CN101424636A - 一种快速无损检测绿茶成分含量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绿茶成分含量快速无损检测的装置，它主要由光电信号检测系统和嵌入式DSP数字信号处理系统组成，光电信号检测系统和嵌入式DSP数字信号处理系统均封装在外壳内。本发明能够实现绿茶中氨基酸、咖啡碱、茶多酚、水分等常规检测项目的无损检测，比常规茶叶成分理化检验更为快捷、环保、无需进行样品预处理，检测结果重复性好，检测费用低。

Description

一种快速无损检测绿茶成分含量的装置及方法

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，特别地，涉及一种绿茶常规成分含量无损快速检测的装置和方法。

背景技术

近红外光是指波长介于可见区与中红外区之间的电磁波，波长范围780nm～2500nm，还可将其划分为短波近红外(780nm～1100nm)和长波近红外(1100nm～2500nm)两个区域。近红外光谱(NIR)的信息主要来源于分子内部振动引起光子吸收，主要反映分子中C-H，N-H与O-H等含氢基团的倍频与合频振动吸收。近红外光谱分析技术是利用近红外谱区所包含的信息对物质进行定性和定量的分析，是光谱分析技术与化学计量学方法的有机结合，通过接收反射光谱或透射光谱，并以现代化学计量学方法对其进行解析，就可以对物质成分进行定性或定量分析，在理论研究和技术应用上也已经趋于成熟。近红外光谱分析技术具有检测过程无需或很少进行样品预处理、检测速度快、不消耗任何试剂、对环境不造成污染以及容易实现在线分析等显著优点。

从上世纪50年代起，各国广泛开展了茶叶理化审评的研究，探讨茶叶的物理性状和分析茶叶各种有效化学成分的含量，试从计量的数据来寻求理化审评方法鉴定茶叶优劣。而茶叶色、香、味的形成是极其复杂的，茶叶的优劣往往是许多成分的适量适比，综合作用的结果。因此，目前各国和国际贸易中对于茶叶优劣等级鉴定，仍普遍采用感官审评法，并辅助测定重要的理化指标，如水、茶多酚、儿茶素、氨基酸、咖啡碱、水浸出物和灰分等。

国内外茶叶评定一般采用感官和理化审评相结合的方法，目前主要采用理化方法检测茶叶主要成分的含量。我国国家标准中检测评价茶叶的成分是氨基酸、咖啡碱、茶多酚、水分等常规检测项目。相应的国家标准分别是GB/T8314-2002、GB/T 8312-2002、GB/T 8348-2002、GB/T 8304-2002、GB/T 8305-2002。我国是茶叶的生产和消费大国，每年用于其成分检测的费用和工作量十分巨大。茶制品从其初加工到深加工和销售的各个环节，就涉及多次的成分检测。目前常规茶叶成分理化检验具有较高的准确度和可靠性，但茶叶样品的预处理过程繁琐、测试耗时、成本较高以及对样品的破坏性，此外还必需配备专业检测人员，因此茶叶成分理化检验方法不能很好满足实际生产贸易需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种快速无损检测绿茶成分含量的装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种绿茶成分含量快速无损检测的装置，它主要由光电信号检测系统和嵌入式DSP数字信号处理系统组成。所述光电信号检测系统和嵌入式DSP数字信号处理系统均封装在外壳内。

