專利名稱：快速無損檢測綠茶成分含量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
近紅外光是指波長介于可見區(qū)與中紅外區(qū)之間的電磁波，波長范圍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(qū)域。近紅外光譜(NIR)的信息主要來源于分子內(nèi)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(shù)是利用近紅外譜區(qū)所包含的信息對物質(zhì)進行定性和定量的 分析，是光譜分析技術(shù)與化學計量學方法的有機結(jié)合，通過接收反射光譜或透 射光譜，并以現(xiàn)代化學計量學方法對其進行解析，就可以對物質(zhì)成分進行定性 或定量分析，在理論研究和技術(shù)應(yīng)用上也已經(jīng)趨于成熟。近紅外光譜分析技術(shù) 具有檢測過程無需或很少進行樣品預(yù)處理、檢測速度快、不消耗任何試劑、對 環(huán)境不造成污染以及容易實現(xiàn)在線分析等顯著優(yōu)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(shù)據(jù)來尋求理化審評 方法鑒定茶葉優(yōu)劣。而茶葉色、香、味的形成是極其復(fù)雜的，茶葉的優(yōu)劣往往 是許多成分的適量適比，綜合作用的結(jié)果。因此，目前各國和國際貿(mào)易中對于 茶葉優(yōu)劣等級鑒定，仍普遍采用感官審評法，并輔助測定重要的理化指標，如 水、茶多酚、兒茶素、氨基酸、咖啡堿、水浸出物和灰分等。
國內(nèi)外茶葉評定一般采用感官和理化審評相結(jié)合的方法，目前主要采用理 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、咖啡堿、茶多酚、水分等常規(guī)檢測項目。相應(yīng)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(chǎn)和消費大國，每年用于其成分檢測的費用和工作量十分巨大。 茶制品從其初加工到深加工和銷售的各個環(huán)節(jié)，就涉及多次的成分檢測。目前常規(guī)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(yù)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(yè)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(chǎn)貿(mào)易需求。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)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(shù)方案來實現(xiàn)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(tǒng)和嵌入式DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng) 組成。所述光電信號檢測系統(tǒng)和嵌入式DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)均封裝在外殼內(nèi)。
光電信號檢測系統(tǒng)主要由光源、第一透鏡、圓形光孔、第二透鏡、調(diào)制盤、 磁滯同步電機、濾光片輪、干涉濾光片、步進電機、二次光闌、反光鏡、標準 漫反射白板、樣品池、旋轉(zhuǎn)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(diào)制盤、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(diào)制盤和濾光片輪的軸線 平行，與樣品池的旋轉(zhuǎn)中心軸線垂直，磁滯同步電機的驅(qū)動軸與調(diào)制盤相連， 干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(qū)動 軸相連，樣品池底部是一塊透紅外石英玻璃片，樣品池內(nèi)部嵌入標準漫反射白 板，樣品池放置旋轉(zhuǎn)平臺上，旋轉(zhuǎn)平臺固定在外殼上，探測器光學工作面的中
心軸線與旋轉(zhuǎn)樣品池旋轉(zhuǎn)中心軸線成45°夾角。反光鏡光學工作面與旋轉(zhuǎn)樣品 池旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)平臺上安裝霍爾傳感器。
嵌入式DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)主要由儀表放大器、低通濾波器和24位高精 度Delta-Sigma A/D轉(zhuǎn)換器、DSP數(shù)字信號處理器、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(zhuǎn)換器和DSP數(shù)字信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(shù)字信號處理器相連。
本實用新型的有益效果是本實用新型能實現(xiàn)綠茶中氨基酸、咖啡堿、茶 多酚、水分等常規(guī)檢測項目的無損檢測，比常規(guī)茶葉成分理化檢驗更為快捷、 環(huán)保、無需進行樣品預(yù)處理，檢測結(jié)果重復(fù)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(diào)制盤結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為濾光片輪結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)俯視圖； 圖6為旋轉(zhuǎn)樣品池內(nèi)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(qū)域內(nèi)，首先根據(jù)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(guī)成分的近紅外特征波 長進行提取，剔除不相關(guān)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(jù)所選特征 分析波長設(shè)計，采用濾光片型分光系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)樣品池測量裝置，并將漫反 射標準白板內(nèi)嵌于旋轉(zhuǎn)樣品池中，從而實現(xiàn)快速交替檢測樣品及白板漫反 射信號，簡化儀器機械結(jié)構(gòu)的同時，提高了光譜穩(wěn)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(shù)(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(shù)的 硬件基礎(chǔ)；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 譜的干擾，從而建立綠茶樣品光譜與被測綠茶樣品性質(zhì)之間的定量關(guān)系和樣品 類型識別信息庫；綠茶樣品檢測模型基于大量樣品數(shù)據(jù)，是綠茶樣品化學組成 成分數(shù)據(jù)與綠茶樣品近紅外光譜數(shù)據(jù)之間的某種內(nèi)在聯(lián)系。