应用光谱技术的茶叶含水率在线检测设备研发及其试验研究
发布时间：2021-11-15 08:54
茶叶是中国的经济作物,中国是世界上第一产茶大国。茶叶含水率是评估茶叶制造过程中质量的重要指标。茶叶在加工过中呈堆叠状分布,含水率实时变化,且即时的含水率与连续生产过程中工艺参数相匹配,因此实现茶叶含水率的实时检测非常必要,传统的茶叶含水率检测方法费时、费力且破坏样本,不适用于在线检测。本文针对这一情况,研发茶叶含水率在线检测仪器,并建立基于光谱技术的茶叶含水率的快速无损检测方法。主要研究成果如下:（1）基于可见-近红外光谱检测技术,研发茶叶含水率实时在线检测设备。该设备由机架、光源、光谱仪、Y型光纤、石英板、茶叶容器和电动推杆组成,同时机架上设有由上侧板、下侧板、左侧板、右侧板及后侧板组成的壳体。将设备应用于采集各个加工阶段（鲜叶采摘→摊青→杀青→揉捻→干燥1→干燥2）安吉白茶和紫笋茶的光谱,其中安吉白茶取样两批次,紫笋茶取样一批次,结果表明,该设备能实现茶叶的光谱采集,为实现茶叶含水率在线实时检测提供硬件支持。（2）采用偏最小二乘法（partial least squares regression,PLS）对茶叶光谱和含水率进行建模。为了获得最佳建模效果,消除原始光谱中设备本身、实验...
【文章来源】：福建农林大学福建省
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
应用光谱技术的茶叶含水率在线检测设备研发及其试验研究17由于探头在卤素灯的照射下易发热，导致光谱信号的接受不稳定。该装置光纤选用杭州谱镭光电有限公司SPLR1000光纤（SPLR1000-2-VIS-M,Hangzhou-SPLPhotonicsCoLtd,China），该光纤为Y型光纤，即光纤一端为探头，既发出来自光源的光线又接收来自样本的光谱信号返回至光谱仪；另一端有两个接口，一个接口为7芯，该接口接光源，另一接口为6芯，该接口接光谱仪。该光纤波长范围为350—2500nm，芯径400um，接头为SMA905。为了避免镜面反射，同时也最大程度的避免茶叶内含物信息的丢失，Y型光纤的探头端与竖直方向呈10°夹角，且到石英板的距离为4cm。为了保证茶叶的均匀性，提高光谱采集的稳定性，采用电动推杆驱动茶叶容器运动，并用石英板对茶叶进行压片，以达到压平堆叠状茶叶，采集一个稳定表面茶叶含水率的效果，以此减小因样本厚度不一致带来的影响。电动推杆选用迅驰电器758小电动推杆，其直流电机经过齿轮减速后，带动一对丝杆螺母，把电机的旋转运动变为直线运动，利用直流电机的正反转来完成推杆的升降。该电动推杆的行程长度可根据要求定做，电压提供12V和24V两种选择。在本装置中，根据前期设计，选择推杆的行程长度为50mm，电压为24V可满足检测要求。石英板由硅微粉经过特殊工艺硫化而成，具有优良的光学性能，折射率低，反射率高。茶叶容器呈长方体形，材质为铁。为了保证石英板能压平茶叶容器上表面的样本，茶叶容器的上表面尺寸应稍大于石英板的尺寸。图3-1堆叠状茶叶含水率检测设备结构图.1.光源,2.Y型光纤,3.石英板,4.电动推杆,5.茶叶容器,6.机架,7.光谱仪.
