優劣。而茶葉色、香、味的形成是極其複雜的，茶葉的優劣往往 是許多成分的適量適比，綜合作用的結果。因此，目前各國和國際貿易中對於 茶葉優劣等級鑑定，仍普遍採用感官審評法，並輔助測定重要的理化指標，如 水、茶多酚、兒茶素、胺基酸、咖啡鹼、水浸出物和灰分等。
國內外茶葉評定一般採用感官和理化審評相結合的方法，目前主要採用理 化方法檢測茶葉主要成分的含量。我國國家標準中檢測評價茶葉的成分是氨基 酸、咖啡鹼、茶多酚、水分等常規檢測項目。相應的國家標準分別是GB/T 8314-2002、 GB/T 8312-2002、 GB/T 8348-2002、 GB/T 8304-2002、 GB/T 8305-2002。 我國是茶葉的生產和消費大國，每年用於其成分檢測的費用和工作量十分巨大。 茶製品從其初加工到深加工和銷售的各個環節，就涉及多次的成分檢測。目前常規茶葉成分理化檢驗具有較高的準確度和可靠性，但茶葉樣品的預處理過程 繁瑣、測試耗時、成本較高以及對樣品的破壞性，此外還必需配備專業檢測人 員，因此茶葉成分理化檢驗方法不能很好滿足實際生產貿易需求。

實用新型內容
本實用新型的目的在於針對現有技術的不足，提供一種快速無損檢測綠茶 成分含量的裝置。
本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的 一種綠茶成分含量快速 無損檢測的裝置，它主要由光電信號檢測系統和嵌入式DSP數位訊號處理系統 組成。所述光電信號檢測系統和嵌入式DSP數位訊號處理系統均封裝在外殼內。
光電信號檢測系統主要由光源、第一透鏡、圓形光孔、第二透鏡、調製盤、 磁滯同步電機、濾光片輪、幹涉濾光片、步進電機、二次光闌、反光鏡、標準 漫反射白板、樣品池、旋轉平臺和近紅外探測器組成。所述光源、第一透鏡(2)、 圓形光孔、第二透鏡、調製盤、濾光片輪和二次光闌依次排列，所述光源、第 一透鏡、圓形光孔、第二透鏡同軸，且它們的軸線與調製盤和濾光片輪的軸線 平行，與樣品池的旋轉中心軸線垂直，磁滯同步電機的驅動軸與調製盤相連， 幹涉濾光片按照圓形排列均勻分布在濾光片輪上，濾光片輪與步進電機的驅動 軸相連，樣品池底部是一塊透紅外石英玻璃片，樣品池內部嵌入標準漫反射白 板，樣品池放置旋轉平臺上，旋轉平臺固定在外殼上，探測器光學工作面的中
心軸線與旋轉樣品池旋轉中心軸線成45°夾角。反光鏡光學工作面與旋轉樣品 池旋轉中心軸線成45。夾角。樣品池外在標準漫反射白板工作面處安裝磁體，
在旋轉平臺上安裝霍爾傳感器。
嵌入式DSP數位訊號處理系統主要由儀表放大器、低通濾波器和24位高精 度Delta-Sigma A/D轉換器、DSP數位訊號處理器、MSP430單片機、USB2. 0通 信接口和液晶顯示屏組成。所述儀表放大器、低通濾波器和24位高精度 Delta-Sigma A/D轉換器和DSP數位訊號處理器依次電連接，MSP430單片機和 USB2. 0通信接口分別與DSP數位訊號處理器相連。
本實用新型的有益效果是本實用新型能實現綠茶中胺基酸、咖啡鹼、茶 多酚、水分等常規檢測項目的無損檢測，比常規茶葉成分理化檢驗更為快捷、 環保、無需進行樣品預處理，檢測結果重複性好，檢測費用低。

圖1為本實用新型的工作原理示意圖； 圖2為本實用新型的工作模塊框圖； 圖3為調製盤結構示意圖； 圖4為濾光片輪結構示意圖5為本實用新型快速無損檢測綠茶成分含量的裝置機械結構俯視圖； 圖6為旋轉樣品池內嵌標準漫反射白板工作原理示意圖。
具體實施方式
在長波近紅外(1100nm 2500mn)光譜區域內，首先根據綠茶光譜特 性及遺傳算法等波長選擇方法，對綠茶中的四種常規成分的近紅外特徵波 長進行提取，剔除不相關或非線性變量，簡化綠茶成分含量檢測模型，同 時確保模型的可靠性。近紅外綠茶專用成分及含量檢測裝置依據所選特徵 分析波長設計，採用濾光片型分光系統和旋轉樣品池測量裝置，並將漫反 射標準白板內嵌於旋轉樣品池中，從而實現快速交替檢測樣品及白板漫反 射信號，簡化儀器機械結構的同時，提高了光譜穩定性及樣品檢測速度。