光电信号检测系统主要由光源、第一透镜、圆形光孔、第二透镜、调制盘、磁滞同步电机、滤光片轮、干涉滤光片、步进电机、二次光阑、反光镜、标准漫反射白板、样品池、旋转平台和近红外探测器组成。所述光源、第一透镜(2)、圆形光孔、第二透镜、调制盘、滤光片轮和二次光阑依次排列，所述光源、第一透镜、圆形光孔、第二透镜同轴，且它们的轴线与调制盘和滤光片轮的轴线平行，与样品池的旋转中心轴线垂直，磁滞同步电机的驱动轴与调制盘相连，干涉滤光片按照圆形排列均匀分布在滤光片轮上，滤光片轮与步进电机的驱动轴相连，样品池底部是一块透红外石英玻璃片，样品池内部嵌入标准漫反射白板，样品池放置旋转平台上，旋转平台固定在外壳上，探测器光学工作面的中心轴线与旋转样品池旋转中心轴线成45°夹角。反光镜光学工作面与旋转样品池旋转中心轴线成45°夹角。样品池外在标准漫反射白板工作面处安装磁体，在旋转平台上安装霍尔传感器。

嵌入式DSP数字信号处理系统主要由仪表放大器、低通滤波器和24位高精度Delta-Sigma A/D转换器、DSP数字信号处理器、MSP430单片机、USB2.0通信接口和液晶显示屏组成。所述仪表放大器、低通滤波器和24位高精度Delta-Sigma A/D转换器和DSP数字信号处理器依次电连接，MSP430单片机和USB2.0通信接口分别与DSP数字信号处理器相连。

一种快速无损检测绿茶成分含量的检测方法，主要包括以下步骤：

(1)室温条件下建立分析模型，它由以下两步实现：

(a)利用绿茶全波段近红外光谱，根据光谱特性及遗传算法等特征波长选择方法，提取绿茶四种常规成分的近红外特征波长。

(b)利用多元线性回归建立绿茶中四种常规成分的模型。模型以所选近红外特征波长处的吸光度为光谱参数，模型形式为：

$C=\left[{C\′}_j\right]\left(\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ b_j\end{array}\right)/(b_1+b_2...+b_j)$

(2)取待测样品，装入样品池中，使样品池匀速转动，从而使样品与白板呈交替检测状态。

(3)检测得出可以反应绿茶中氨基酸、咖啡碱、茶多酚和水分四种常规成分含量的绿茶样品不同特征波长处的吸光度值，建立吸光度矩阵。

(4)将特征波长处的吸光度矩阵输入相应的检测模型，得到对应被测绿茶的常规成分含量C_水、C_氨基酸、C_咖啡碱和C_茶多酚。

本发明的有益效果是：本发明实现绿茶中氨基酸、咖啡碱、茶多酚、水分等常规检测项目的无损检测，比常规茶叶成分理化检验更为快捷、环保、无需进行样品预处理，检测结果重复性好，检测费用低。

附图说明

图1为本发明的工作原理示意图；

图2为本发明的工作模块框图；

图3为调制盘结构示意图；

图4为滤光片轮结构示意图；

图5为本发明快速无损检测绿茶成分含量的装置机械结构俯视图；

图6为旋转样品池内嵌标准漫反射白板工作原理示意图。

具体实施方式

在长波近红外(1100nm～2500nm)光谱区域内，首先根据绿茶光谱特性及遗传算法等波长选择方法，对绿茶中的四种常规成分的近红外特征波长进行提取，剔除不相关或非线性变量，简化绿茶成分含量检测模型，同时确保模型的可靠性。近红外绿茶专用成分及含量检测装置依据所选特征分析波长设计，采用滤光片型分光系统和旋转样品池测量装置，并将漫反射标准白板内嵌于旋转样品池中，从而实现快速交替检测样品及白板漫反射信号，简化仪器机械结构的同时，提高了光谱稳定性及样品检测速度。

本发明利用近红外光谱分析技术(Near-infrared Spectrum Technology)对绿茶主要成分进行分析。此快速无损检测绿茶成分含量的装置提供高测量精度光谱，是被测样品信息的载体，也是整个近红外光谱分析技术的硬件基础；配套的化学计量学方法用以消除或减少各种化学和非化学因素对光谱的干扰，从而建立绿茶样品光谱与被测绿茶样品性质之间的定量关系和样品类型识别信息库；绿茶样品检测模型基于大量样品数据，是绿茶样品化学组成成分数据与绿茶样品近红外光谱数据之间的某种内在联系。检测模型以不同波长下的吸光度为输入量，以绿茶中氨基酸、咖啡碱、茶多酚、水分4种成分含量为输出量。在模型建立完毕后，模型还需要不断的维护和升级，从而更好的完成样品定性和定量的检测。