的茶叶含水率在线检测设备研发及其试验研究19紫笋茶产于浙江省湖州市长兴县境内的顾渚山、张岭一带，又名顾渚紫笋，早在1982年就被评为全国名茶，1999年被评为国家农业部评为名牌产品[74]。紫笋茶干茶条索紧直细嫩，色泽绿翠，匀净整齐，内质香气清高，滋味甘醇，汤色清澈明亮，叶底成朵[75]。一直以来，顾渚村民把制成作为家庭的一项重要产业，以家庭为单位，妇女采茶、分拣，男人制茶的“合族业茶”的情况屡见不鲜，水口紫笋茶制作技艺经过几十代人的传承和发展，已经成为我国制茶技艺中的一朵奇葩[76]。图3-2每道工序结束后茶叶形态图.a）鲜叶,b）摊青,c）杀青,d）揉捻,e）干燥1,f）干燥2.3.2.2茶叶样本的光谱采集每道工序加工完成后立即对该工序的茶叶采样，并进行光谱采集。在开始采集光谱前，启动光谱仪，并预热30分钟。预热结束后，打开光源。本试验根据试验环境设置积分时间为45ms,平滑度为3。参数设置完以后采集白板和暗电流背景信号，且每隔30分钟再重新采集一次。试验开始后，将茶叶放置于电动推杆运动端上的茶叶容器内并装满，启动电动推杆，使其带动茶叶容器向上运动，直至石英板压住茶叶容器上端开口，并压平堆叠状茶叶。Y型光纤的探头采集经石英板压平后的堆叠状茶叶上表面的平均光谱，并将光谱信息传回PC端。每个茶叶样本扫描完后，取出重新打乱后放入，再次进行光谱采集。每次扫描保存3条光谱，每个样本共扫描3次，最终每个样本有9条光谱，取9条光谱的平均值作为该样本的代表性光谱值，达到尽量接近整堆茶叶的平均光谱值的目的。试验过程中茶叶样本光谱采集如图3-3所示。对每道工序后的茶叶样本进行光谱采集，结果如图3-4所示，每条曲线代表一个茶叶样本的光谱曲线，反射率的不同对应着茶叶中内含物的差异。为
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高光谱成像技术的泾源黄牛肉色度PLSR预测模型构建[J]. 禹文杰,王彩霞,乔芦,王松磊,贺晓光. 浙江农业学报. 2020(03)
[2]SPA-PLS的高含水原油近红外光谱含水率分析[J]. 韩建,李雨昭,曹志民,刘强,牟海维. 光谱学与光谱分析. 2019(11)
[3]中国茶出口现状及分析研究[J]. 裴欢欢,刘红. 农家参谋. 2019(19)
[4]茶叶产业供应链智慧化成熟度研究[J]. 邓昆,孙雪莲. 中国商论. 2019(17)
[5]光谱预处理方法选择研究[J]. 第五鹏瑶,卞希慧,王姿方,刘巍. 光谱学与光谱分析. 2019(09)
[6]近红外光谱技术快速测定清开灵颗粒中3种成分含量[J]. 孙雪荣,刘顺国,肖利颖,潘碧妍,陈红英. 今日药学. 2019(10)
[7]不同碧螺春中咖啡碱含量的分析研究[J]. 王雪. 农产品加工. 2019(15)
[8]基于近红外光谱特征的三文鱼品质多指标快速检测[J]. 石吉勇,李文亭,邹小波,张芳,陈颖. 光谱学与光谱分析. 2019(07)
[9]基于NIR和PLS-DA法的东北大米产地快速溯源方法研究[J]. 高彤,吴静珠,林珑,刘志,刘翠玲,于重重. 中国粮油学报. 2019(07)
[10]基于特征波段-Fisher-K近邻的木器漆拉曼光谱的快速无损鉴别[J]. 何亚,王继芬. 激光与光电子学进展. 2020(01)
博士论文
[1]基于光谱和光谱成像技术的茶叶含水率检测机理和方法研究[D]. 魏玉震.浙江大学 2019
[2]基于近红外光谱的贮藏脐橙品质无损检测方法研究[D]. 夏俊芳.华中农业大学 2008
硕士论文
[1]基于光谱方法检测绿茶中儿茶素单体含量的研究[D]. 张裕莹.浙江大学 2017
[2]基于茶鲜叶表面可见特征与含水率变化模型研究[D]. 贾广松.浙江工业大学 2016
[3]葡萄内部品质的高光谱成像检测研究[D]. 杨杰.石河子大学 2016
本文编号：3496452
【文章来源】：福建农林大学福建省
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
应用光谱技术的茶叶含水率在线检测设备研发及其试验研究17由于探头在卤素灯的照射下易发热，导致光谱信号的接受不稳定。该装置光纤选用杭州谱镭光电有限公司SPLR1000光纤（SPLR1000-2-VIS-M,Hangzhou-SPLPhotonicsCoLtd,China），该光纤为Y型光纤，即光纤一端为探头，既发出来自光源的光线又接收来自样本的光谱信号返回至光谱仪；另一端有两个接口，一个接口为7芯，该接口接光源，另一接口为6芯，该接口接光谱仪。该光纤波长范围为350—2500nm，芯径400um，接头为SMA905。为了避免镜面反射，同时也最大程度的避免茶叶内含物信息的丢失，Y型光纤的探头端与竖直方向呈10°夹角，且到石英板的距离为4cm。为了保证茶叶的均匀性，提高光谱采集的稳定性，采用电动推杆驱动茶叶容器运动，并用石英板对茶叶进行压片，以达到压平堆叠状茶叶，采集一个稳定表面茶叶含水率的效果，以此减小因样本厚度不一致带来的影响。电动推杆选用迅驰电器758小电动推杆，其直流电机经过齿轮减速后，带动一对丝杆螺母，把电机的旋转运动变为直线运动，利用直流电机的正反转来完成推杆的升降。该电动推杆的行程长度可根据要求定做，电压提供12V和24V两种选择。在本装置中，根据前期设计，选择推杆的行程长度为50mm，电压为24V可满足检测要求。石英板由硅微粉经过特殊工艺硫化而成，具有优良的光学性能，折射率低，反射率高。茶叶容器呈长方体形，材质为铁。为了保证石英板能压平茶叶容器上表面的样本，茶叶容器的上表面尺寸应稍大于石英板的尺寸。图3-1堆叠状茶叶含水率检测设备结构图.1.光源,2.Y型光纤,3.石英板,4.电动推杆,5.茶叶容器,6.机架,7.光谱仪.