本實用新型利用近紅外光譜分析技術(Near-infrared Spectrum Technology)對綠茶主要成分進行分析。此快速無損檢測綠茶成分含量的裝置提 供高測量精度光譜，是被測樣品信息的載體，也是整個近紅外光譜分析技術的 硬體基礎；配套的化學計量學方法用以消除或減少各種化學和非化學因素對光 譜的幹擾，從而建立綠茶樣品光譜與被測綠茶樣品性質之間的定量關係和樣品 類型識別信息庫；綠茶樣品檢測模型基於大量樣品數據，是綠茶樣品化學組成 成分數據與綠茶樣品近紅外光譜數據之間的某種內在聯繫。檢測模型以不同波 長下的吸光度為輸入量，以綠茶中胺基酸、咖啡鹼、茶多酚、水分4種成分含 量為輸出量。在模型建立完畢後，模型還需要不斷的維護和升級，從而更好的 完成樣品定性和定量的檢測。
本實用新型快速無損檢測綠茶成分含量的裝置的工作原理是，溴鎢燈光源 發出的光經透鏡準直後，斬光器對準直平行光進行光強調製，再經由幹涉濾光 片、濾光片輪和步進電機構成的分光裝置分光，然後帶寬為10nm-20nm的單色 光入射旋轉樣品池，在其底面發生漫反射，漫反射光入射到InGaAs探測器，探 測器輸出的微弱光電信號經儀表放大器放大和低通濾波後，被24位高精度 Delta-Sigma A/D轉換器轉換為數位訊號，此數位訊號再傳遞給DSP數位訊號處理器，最後由數字處理器計算出漫反射吸光度值，然後輸入綠茶成分含量分析 模型得出綠茶樣品中胺基酸、咖啡鹼、茶多酚和水分的含量，並在液晶顯示器
上實時顯示。還可以通過裝置自帶的USB2.0接口計算機互聯，由計算機對光譜
數據進行管理。
本實用新型中採用漫反射法測定綠茶吸收光譜，由於綠茶形狀各異，樣品
多次測量後取其光譜平均值，光譜預測處理過程中利用SNV和去趨勢 (de-trending)方法，降低了不同樣品固體顆粒大小、表面散射以及光程變化 對NIR漫反射光譜的影響。樣品池的旋轉提高了光譜採集的均勻性，旋轉樣品 池內嵌標準白板進一步提高了樣品檢測速度，以及漫反射光譜的穩定性。
本實用新型中建立了綠茶近紅外光譜庫，在選擇定標樣品時主要考慮的是 奇異點的剔除和代表性樣品的選擇，主要採用了聚類方法和K-S方法，並綜合 研究應用了茶葉各組分的自然特性，分別建立了綠茶中胺基酸、咖啡鹼、茶多 酚、水分四種組分的近紅外光譜模型，探測得到的光譜可以智能選擇相應的模 型進行含量計算。
以下結合附圖和實例對本實用新型作進一步說明，本實用新型的目的和效 果將變得更加明顯。
如圖1所示，本實用新型的綠茶成分含量快速無損檢測的裝置主要由光電 信號檢測系統和嵌入式DSP數位訊號處理系統兩部分組成。所述光電信號檢測 系統和嵌入式DSP數位訊號處理系統均封裝在外殼24內。
光電信號檢測系統主要由光源1、第一透鏡2、圓形光孔3、第二透鏡4、 調製盤5、磁滯同步電機6、濾光片輪7、幹涉濾光片8、步進電機9、 二次光闌 11、反光鏡12、標準漫反射白板48、樣品池15、旋轉平臺16和近紅外探測器 17組成。所述光源l、第一透鏡2、圓形光孔3、第二透鏡4、調製盤5、濾光 片輪7和二次光闌11依次排列，所述光源1、第一透鏡2、圓形光孔3、第二透 鏡4同軸，且它們的軸線與調製盤5和濾光片輪7的軸線平行，與樣品池15的 旋轉中心軸線垂直，磁滯同步電機6的驅動軸與調製盤5相連，幹涉濾光片8 按照圓形排列均勻分布在濾光片輪7上，濾光片輪7與步進電機9的驅動軸相 連，樣品池15底部是一塊透紅外石英玻璃片10，樣品池15內部嵌入標準漫反 射白板48，樣品池15放置旋轉平臺16上，旋轉平臺16固定在外殼24上，探 測器17光學工作面的中心軸線與旋轉樣品池15旋轉中心軸線成45。夾角。反 光鏡12光學工作面與旋轉樣品池15旋轉中心軸線成45°夾角。樣品池15外在 標準漫反射白板48工作面處安裝磁體44，在旋轉平臺16上安裝霍爾傳感器13， 通過磁體44和霍爾傳感器13進行角度的精確定位，實時確定光斑的相對樣品工作面的位置。