檢測模型以不同波 長下的吸光度為輸入量，以綠茶中氨基酸、咖啡堿、茶多酚、水分4種成分含 量為輸出量。在模型建立完畢后，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(fā)出的光經(jīng)透鏡準直后，斬光器對準直平行光進行光強調(diào)制，再經(jīng)由干涉濾光 片、濾光片輪和步進電機構(gòu)成的分光裝置分光，然后帶寬為10nm-20nm的單色 光入射旋轉(zhuǎn)樣品池，在其底面發(fā)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(jīng)儀表放大器放大和低通濾波后，被24位高精度 Delta-Sigma A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，此數(shù)字信號再傳遞給DSP數(shù)字信號處理器，最后由數(shù)字處理器計算出漫反射吸光度值，然后輸入綠茶成分含量分析 模型得出綠茶樣品中氨基酸、咖啡堿、茶多酚和水分的含量，并在液晶顯示器
上實時顯示。還可以通過裝置自帶的USB2.0接口計算機互聯(lián)，由計算機對光譜
數(shù)據(jù)進行管理。
本實用新型中采用漫反射法測定綠茶吸收光譜，由于綠茶形狀各異，樣品
多次測量后取其光譜平均值，光譜預(yù)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(zhuǎn)提高了光譜采集的均勻性，旋轉(zhuǎn)樣品 池內(nèi)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(wěn)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，主要采用了聚類方法和K-S方法，并綜合 研究應(yīng)用了茶葉各組分的自然特性，分別建立了綠茶中氨基酸、咖啡堿、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(yīng)的模 型進行含量計算。
以下結(jié)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(tǒng)和嵌入式DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)兩部分組成。所述光電信號檢測 系統(tǒng)和嵌入式DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)均封裝在外殼24內(nèi)。
光電信號檢測系統(tǒng)主要由光源1、第一透鏡2、圓形光孔3、第二透鏡4、 調(diào)制盤5、磁滯同步電機6、濾光片輪7、干涉濾光片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(zhuǎn)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(diào)制盤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(diào)制盤5和濾光片輪7的軸線平行，與樣品池15的 旋轉(zhuǎn)中心軸線垂直，磁滯同步電機6的驅(qū)動軸與調(diào)制盤5相連，干涉濾光片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(qū)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(nèi)部嵌入標準漫反 射白板48，樣品池15放置旋轉(zhuǎn)平臺16上，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)樣品池15旋轉(zhuǎn)中心軸線成45。夾角。反 光鏡12光學工作面與旋轉(zhuǎn)樣品池15旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)出的光經(jīng)第一透鏡2、圓形光孔3和第二透鏡4后準直；磁滯同步 電機6帶動調(diào)制盤5對準直光進行光強調(diào)制，光強調(diào)制頻率在低頻段的
400Hz-1000HZ范圍內(nèi)；調(diào)制光經(jīng)過干涉濾光片8后變?yōu)閹?0nm-20nm的單色 光，濾光片輪7由步進電機9帶動；單色光再經(jīng)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(zhuǎn)樣品池15，旋轉(zhuǎn)樣品池15底部有一塊透紅 外石英玻璃片10，旋轉(zhuǎn)樣品池15底部嵌入標準漫反射白板48;旋轉(zhuǎn)平臺16帶 動旋轉(zhuǎn)樣品池15勻速轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)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(shù)字信號處理系統(tǒng)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(zhuǎn)換器20、 DSP數(shù)字信號處理器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(zhuǎn)換器20和DSP數(shù)字信號處理器21依次電連接， MSP430單片機22和USB2. 0通信接口 23分別與DSP數(shù)字信號處理器21相連。
探測器17兩端經(jīng)2個高精度電阻偏置后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(jīng)低通濾波器19降噪處 理，最后由24位高精度Delta-SigmaA/D轉(zhuǎn)換器20轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。DSP數(shù)字 信號處理器21對數(shù)字信號進行處理，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(shù)據(jù)和 茶葉主要成分含量數(shù)據(jù)。MSP430單片機22負責液晶顯示、霍爾傳感器45以及 步進電機9等底層硬件的控制。嵌入式DSP信號處理系統(tǒng)對數(shù)字信號做FFT處 理，計算出有效調(diào)制信號范圍內(nèi)信號的平均功率，以平均功率作為吸光度計算 的主要依據(jù)。例旋轉(zhuǎn)樣品池旋轉(zhuǎn)一周，先后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(tǒng)的一個具體實施例。旋轉(zhuǎn)樣品 池放置在旋轉(zhuǎn)平臺25上的圓形固緊卡口內(nèi)，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)平臺，使之可以平穩(wěn)轉(zhuǎn) 動。