本发明快速无损检测绿茶成分含量的装置的工作原理是，溴钨灯光源发出的光经透镜准直后，斩光器对准直平行光进行光强调制，再经由干涉滤光片、滤光片轮和步进电机构成的分光装置分光，然后带宽为10nm-20nm的单色光入射旋转样品池，在其底面发生漫反射，漫反射光入射到InGaAs探测器，探测器输出的微弱光电信号经仪表放大器放大和低通滤波后，被24位高精度Delta-Sigma A/D转换器转换为数字信号，此数字信号再传递给DSP数字信号处理器，最后由数字处理器计算出漫反射吸光度值，然后输入绿茶成分含量分析模型得出绿茶样品中氨基酸、咖啡碱、茶多酚和水分的含量，并在液晶显示器上实时显示。还可以通过装置自带的USB2.0接口计算机互联，由计算机对光谱数据进行管理。

本发明中采用漫反射法测定绿茶吸收光谱，由于绿茶形状各异，样品多次测量后取其光谱平均值，光谱预测处理过程中利用SNV和去趋势(de-trending)方法，降低了不同样品固体颗粒大小、表面散射以及光程变化对NIR漫反射光谱的影响。样品池的旋转提高了光谱采集的均匀性，旋转样品池内嵌标准白板进一步提高了样品检测速度，以及漫反射光谱的稳定性。

本发明中建立了绿茶近红外光谱库，在选择定标样品时主要考虑的是奇异点的剔除和代表性样品的选择，主要采用了聚类方法和K-S方法，并综合研究应用了茶叶各组分的自然特性，分别建立了绿茶中氨基酸、咖啡碱、茶多酚、水分四种组分的近红外光谱模型，探测得到的光谱可以智能选择相应的模型进行含量计算。

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所示，本发明的绿茶成分含量快速无损检测的装置主要由光电信号检测系统和嵌入式DSP数字信号处理系统两部分组成。所述光电信号检测系统和嵌入式DSP数字信号处理系统均封装在外壳24内。

光电信号检测系统主要由光源1、第一透镜2、圆形光孔3、第二透镜4、调制盘5、磁滞同步电机6、滤光片轮7、干涉滤光片8、步进电机9、二次光阑11、反光镜12、标准漫反射白板48、样品池15、旋转平台16和近红外探测器17组成。所述光源1、第一透镜2、圆形光孔3、第二透镜4、调制盘5、滤光片轮7和二次光阑11依次排列，所述光源1、第一透镜2、圆形光孔3、第二透镜4同轴，且它们的轴线与调制盘5和滤光片轮7的轴线平行，与样品池15的旋转中心轴线垂直，磁滞同步电机6的驱动轴与调制盘5相连，干涉滤光片8按照圆形排列均匀分布在滤光片轮7上，滤光片轮7与步进电机9的驱动轴相连，样品池15底部是一块透红外石英玻璃片10，样品池15内部嵌入标准漫反射白板48，样品池15放置旋转平台16上，旋转平台16固定在外壳24上，探测器17光学工作面的中心轴线与旋转样品池15旋转中心轴线成45°夹角。反光镜12光学工作面与旋转样品池15旋转中心轴线成45°夹角。样品池15外在标准漫反射白板48工作面处安装磁体44，在旋转平台16上安装霍尔传感器13，通过磁体44和霍尔传感器13进行角度的精确定位，实时确定光斑的相对样品工作面的位置。

