一種快速無損檢測綠茶成分含量的裝置及方法

2023-08-04 11:23:16 2

專利名稱：：一種快速無損檢測綠茶成分含量的裝置及方法
技術領域：
：本發明屬於光電檢測
技術領域：
，特別地，涉及一種綠茶常規成分含量無損快速檢測的裝置和方法。
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780mn2500nm，還可將其劃分為短波近紅外(780nm1100nm)和長波近紅外(1100nm2500nm)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O-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胺基酸、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/T8314-2002、GB/T8312-2002、GB/T8348-2002、GB/T8304-2002、GB/T8305-2002。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。
發明內容本發明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及方法。本發明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-SigmaA/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-SigmaA/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。一種快速無損檢測綠茶成分含量的檢測方法，主要包括以下步驟(1)室溫條件下建立分析模型，它由以下兩步實現(a)利用綠茶全波段近紅外光譜，根據光譜特性及遺傳算法等特徵波長選擇方法，提取綠茶四種常規成分的近紅外特徵波長。(b)利用多元線性回歸建立綠茶中四種常規成分的模型。模型以所選近紅外特徵波長處的吸光度為光譜參數，模型形式為:formulaseeoriginaldocumentpage6^f^，[c:]不同檢測模型輸出成分含量矩陣，'為特徵波長處吸光度矩陣；C為最終成分含:為模型係數矩陣，&為每個檢測模型的權(2)取待測樣品，裝入樣品池中，使樣品池勻速轉動，從而使樣品與白板呈交替檢測狀態。(3)檢測得出可以反應綠茶中胺基酸、咖啡鹼、茶多酚和水分四種常規成分含量的綠茶樣品不同特徵波長處的吸光度值，建立吸光度矩陣。(4)將特徵波長處的吸光度矩陣輸入相應的檢測模型，得到對應被測綠茶的常規成分含量c水、c氣基酸、c咖啡鹼禾口c茶多酚。本發明的有益效果是本發明實現綠茶中胺基酸、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為本發明的工作原理示意圖；圖2為本發明的工作模塊框圖；圖3為調製盤結構示意圖；圖4為濾光片輪結構示意圖5為本發明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。具體實施例方式在長波近紅外(1100nm2500nm)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。本發明利用近紅外光譜分析技術(Near-infraredSpectrumTechnology)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。本發明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-SigmaA/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。本發明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進一步提高了樣品檢測速度，以及漫反射光譜的穩定性。本發明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。下面結合附圖和實例對本發明作進一步說明，本發明的目的和效果將變得更加明顯。如圖1所示，本發明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l、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-SigmaA/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-SigmaA/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數位訊號處理器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A^og(P。/P)計算出樣品漫反射吸光度值。實施例圖35示出了本發明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360。/14=25.714°，單片機脈衝發生器輸出25.714°/(1.8°/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A4og(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%。上述快速無損檢測綠茶成分含量的裝置的檢測方法，具體包括如下步驟l.室溫條件下建立分析模型。1)利用綠茶全波段(1000nm-2500nm)近紅外光譜，根據光譜特性及遺傳算法等特徵波長選擇方法，提取綠茶四種常規成分的近紅外特徵波長。2)利用多元線性回歸建立綠茶中四種常規成分的模型。模型以所選近紅外特徵波長處的吸光度為光譜參數，模型形式為formulaseeoriginaldocumentpage10不同檢測模型輸出成分含量矩陣，為特徵波長處吸光度矩陣。formulaseeoriginaldocumentpage10為模型係數矩陣，formulaseeoriginaldocumentpage10C最終成分含量值，&為每個檢測模型的權重係數。某種成分檢測模型並不是唯一的，預測同一種成分就可能有多個模型，最後的預測結果幾個模型輸出結果的加權平均值。加權值由當前測試環境、樣品狀態和測量次數等因素確定。2.取待測樣品，裝入樣品池中，使樣品池勻速轉動，使樣品與白板呈交替檢測狀態。裝樣時儘量保證樣品的鬆緊度一致，同時樣品量不能過少而導致漏光現象發生。3.得出可以反應綠茶中胺基酸、咖啡鹼、茶多酚和水分四種常規成分含量的綠茶樣品不同特徵波長處的吸光度值，建立吸光度矩陣。如圖6所示，旋轉樣品池圓形底面被"人"字型結構45分為兩部分，在分界處的兩個扇形區域，當探測光斑46—部分在樣品探測面47上，另一部分在標準漫反射白板48上，無法表徵樣品和白斑的真實吸光度，所以定義這時刻探測得到的光電信號為無效光電信號，定義這兩個扇形區域為無效光斑區。當樣品池a-b-c-d-e-f轉一圈，則原始光電信號由樣品漫反射(d-e-f-a)、無效光電信號(a-b)、白板漫反射光電信號(b-c)和無效光電信號(c-d)的4段光電信號以依次聯結而成。根據漫反射吸光度的計算公式A^Lg(/。//)，式中^樣品漫反射吸光度，/樣品漫反射的光強度，/。標準白板漫反射的光強度。b-c內有效數據段對應標準白板反射的光強度信號，d-e-f-a內有效數據對應樣品漫反射光強度信號。在樣品池旋轉一圈後，便可以得到某特徵波長點下的樣品吸光度值。例如採用IO個濾光片，樣品池轉動一圈便可得到當前工作幹涉濾光片下的吸光度值，重複十次就可以得出吸光度矩陣[44…4。]4.將特徵波長處的吸光度矩陣輸入相應的檢測模型，得到對應被測綠茶常規成分含量c水、c胺基酸、c咖啡鹼禾口c茶多酚。上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。權利要求1.一種綠茶成分含量快速無損檢測的裝置，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所述的綠茶成分含量快速無損檢測的裝置，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)、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(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所述的綠茶成分含量快速無損檢測的裝置，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-SigmaA/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-SigmaA/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。4.一種應用權利要求1所述裝置快速無損檢測綠茶成分含量的檢測方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)室溫條件下建立分析模型。(2)取待測樣品，裝入樣品池中，使樣品池勻速轉動，從而使樣品與白板呈交替檢測狀態。(3)檢測得出可以反應綠茶中胺基酸、咖啡鹼、茶多酚和水分四種常規成分含量的綠茶樣品不同特徵波長處的吸光度值，建立吸光度矩陣。(4)將特徵波長處的吸光度矩陣輸入相應的檢測模型，得到對應被測綠茶的常規成分含量c水、c胺基酸、c咖啡鹼禾口c茶多酚。5.根據權利要求4所述檢測方法，其特徵在於，所述步驟(1)具體包括(a)利用綠茶全波段近紅外光譜，根據光譜特性及遺傳算法等特徵波長選擇方法，提取綠茶四種常規成分的近紅外特徵波長。(b)利用多元線性回歸建立綠茶中四種常規成分的模型。模型以所選近紅外特徵波長處的吸光度為光譜參數，模型形式為tableseeoriginaldocumentpage31其中，[c',]不同檢測模型輸出成分含量矩陣，tableseeoriginaldocumentpage31為模型係數矩為特徵波長處吸光度矩陣；C為最終成分含量值，6為每個檢測模型的權重係數。全文摘要本發明公開了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，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。本發明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G06F19/00GK101424636SQ200810162600公開日2009年5月6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