的茶叶含水率在线检测设备研发及其试验研究19紫笋茶产于浙江省湖州市长兴县境内的顾渚山、张岭一带，又名顾渚紫笋，早在1982年就被评为全国名茶，1999年被评为国家农业部评为名牌产品[74]。紫笋茶干茶条索紧直细嫩，色泽绿翠，匀净整齐，内质香气清高，滋味甘醇，汤色清澈明亮，叶底成朵[75]。一直以来，顾渚村民把制成作为家庭的一项重要产业，以家庭为单位，妇女采茶、分拣，男人制茶的“合族业茶”的情况屡见不鲜，水口紫笋茶制作技艺经过几十代人的传承和发展，已经成为我国制茶技艺中的一朵奇葩[76]。图3-2每道工序结束后茶叶形态图.a）鲜叶,b）摊青,c）杀青,d）揉捻,e）干燥1,f）干燥2.3.2.2茶叶样本的光谱采集每道工序加工完成后立即对该工序的茶叶采样，并进行光谱采集。在开始采集光谱前，启动光谱仪，并预热30分钟。预热结束后，打开光源。本试验根据试验环境设置积分时间为45ms,平滑度为3。参数设置完以后采集白板和暗电流背景信号，且每隔30分钟再重新采集一次。试验开始后，将茶叶放置于电动推杆运动端上的茶叶容器内并装满，启动电动推杆，使其带动茶叶容器向上运动，直至石英板压住茶叶容器上端开口，并压平堆叠状茶叶。Y型光纤的探头采集经石英板压平后的堆叠状茶叶上表面的平均光谱，并将光谱信息传回PC端。每个茶叶样本扫描完后，取出重新打乱后放入，再次进行光谱采集。每次扫描保存3条光谱，每个样本共扫描3次，最终每个样本有9条光谱，取9条光谱的平均值作为该样本的代表性光谱值，达到尽量接近整堆茶叶的平均光谱值的目的。试验过程中茶叶样本光谱采集如图3-3所示。对每道工序后的茶叶样本进行光谱采集，结果如图3-4所示，每条曲线代表一个茶叶样本的光谱曲线，反射率的不同对应着茶叶中内含物的差异。为
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高光谱成像技术的泾源黄牛肉色度PLSR预测模型构建[J]. 禹文杰,王彩霞,乔芦,王松磊,贺晓光. 浙江农业学报. 2020(03)
[2]SPA-PLS的高含水原油近红外光谱含水率分析[J]. 韩建,李雨昭,曹志民,刘强,牟海维. 光谱学与光谱分析. 2019(11)
[3]中国茶出口现状及分析研究[J]. 裴欢欢,刘红. 农家参谋. 2019(19)
[4]茶叶产业供应链智慧化成熟度研究[J]. 邓昆,孙雪莲. 中国商论. 2019(17)
[5]光谱预处理方法选择研究[J]. 第五鹏瑶,卞希慧,王姿方,刘巍. 光谱学与光谱分析. 2019(09)
[6]近红外光谱技术快速测定清开灵颗粒中3种成分含量[J]. 孙雪荣,刘顺国,肖利颖,潘碧妍,陈红英. 今日药学. 2019(10)
[7]不同碧螺春中咖啡碱含量的分析研究[J]. 王雪. 农产品加工. 2019(15)
[8]基于近红外光谱特征的三文鱼品质多指标快速检测[J]. 石吉勇,李文亭,邹小波,张芳,陈颖. 光谱学与光谱分析. 2019(07)
[9]基于NIR和PLS-DA法的东北大米产地快速溯源方法研究[J]. 高彤,吴静珠,林珑,刘志,刘翠玲,于重重. 中国粮油学报. 2019(07)
[10]基于特征波段-Fisher-K近邻的木器漆拉曼光谱的快速无损鉴别[J]. 何亚,王继芬. 激光与光电子学进展. 2020(01)
博士论文
[1]基于光谱和光谱成像技术的茶叶含水率检测机理和方法研究[D]. 魏玉震.浙江大学 2019
[2]基于近红外光谱的贮藏脐橙品质无损检测方法研究[D]. 夏俊芳.华中农业大学 2008
硕士论文
[1]基于光谱方法检测绿茶中儿茶素单体含量的研究[D]. 张裕莹.浙江大学 2017
[2]基于茶鲜叶表面可见特征与含水率变化模型研究[D]. 贾广松.浙江工业大学 2016
[3]葡萄内部品质的高光谱成像检测研究[D]. 杨杰.石河子大学 2016
本文编号：3496452
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教材专著
