CN107991271A - 一种无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统 - Google Patents

一种无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统 Download PDF

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宋淑然
李震
王海林
高婷
尹令
黄家曦
张震邦
杨晓彬
付正德
陈理
李泽艺
宋倩
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity

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Abstract

本发明公开了一种无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统，包括光电反射传感器、数据采集卡和上位机，光电反射传感器包括近红外激光器、光电传感器和反光杯；使用近红外激光器照射放置在铁丝网上的茶叶，通过光电传感器采集由反光杯收集的茶叶反射光的强度与白板反射光的强度，再将微弱光电信号放大至数据采集卡能检测到的电压范围后，由数据采集卡采集，最后传送至上位机里将两个电压进行除法运算得到反射率，并由此计算茶叶含水量。本发明可有效解决传统茶叶含水量检测中存在的时间长、成本高和破坏性问题，能够做到快速无损地检测茶叶含水量。

Description

一种无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统
技术领域
本发明涉及一种检测茶叶含水量的装置，特别涉及一种无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统。
背景技术
茶在中国具有悠远的历史，是中华文明最具精髓、最具权威、最具价值的一部分。从100多年前至今，中国茶叶闻名世界，与瓷器和丝绸等中国名产一样成为了中国的又一代名词，备受各国追捧，茶叶市场更是被中国垄断，为中国带来巨大的经济收入。截至2014年，我国茶叶总产量达到195万吨，总种植面积达到274万hm2，对外贸易出口总量达30.1万吨，为我国创造了巨大的经济收入。茶叶对于我国文化传播和经济贸易具有重要的意义，但我国对于茶叶质量的检测依旧存在一定缺陷，缺乏一种高效的检测方法，因而需要开发一种实时、无损的检测方法。
无损检测是指在不对检测物体造成结构损坏和成分变化的情况下，检测出物体一种或若干种物理性质或化学成分的方法。它可以在保护农作物不受损伤的同时，检测其发育是否良好，既保证了农作物的生长发育不受影响，又可以监控它的生长状况，实现对农作物的生长控制。在加工或销售过程中，无损检测可在不影响农产品外在形态和使用价值的同时，验证质量达标状况，对于农产品的生产销售具有重要的意义，是农业技术中的重点研究对象。
在茶叶中，鲜叶的含水量为63％到80％，会影响茶叶内其他成分的浓度，从而影响茶叶的质量。成品茶叶的品质受含水量变化的影响，茶叶的性质会随含水量的增减而产生改变。在贮藏运输过程中，要保持含水量低于10％，避免茶叶处于活跃状态，产生霉变。所以，测定茶叶的含水量，不仅可以在一定程度上了解茶树的生长情况，便于栽培，还可以控制茶叶的加工进程，保证茶叶质量，避免贮藏过程中发霉。
高光谱遥感技术是使用成像光谱仪，对目标对象拍摄光谱照片的同时，获取能够反映对象物理、化学信息的光谱数据，生成完整、连续的光谱曲线的新型技术。高光谱技术的探测范围广泛，远高于其他遥感技术，除了一般的可见光，还可以探测到近红外光、中红外光、远红外光和紫外光等。
目前，国外高光谱技术在茶叶上的应用范围广泛，与国内相比处于领先地位。在日本，近红外光谱技术已使用并能够测量茶叶中的氨基酸、全氮量和茶多酚，建立强相关性的分析模型，并在这基础上进行无损快速检测。在国内，有不少关于其他植物的含水量或者基于高光谱的检测试验，例如通过检测花生对近红外光线的反射率与含水量的关系，通过高光谱成像技术对玉米的成分含量进行无损检测等，但是基于高光谱的茶叶含水量检测方案较少。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统，可有效解决传统茶叶含水量检测中存在的时间长、成本高和破坏性问题，能够做到快速无损地检测茶叶含水量。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统，包括光电反射传感器6、数据采集卡2和上位机1，光电反射传感器6包括近红外激光器13、光电传感器12和反光杯11；使用近红外激光器13照射放置在铁丝网7上的茶叶，通过光电传感器12采集由反光杯11收集的茶叶反射光的强度与白板反射光的强度，再将微弱光电信号放大至数据采集卡2能检测到的电压范围后，由数据采集卡2采集，最后传送至上位机1里将两个电压进行除法运算得到反射率，并由此计算茶叶含水量。