光源1發出的光經第一透鏡2、圓形光孔3和第二透鏡4後準直；磁滯同步 電機6帶動調製盤5對準直光進行光強調製，光強調製頻率在低頻段的
400Hz-1000HZ範圍內；調製光經過幹涉濾光片8後變為帶寬10nm-20nm的單色 光，濾光片輪7由步進電機9帶動；單色光再經過二次光闌11和反光鏡12作 用，偏心垂直入射圓形工作面的旋轉樣品池15，旋轉樣品池15底部有一塊透紅 外石英玻璃片10，旋轉樣品池15底部嵌入標準漫反射白板48;旋轉平臺16帶 動旋轉樣品池15勻速轉動，旋轉樣品池15同時使探測光快速交替掃描標準漫 反射白板48和茶葉樣品14，探測器17為InGaAs探測器，近紅外探測器17接 收茶葉樣品14和標準漫反射白板48的漫反射光，輸出微弱光電信號。
嵌入式DSP數位訊號處理系統主要由儀表放大器18、低通濾波器19和24 位高精度Delta-Sigma A/D轉換器20、 DSP數位訊號處理器21、 MSP430單片機 22、 USB2. 0通信接口 23和液晶顯示屏組成；儀表放大器18、低通濾波器19和 24位高精度Delta-Sigma A/D轉換器20和DSP數位訊號處理器21依次電連接， MSP430單片機22和USB2. 0通信接口 23分別與DSP數位訊號處理器21相連。
探測器17兩端經2個高精度電阻偏置後直接接入儀表放大器18，近紅外探 測器17輸出的微弱光電信號由儀表放大器18放大，再經低通濾波器19降噪處 理，最後由24位高精度Delta-SigmaA/D轉換器20轉換為數位訊號。DSP數字 信號處理器21對數位訊號進行處理，計算得出吸光度值及茶葉主要成分含量。 此外還可以通過USB2. 0通信接口 23與計算機相連接，傳輸漫反射光譜數據和 茶葉主要成分含量數據。MSP430單片機22負責液晶顯示、霍爾傳感器45以及 步進電機9等底層硬體的控制。嵌入式DSP信號處理系統對數位訊號做FFT處 理，計算出有效調製信號範圍內信號的平均功率，以平均功率作為吸光度計算 的主要依據。例旋轉樣品池旋轉一周，先後計算出標準漫反射白板光電信號平 均功率(P。)和茶葉樣品漫反射光電信號平均功率(P)，通過漫反射計算公式 A4og(P。/P)計算出樣品漫反射吸光度值。 實施例
圖3 5示出了本實用新型光電信號檢測系統的一個具體實施例。旋轉樣品 池放置在旋轉平臺25上的圓形固緊卡口內，旋轉平臺通過高精度軸承與圓柱形 封裝體40裝配。主動同步帶輪26通過同步帶帶動旋轉平臺，使之可以平穩轉 動。主動帶輪的轉速由步進電機27、步進電機驅動器28和單片機脈衝發生器控 制。在旋轉樣品池發生旋轉的同時，首先安裝於光源精密滑動底座36上的溴鎢 燈34發出的複色光通過透射式準直物鏡32進行準直，然後由轉速為3000R/M的磁滯同步電機30帶動調製盤42對準直光進行光強的調製。接著由步進電機 驅動器31、步進電機33、濾光片輪43、幹涉濾光片和單片機脈衝發生器組成分 光系統對調製光進行分光處理，利用霍爾角度定位系統使第一工作濾光片對準 準直物鏡光孔，使複色調製光37變為單色調製光38。調製盤和安裝有幹涉濾光 片和濾光片輪被固定在封裝體29和固緊蓋41構成的封閉體內，可以有效降低 機械噪聲以及灰塵對幹涉濾光片表面的汙染。當單色調製光入射旋轉樣品池底 部工作面時，漫反射光被探測器39接收生成微弱光電信號。檢測系統分別檢測
白板漫反射信號和綠茶樣品漫反射信號後，根據漫反射吸光度的定義公式 A-Lg(/。〃)可以計算出當前第一個濾光片工作狀態下的漫反射吸光度。當完成 第一個濾光片的測量時，步進電機驅動器31設置64細分模式，也就是微步進 角為1.8/64度，使步進電機轉動36(T /14=25.714° ，單片機脈衝發生器輸出 25.714° /64) 914個脈衝，使第二工作濾光片重新對準準直物鏡光孔， 依次類推，直到測量完所有的幹涉濾光片。