主動帶輪的轉(zhuǎn)速由步進電機27、步進電機驅(qū)動器28和單片機脈沖發(fā)生器控 制。在旋轉(zhuǎn)樣品池發(fā)生旋轉(zhuǎn)的同時，首先安裝于光源精密滑動底座36上的溴鎢 燈34發(fā)出的復(fù)色光通過透射式準直物鏡32進行準直，然后由轉(zhuǎn)速為3000R/M的磁滯同步電機30帶動調(diào)制盤42對準直光進行光強的調(diào)制。接著由步進電機 驅(qū)動器31、步進電機33、濾光片輪43、干涉濾光片和單片機脈沖發(fā)生器組成分 光系統(tǒng)對調(diào)制光進行分光處理，利用霍爾角度定位系統(tǒng)使第一工作濾光片對準 準直物鏡光孔，使復(fù)色調(diào)制光37變?yōu)閱紊{(diào)制光38。調(diào)制盤和安裝有干涉濾光 片和濾光片輪被固定在封裝體29和固緊蓋41構(gòu)成的封閉體內(nèi)，可以有效降低 機械噪聲以及灰塵對干涉濾光片表面的污染。當單色調(diào)制光入射旋轉(zhuǎn)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(tǒng)分別檢測
白板漫反射信號和綠茶樣品漫反射信號后，根據(jù)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(tài)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(qū)動器31設(shè)置64細分模式，也就是微步進 角為1.8/64度，使步進電機轉(zhuǎn)動36(T /14=25.714° ，單片機脈沖發(fā)生器輸出 25.714° /64) 914個脈沖，使第二工作濾光片重新對準準直物鏡光孔， 依次類推，直到測量完所有的干涉濾光片。
如圖2所示，對溴鎢燈光源發(fā)出的光進行準直、濾光處理及光強調(diào)制，使 之變?yōu)槲覀兯蟮恼{(diào)制單色光，再經(jīng)反紅外平面反射鏡反射后偏心垂直入射 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，然后光電信 號采集系統(tǒng)調(diào)理并采集此光電信號。嵌入式DSP信號處理系統(tǒng)對數(shù)字采集信號 做數(shù)字帶通濾波處理，計算出調(diào)制信號的平均功率。以平均功率作為吸光度計 算的主要依據(jù)。例:旋轉(zhuǎn)樣品池旋轉(zhuǎn)一周，先后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(tǒng)對采集得到 的信號進行處理，計算得出吸光度，然后根據(jù)茶葉成分測量的多元線性回歸模 型預(yù)測當前樣品成分的含量，預(yù)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(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，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范圍。
權(quán)利要求1. 一種快速無損檢測綠茶成分含量的裝置，其特征在于，它主要由光電信號檢測系統(tǒng)和嵌入式DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)組成，所述光電信號檢測系統(tǒng)和嵌入式DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)均封裝在外殼(24)內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速無損檢測綠茶成分含量的裝置，其特征在于，所 述光電信號檢測系統(tǒng)主要由光源(1)、第一透鏡(2)、圓形光孔(3)、第二 透鏡(4)、調(diào)制盤(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(zhuǎn)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(diào)制盤(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(diào)制盤(5)和濾光片輪(7)的軸線平行， 與樣品池(15)的旋轉(zhuǎn)中心軸線垂直，磁滯同步電機(6)的驅(qū)動軸與調(diào)制盤(5)相連，干涉濾光片(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(qū)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(nèi)部嵌入標準漫反射白板(48)，樣品池(15)放置旋轉(zhuǎn)平臺(16)上，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)樣品池(15)旋轉(zhuǎn)中心軸線成45。夾 角；反光鏡(12)光學工作面與旋轉(zhuǎn)樣品池(15)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)平 臺(16)上安裝霍爾傳感器(13)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速無損檢測綠茶成分含量的裝置，其特征在于，所 述嵌入式DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)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(zhuǎn)換器(20)、 DSP數(shù)字信號處理器(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(zhuǎn)換器(20) 和DSP數(shù)字信號處理器(21)依次電連接，MSP430單片機(22)和USB2. 0 通信接口 (23)分別與DSP數(shù)字信號處理器(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(tǒng)和嵌入式DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)組成，光電信號檢測系統(tǒng)和嵌入式DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)均封裝在外殼內(nèi)；本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)綠茶中氨基酸、咖啡堿、茶多酚、水分等常規(guī)檢測項目的無損檢測，比常規(guī)茶葉成分理化檢驗更為快捷、環(huán)保、無需進行樣品預(yù)處理，檢測結(jié)果重復(fù)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(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)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