优选的，该系统还包括支架5，所述支架5由五条长支架和一条短支架组成，其中三根长支架竖直作为支架脚，另外两根支架T字连接，T字的三个顶点分别固定三根支架脚，T字中间接一根竖直短支架，在短支架下端固定着光电反射传感器6。
优选的，该系统包括一电路4，包括OP07运算放大器组成的滤波电路10、前置放大电路8和主放大电路9，将微弱光电信号放大至数据采集卡能检测到的电压范围。
具体的，所述的滤波电路10是一种选频电路，筛选出有用的信息，抑制无用的信息，只使一定频率的信号顺利通过；选用有源滤波电路，除了R、L、C之外，还需要包括双极管、集成运算有源元件。
具体的，所述的前置放大电路元件8包括OP07运算放大器和两个可调电阻，能将接受光学信息的检测元件输出的光电流以一定的线性关系转变为电压。
具体的，所述的主放大电路9使用OP07运算放大器作为核心元件，用于对前置放大电路输出的毫伏级电压进行放大，获得不失真并可以被数据采集卡2采集的电压信号，并当光电检测器输出的信号增大时，通过自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，使主放大器的输出信号幅度在一定范围内不受输入信号的影响。
具体的，电路4布置在支架上方。
优选的，所述近红外激光器13由输出电压为3V、输入电流为1A的电源适配器供电；采用输出波长为780nm的近红外激光器。
优选的，所述的上位机1运用了LabVIEW软件，通过近红外光线对茶叶的反射率与含水量建立了数学模型，具体检测流程为：程序首先初始化，然后设置数据采集通道参数，接着设置数据采集频率；在采集到电压信号后计算基于电压的反射率，再使用公式计算含水量并实时显示出来；最后判断是否停止采集，如果结果为否，则从采集电压信号步骤开始运行，如果结果为是，则结束程序。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明的优点在于能在保证茶叶不受损伤的同时，快速获取茶叶含水量，不仅可以在一定程度上了解茶树的生长情况，便于栽培，还可以控制茶叶的加工进程，保证茶叶质量，避免贮藏过程中发霉。
本发明使用了虚拟仪器技术，可以根据已建立模型实时推算并显示茶叶含水率，不需要使用高光谱相机等硬件，大幅减少了成本。
附图说明
图1是实施例系统的结构示意图。
图2是实施例的光电检测原理图。
图3是实施例的光电传感器总电路。
图4是实施例的LabVIEW程序流程图。
图5是实施例的光电反射传感器原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统，包括支架5、光电反射传感器6、数据采集卡2(USB6229)和上位机1，光电反射传感器6包括近红外激光器13、光电传感器12和反光杯11，使用近红外激光器13照射放置在铁丝网7上的茶叶，通过光电传感器12采集由反光杯11收集的茶叶反射光的强度与白板反射光的强度，再经过电路4将微弱光电信号放大至数据采集卡2能检测到的电压范围后，由数据采集卡2采集，最后传送至上位机1里的LabVIEW将两个电压进行除法运算得到反射率，并由此计算茶叶含水量。
所述支架5由五条长支架和一条短支架组成，由图1所示。其中三根长支架竖直作为支架脚，另外两根支架T字连接，T字的三个顶点分别固定三根支架脚。在支架上方放置着光电传感器12的电路4，在短支架下连接着光电反射传感器6。
所述光电传感器12应用半导体电子元器件对光学信号的敏感度，将光学信号转变为电信号，并经过滤波、放大、储存、显示，获得大小合适、稳定性高的电信号。通过近红外激光器13照射放在铁丝网7上的茶叶，经反射到达传感器上的光信号十分微弱，而且噪声较大，信号不清晰，需要通过滤波电路对信号进行预处理，消除噪声的影响，同时通过放大电路将信号放大，获得足够大的电信号，传送至采集卡2中。
所述光电传感器12采集放置在铁丝网7上的茶叶的反射光强后，经过电路4，利用OP07运算放大器组成滤波电路10、前置放大电路8和主放大电路9，将微弱光电信号放大至数据采集卡能检测到的电压范围，如图3。
所述的滤波电路10是一种选频电路，筛选出有用的信息，抑制无用的信息，只使一定频率的信号顺利通过。主要分为有源滤波和无源滤波两类，无源滤波主要由电阻(R)、电容(C)、电感(L)组成；有源滤波除了R、L、C之外，还需要双极管、集成运算有源元件等有源元件。由于电源选用12V的蓄电池，输出不稳定，需要使用滤波器进行稳压，保证输出频率，所以本设计选用有源滤波电路，以提高稳定性。