如圖2所示，對溴鎢燈光源發出的光進行準直、濾光處理及光強調製，使 之變為我們所要求的調製單色光，再經反紅外平面反射鏡反射後偏心垂直入射 樣品池。探測器接收來自樣品池的漫反射光，生成微弱光電信號，然後光電信 號採集系統調理並採集此光電信號。嵌入式DSP信號處理系統對數字採集信號 做數字帶通濾波處理，計算出調製信號的平均功率。以平均功率作為吸光度計 算的主要依據。例:旋轉樣品池旋轉一周，先後計算出標準漫反射白板光電信號 平均功率(P。)和茶葉樣品漫反射光電信號平均功率(P)，通過漫反射計算公式 A二log(P。/P)計算出樣品漫反射吸光度值。DSP嵌入式信號處理系統對採集得到 的信號進行處理，計算得出吸光度，然後根據茶葉成分測量的多元線性回歸模 型預測當前樣品成分的含量，預測誤差不超過5%。
上述實施例用來解釋說明本實用新型，而不是對本實用新型進行限制，在 本實用新型的精神和權利要求的保護範圍內，對本實用新型作出的任何修改和 改變，都落入本實用新型的保護範圍。
權利要求1. 一種快速無損檢測綠茶成分含量的裝置，其特徵在於，它主要由光電信號檢測系統和嵌入式DSP數位訊號處理系統組成，所述光電信號檢測系統和嵌入式DSP數位訊號處理系統均封裝在外殼(24)內。
2. 根據權利要求1所述的快速無損檢測綠茶成分含量的裝置，其特徵在於，所 述光電信號檢測系統主要由光源(1)、第一透鏡(2)、圓形光孔(3)、第二 透鏡(4)、調製盤(5)、磁滯同步電機(6)、濾光片輪(7)、千涉濾光片(8)、 步進電機(9)、 二次光闌(11)、反光鏡(12)、標準漫反射白板(48)、樣品 池(15)、旋轉平臺(16)和近紅外探測器(17)組成；所述光源(1)、第一 透鏡(2)、圓形光孔(3)、第二透鏡(4)、調製盤(5)、濾光片輪(7)和二 次光闌(11)依次排列，所述光源(1)、第一透鏡(2)、圓形光孔(3)、第 二透鏡(4)同軸，且它們的軸線與調製盤(5)和濾光片輪(7)的軸線平行， 與樣品池(15)的旋轉中心軸線垂直，磁滯同步電機(6)的驅動軸與調製盤(5)相連，幹涉濾光片(8)按照圓形排列均勻分布在濾光片輪(7)上，濾 光片輪(7)與步進電機(9)的驅動軸相連，樣品池(15)底部是一塊透紅 外石英玻璃片(10)，樣品池(15)內部嵌入標準漫反射白板(48)，樣品池(15)放置旋轉平臺(16)上，旋轉平臺(16)固定在外殼(24)上，探測 器(17)光學工作面的中心軸線與旋轉樣品池(15)旋轉中心軸線成45。夾 角；反光鏡(12)光學工作面與旋轉樣品池(15)旋轉中心軸線成45。夾角； 樣品池(15)外在標準漫反射白板(48)工作面處安裝磁體(44)，在旋轉平 臺(16)上安裝霍爾傳感器(13)。
3. 根據權利要求1所述的快速無損檢測綠茶成分含量的裝置，其特徵在於，所 述嵌入式DSP數位訊號處理系統主要由儀表放大器(18)、低通濾波器(19) 和24位高精度Delta-Sigma A/D轉換器(20)、 DSP數位訊號處理器(21)、 MSP430單片機(22)、 USB2.0通信接口 (23)和液晶顯示屏組成；所述儀表 放大器(18)、低通濾波器(19)和24位高精度Delta-Sigma A/D轉換器(20) 和DSP數位訊號處理器(21)依次電連接，MSP430單片機(22)和USB2. 0 通信接口 (23)分別與DSP數位訊號處理器(21)相連。
專利摘要本實用新型公開了一種快速無損檢測綠茶成分含量的裝置，它主要由光電信號檢測系統和嵌入式DSP數位訊號處理系統組成，光電信號檢測系統和嵌入式DSP數位訊號處理系統均封裝在外殼內；本實用新型能夠實現綠茶中胺基酸、咖啡鹼、茶多酚、水分等常規檢測項目的無損檢測，比常規茶葉成分理化檢驗更為快捷、環保、無需進行樣品預處理，檢測結果重複性好，檢測費用低。
文檔編號G01N21/31GK201307093SQ20082016904
公開日2009年9月9日 申請日期2008年12月4日 優先權日2008年12月4日
發明者劉輝軍, 盧啟鵬, 進 呂, 秧 施, 樸仁官, 敏 林, 陳星旦 申請人:中國計量學院;中國科學院長春光學精密機械與物理研究所