光源1发出的光经第一透镜2、圆形光孔3和第二透镜4后准直；磁滞同步电机6带动调制盘5对准直光进行光强调制，光强调制频率在低频段的400Hz-1000HZ范围内；调制光经过干涉滤光片8后变为带宽10nm-20nm的单色光，滤光片轮7由步进电机9带动；单色光再经过二次光阑11和反光镜12作用，偏心垂直入射圆形工作面的旋转样品池15，旋转样品池15底部有一块透红外石英玻璃片10，旋转样品池15底部嵌入标准漫反射白板48；旋转平台16带动旋转样品池15匀速转动，旋转样品池15同时使探测光快速交替扫描标准漫反射白板48和茶叶样品14，探测器17为InGaAs探测器，近红外探测器17接收茶叶样品14和标准漫反射白板48的漫反射光，输出微弱光电信号。

嵌入式DSP数字信号处理系统主要由仪表放大器18、低通滤波器19和24位高精度Delta-Sigma A/D转换器20、DSP数字信号处理器21、MSP430单片机22、USB2.0通信接口23和液晶显示屏组成；仪表放大器18、低通滤波器19和24位高精度Delta-Sigma A/D转换器20和DSP数字信号处理器21依次电连接，MSP430单片机22和USB2.0通信接口23分别与DSP数字信号处理器21相连。

探测器17两端经2个高精度电阻偏置后直接接入仪表放大器18，近红外探测器17输出的微弱光电信号由仪表放大器18放大，再经低通滤波器19降噪处理，最后由24位高精度Delta-Sigma A/D转换器20转换为数字信号。DSP数字信号处理器21对数字信号进行处理，计算得出吸光度值及茶叶主要成分含量。此外还可以通过USB2.0通信接口23与计算机相连接，传输漫反射光谱数据和茶叶主要成分含量数据。MSP430单片机22负责液晶显示、霍尔传感器45以及步进电机9等底层硬件的控制。嵌入式DSP信号处理系统对数字信号做FFT处理，计算出有效调制信号范围内信号的平均功率，以平均功率作为吸光度计算的主要依据。例：旋转样品池旋转一周，先后计算出标准漫反射白板光电信号平均功率(P_o)和茶叶样品漫反射光电信号平均功率(P)，通过漫反射计算公式A＝log(P_o/P)计算出样品漫反射吸光度值。

实施例

图3～5示出了本发明光电信号检测系统的一个具体实施例。旋转样品池放置在旋转平台25上的圆形固紧卡口内，旋转平台通过高精度轴承与圆柱形封装体40装配。主动同步带轮26通过同步带带动旋转平台，使之可以平稳转动。主动带轮的转速由步进电机27、步进电机驱动器28和单片机脉冲发生器控制。在旋转样品池发生旋转的同时，首先安装于光源精密滑动底座36上的溴钨灯34发出的复色光通过透射式准直物镜32进行准直，然后由转速为3000R/M的磁滞同步电机30带动调制盘42对准直光进行光强的调制。接着由步进电机驱动器31、步进电机33、滤光片轮43、干涉滤光片和单片机脉冲发生器组成分光系统对调制光进行分光处理，利用霍尔角度定位系统使第一工作滤光片对准准直物镜光孔，使复色调制光37变为单色调制光38。调制盘和安装有干涉滤光片和滤光片轮被固定在封装体29和固紧盖41构成的封闭体内，可以有效降低机械噪声以及灰尘对干涉滤光片表面的污染。当单色调制光入射旋转样品池底部工作面时，漫反射光被探测器39接收生成微弱光电信号。检测系统分别检测白板漫反射信号和绿茶样品漫反射信号后，根据漫反射吸光度的定义公式A＝Lg(I_o/I)可以计算出当前第一个滤光片工作状态下的漫反射吸光度。当完成第一个滤光片的测量时，步进电机驱动器31设置64细分模式，也就是微步进角为1.8/64度，使步进电机转动360°/14＝25.714°，单片机脉冲发生器输出25.714°/(1.8°/64)≈914个脉冲，使第二工作滤光片重新对准准直物镜光孔，依次类推，直到测量完所有的干涉滤光片。