所述的前置放大电路元件8主要包括OP07运算放大器和两个可调电阻，能将接受光学信息的检测元件输出的光电流以一定的线性关系转变为电压，还可以获得较大的信噪比和毫伏级信号。
所述的主放大电路9使用OP07运算放大器作为核心元件，用于对前置放大电路输出的毫伏级电压进行放大，获得不失真并可以被数据采集卡2采集的电压信号，并当光电检测器输出的信号较大时，通过自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，使主放大器的输出信号幅度在一定范围内不受输入信号的影响。
所述近红外激光器13由输出电压为3V、输入电流为1A的电源适配器供电。同时，近红外光具有穿透性强的优点，为了确保检测系统的准确性，采用输出波长为780nm的近红外激光器。
所述的上位机1运用了LabVIEW软件，通过近红外光线对茶叶的反射率与含水量建立了数学模型。如图4，具体流程为：程序首先初始化，然后设置数据采集通道参数，接着设置数据采集频率。在采集到电压信号后计算基于电压的反射率，再使用公式计算含水量并实时显示出来。最后判断是否停止采集，如果结果为否，则从采集电压信号步骤开始运行，如果结果为是，则结束程序。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统，其特征在于，包括光电反射传感器、数据采集卡和上位机，光电反射传感器包括近红外激光器、光电传感器和反光杯；使用近红外激光器照射放置在铁丝网上的茶叶，通过光电传感器采集由反光杯收集的茶叶反射光的强度与白板反射光的强度，再将微弱光电信号放大至数据采集卡能检测到的电压范围后，由数据采集卡采集，最后传送至上位机里将两个电压进行除法运算得到反射率，并由此计算茶叶含水量。
2.根据权利要求1所述的无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统，其特征在于，该系统还包括一支架，所述支架由五条长支架和一条短支架组成，其中三根长支架竖直作为支架脚，另外两根支架T字连接，T字的三个顶点分别固定三根支架脚，T字中间接一根竖直短支架，在短支架下端固定着光电反射传感器。
3.根据权利要求1所述的无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统，其特征在于，该系统包括一电路，电路包括OP07运算放大器组成的滤波电路、前置放大电路和主放大电路，将微弱光电信号放大至数据采集卡能检测到的电压范围。
4.根据权利要求3所述的无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统，其特征在于，所述的滤波电路10是一种选频电路，筛选出有用的信息，抑制无用的信息，只使一定频率的信号顺利通过；选用有源滤波电路，除了R、L、C之外，还需要包括双极管、集成运算有源元件。
5.根据权利要求3所述的无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统，其特征在于，所述的前置放大电路元件包括OP07运算放大器和两个可调电阻，能将接受光学信息的检测元件输出的光电流以一定的线性关系转变为电压。
6.根据权利要求3所述的无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统，其特征在于，所述的主放大电路9使用OP07运算放大器作为核心元件，用于对前置放大电路输出的毫伏级电压进行放大，获得不失真并可以被数据采集卡采集的电压信号，并当光电检测器输出的信号增大时，通过自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，使主放大器的输出信号幅度在一定范围内不受输入信号的影响。
7.根据权利要求3所述的无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统，其特征在于，电路布置在支架上方。
8.根据权利要求1所述的无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统，其特征在于，所述近红外激光器由输出电压为3V、输入电流为1A的电源适配器供电；采用输出波长为780nm的近红外激光器。
9.根据权利要求1所述的无损检测茶叶含水量的虚拟仪器系统，其特征在于，所述的上位机运用了LabVIEW软件，通过近红外光线对茶叶的反射率与含水量建立了数学模型，具体检测流程为：程序首先初始化，然后设置数据采集通道参数，接着设置数据采集频率；在采集到电压信号后计算基于电压的反射率，再使用公式计算含水量并实时显示出来；最后判断是否停止采集，如果结果为否，则从采集电压信号步骤开始运行，如果结果为是，则结束程序。
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