如图2所示，对溴钨灯光源发出的光进行准直、滤光处理及光强调制，使之变为我们所要求的调制单色光，再经反红外平面反射镜反射后偏心垂直入射样品池。探测器接收来自样品池的漫反射光，生成微弱光电信号，然后光电信号采集系统调理并采集此光电信号。嵌入式DSP信号处理系统对数字采集信号做数字带通滤波处理，计算出调制信号的平均功率。以平均功率作为吸光度计算的主要依据。例：旋转样品池旋转一周，先后计算出标准漫反射白板光电信号平均功率(P_o)和茶叶样品漫反射光电信号平均功率(P)，通过漫反射计算公式A＝log(P_o/P)计算出样品漫反射吸光度值。DSP嵌入式信号处理系统对采集得到的信号进行处理，计算得出吸光度，然后根据茶叶成分测量的多元线性回归模型预测当前样品成分的含量，预测误差不超过5％。

上述快速无损检测绿茶成分含量的装置的检测方法，具体包括如下步骤：

1.室温条件下建立分析模型。

1)利用绿茶全波段(1000nm-2500nm)近红外光谱，根据光谱特性及遗传算法等特征波长选择方法，提取绿茶四种常规成分的近红外特征波长。

2)利用多元线性回归建立绿茶中四种常规成分的模型。模型以所选近红外特征波长处的吸光度为光谱参数，模型形式为：

[C′_j]不同检测模型输出成分含量矩阵，

为模型系数矩阵， $\left(\begin{array}{c}{A}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ A_n\end{array}\right)$ 为特征波长处吸光度矩阵。

$C=\left[{C\′}_j\right]\left(\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ b_j\end{array}\right)/(b_1+b_2...+b_j)$

C最终成分含量值，b_n为每个检测模型的权重系数。

某种成分检测模型并不是唯一的，预测同一种成分就可能有多个模型，最后的预测结果几个模型输出结果的加权平均值。加权值由当前测试环境、样品状态和测量次数等因素确定。

2.取待测样品，装入样品池中，使样品池匀速转动，使样品与白板呈交替检测状态。

装样时尽量保证样品的松紧度一致，同时样品量不能过少而导致漏光现象发生。

3.得出可以反应绿茶中氨基酸、咖啡碱、茶多酚和水分四种常规成分含量的绿茶样品不同特征波长处的吸光度值，建立吸光度矩阵。

如图6所示，旋转样品池圆形底面被“人”字型结构45分为两部分，在分界处的两个扇形区域，当探测光斑46一部分在样品探测面47上，另一部分在标准漫反射白板48上，无法表征样品和白斑的真实吸光度，所以定义这时刻探测得到的光电信号为无效光电信号，定义这两个扇形区域为无效光斑区。当样品池a-b-c-d-e-f转一圈，则原始光电信号由样品漫反射(d-e-f-a)、无效光电信号(a-b)、白板漫反射光电信号(b-c)和无效光电信号(c-d)的4段光电信号以依次联结而成。根据漫反射吸光度的计算公式A＝Lg(I_o/I)，式中A样品漫反射吸光度，I样品漫反射的光强度，I_o标准白板漫反射的光强度。b-c内有效数据段对应标准白板反射的光强度信号，d-e-f-a内有效数据对应样品漫反射光强度信号。在样品池旋转一圈后，便可以得到某特征波长点下的样品吸光度值。

例如采用10个滤光片，样品池转动一圈便可得到当前工作干涉滤光片下的吸光度值，重复十次就可以得出吸光度矩阵[A₁ A₂…A₁₀]

4.将特征波长处的吸光度矩阵输入相应的检测模型，得到对应被测绿茶常规成分含量C_水、C_氨基酸、C_咖啡碱和C_茶多酚。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种绿茶成分含量快速无损检测的装置，其特征在于，它主要由光电信号检测系统和嵌入式DSP数字信号处理系统组成。所述光电信号检测系统和嵌入式DSP数字信号处理系统均封装在外壳(24)内。

2.根据权利要求1所述的绿茶成分含量快速无损检测的装置，其特征在于，所述光电信号检测系统主要由光源(1)、第一透镜(2)、圆形光孔(3)、第二透镜(4)、调制盘(5)、磁滞同步电机(6)、滤光片轮(7)、干涉滤光片(8)、步进电机(9)、二次光阑(11)、反光镜(12)、标准漫反射白板(48)、样品池(15)、旋转平台(16)和近红外探测器(17)组成。所述光源(1)、第一透镜(2)、圆形光孔(3)、第二透镜(4)、调制盘(5)、滤光片轮(7)和二次光阑(11)依次排列，所述光源(1)、第一透镜(2)、圆形光孔(3)、第二透镜(4)同轴，且它们的轴线与调制盘(5)和滤光片轮(7)的轴线平行，与样品池(15)的旋转中心轴线垂直，磁滞同步电机(6)的驱动轴与调制盘(5)相连，干涉滤光片(8)按照圆形排列均匀分布在滤光片轮(7)上，滤光片轮(7)与步进电机(9)的驱动轴相连，样品池(15)底部是一块透红外石英玻璃片(10)，样品池(15)内部嵌入标准漫反射白板(48)，样品池(15)放置旋转平台(16)上，旋转平台(16)固定在外壳(24)上，探测器(17)光学工作面的中心轴线与旋转样品池(15)旋转中心轴线成45°夹角。反光镜(12)光学工作面与旋转样品池(15)旋转中心轴线成45°夹角。样品池(15)外在标准漫反射白板(48)工作面处安装磁体(44)，在旋转平台(16)上安装霍尔传感器(13)。

3.根据权利要求1所述的绿茶成分含量快速无损检测的装置，其特征在于，所述嵌入式DSP数字信号处理系统主要由仪表放大器(18)、低通滤波器(19)和24位高精度Delta-Sigma A/D转换器(20)、DSP数字信号处理器(21)、MSP430单片机(22)、USB2.0通信接口(23)和液晶显示屏组成。所述仪表放大器(18)、低通滤波器(19)和24位高精度Delta-Sigma A/D转换器(20)和DSP数字信号处理器(21)依次电连接，MSP430单片机(22)和USB2.0通信接口(23)分别与DSP数字信号处理器(21)相连。

4.一种应用权利要求1所述装置快速无损检测绿茶成分含量的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)室温条件下建立分析模型。

(2)取待测样品，装入样品池中，使样品池匀速转动，从而使样品与白板呈交替检测状态。

(3)检测得出可以反应绿茶中氨基酸、咖啡碱、茶多酚和水分四种常规成分含量的绿茶样品不同特征波长处的吸光度值，建立吸光度矩阵。

(4)将特征波长处的吸光度矩阵输入相应的检测模型，得到对应被测绿茶的常规成分含量C_水、C_氨基酸、C_咖啡碱和C_茶多酚。

5.根据权利要求4所述检测方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：

(a)利用绿茶全波段近红外光谱，根据光谱特性及遗传算法等特征波长选择方法，提取绿茶四种常规成分的近红外特征波长。

(b)利用多元线性回归建立绿茶中四种常规成分的模型。模型以所选近红外特征波长处的吸光度为光谱参数，模型形式为：

$C=\left[{C\′}_j\right]\left(\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ b_j\end{array}\right)/(b_1+b_2...+b_j);$

其中，[C′_j]不同检测模型输出成分含量矩阵，

为模型系数矩阵， $\left(\begin{array}{c}{A}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ A_n\end{array}\right)$ 为特征波长处吸光度矩阵；C为最终成分含量值，b_n为每个检测模型的权重系数。

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