CN114486772A - 卷烟产品的重金属检测设备及检测方法 - Google Patents

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薛宇毅
刘忠胤
徐波
李嘉康
苏子淇
郭文孟
梅吉帆
李智慧
郭亮
洪龙先
杨忠泮
徐大勇
堵劲松
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Abstract

本发明公开了一种卷烟产品的重金属检测设备及检测方法，卷烟产品的重金属检测设备包括测试台、第一凸透镜、第二凸透镜、第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜、第一激光器、第二激光器、信号采集仪、光谱仪、控制器及显示装置，测试台用于放置卷烟产品样品；控制器与显示装置通信连接，显示装置用于显示样品的金属类别和含量；样品放置于第一凸透镜和第二凸透镜的下方，控制器控制第一激光器发出第一激光束并聚焦到样品的检测部上，控制器控制第二激光器发出第二激光束并聚焦到检测部上；信号采集仪进行信号采集，采集的信号经光谱仪后存储到控制器内。本发明提供的卷烟产品的重金属检测设备及检测方法，检测了卷烟产品中的重金属类别及含量。

Description

卷烟产品的重金属检测设备及检测方法
技术领域
本发明涉及烟草检测技术领域，更具体地，涉及一种卷烟产品的重金属检测设备及检测方法。
背景技术
农产品的安全性问题，尤其是农产品中的重金属含量日益成为国内外学者关注的焦点。烟叶作为一种经济作物，是一种特殊的吸食品，烟叶中是否含有重金属以及重金属含量均与消费者的健康息息相关。
烟叶在种植过程中，由于受到土壤、灌溉水、大气沉降等因素的影响会造成一些地区的烟叶中含有重金属。若由烟叶原料卷制的卷烟产品(卷烟、口含烟、加热不燃烧烟、雪茄、雪茄烟)里面含有多种重金属，当消费者在抽吸这些含有重金属或重金属超标的卷烟产品时，会影响消费者的身体健康。
因此，有必要解决上述技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种卷烟产品的重金属检测设备及检测方法，以检测卷烟产品中的重金属类别及含量。
基于上述目的，本发明提供一种卷烟产品的重金属检测设备，包括测试台、第一凸透镜、第二凸透镜、第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜、第一激光器、第二激光器、信号采集仪、光谱仪、控制器及显示装置，其中：所述测试台用于放置卷烟产品样品；所述控制器与所述显示装置通信连接，所述显示装置用于显示所述样品的金属类别和含量；所述样品放置于所述第一凸透镜和所述第二凸透镜的下方，所述控制器与所述第一激光器通信连接，以控制所述第一激光器发出第一激光束，所述第一激光束通过所述第一平面镜反射到所述第一凸透镜上，并经所述第一凸透镜聚焦到所述样品的检测部上，所述控制器与所述第二激光器通信连接，以控制所述第二激光器发出第二激光束，所述第二激光束通过所述第二平面镜、所述第三平面镜反射到所述第二凸透镜上，并经所述第二凸透镜聚焦到所述检测部上，所述第一激光束与所述第二激光束的夹角为锐角；所述控制器与所述光谱仪通信连接，所述控制器与所述信号采集仪通信连接，所述信号采集仪与所述光谱仪通信连接，所述信号采集仪朝向所述检测部进行信号采集，采集的所述信号经所述光谱仪后存储到所述控制器内。
可选的，所述卷烟产品的重金属检测设备还包括光纤，所述信号采集仪采集到的所述信号通过所述光纤传输到所述光谱仪内。
可选的，所述第一激光器的输出波长为1064nm，脉冲宽度为5-20ns，重复频率为10-100Hz，输出能量为10-1000mJ，所述第二激光器的输出波长为532nm，脉冲宽度为5-100fs，重复频率为10-100Hz，输出能量为10-1000mJ。
可选的，所述光谱仪采集光谱信号的范围为200-900nm。
可选的，所述第一凸透镜、所述第二凸透镜均为焦距为50mm的石英凸透镜。
可选的，所述测试台设置有驱动装置和多个安装部，多个所述安装部用于安装多个所述样品，所述驱动装置能够驱动多个所述样品依次旋转到所述第一凸透镜和所述第二凸透镜下方。
基于同一发明构思，本发明还提供一种卷烟产品的重金属检测方法，使用前述任一技术方案所述的卷烟产品的重金属检测设备进行卷烟产品的重金属检测，包括以下步骤：步骤一：将所述样品放置于所述测试台上，并位于所述第一凸透镜、所述第二凸透镜的下方；步骤二：所述控制器控制所述第一激光器产生第一激光束、控制所述第二激光器产生第二激光束、控制所述信号采集仪采集信号，将采集的所述信号传输到所述光谱仪并转换成光谱数据后存储到所述控制器内；步骤三：将所述样品进行多组光谱数据的采集，并将所述多组光谱数据存储到所述控制器内；步骤四：将所述多组光谱数据进行光谱预处理；步骤五：将多个卷烟产品样品进行步骤一、步骤二、步骤三、步骤四的操作；步骤六：将光谱预处理后的数据进行降维和特征提取，通过标准原子光谱数据库对预处理后的数据进行标记，并将标记后的数据传输至控制器；步骤七：通过对比与内标法标定检测所述样品中不同重金属的光谱强度，分析强度信息差异，得出待测金属元素的类别和含量。
可选的，所述光谱预处理包括根据获得的多组所述光谱数据，进行采用C谱作为标准及光谱归一化处理，并进行光谱数据误差、噪音、消除背景和分组操作。
本发明提供的卷烟产品的重金属检测设备及检测方法，卷烟产品的重金属检测设备包括测试台、第一凸透镜、第二凸透镜、第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜、第一激光器、第二激光器、信号采集仪、光谱仪、控制器及显示装置，首先，将样品放置在测试台上，并位于第一凸透镜和第二凸透镜的下方；然后，控制器控制第一激光器和第二激光器分别发出第一激光束和第二激光束，第一激光束通过第一平面镜反射到第一凸透镜上，并经第一凸透镜聚焦到样品的检测部上，第二激光束通过第二平面镜、第三平面镜反射到第二凸透镜上，并经第二凸透镜同时聚焦到检测部上，信号采集仪将从检测部采集的信号输送到光谱仪后被光谱仪转换成光谱信号并存储到控制器内，多个卷烟产品样品进行上述重复操作，并将对应的光谱数据存储到控制器内；最后，对多组光谱数据进行光谱预处理，将光谱预处理后的数据进行降维和特征提取，通过标准原子光谱数据库对预处理后的数据进行标记，通过对比与内标法标定检测样品中不同重金属的光谱强度，分析强度信息差异，得出待测金属元素的类别和含量，从而检测了卷烟产品中的重金属类别及含量。
附图说明
下面将通过附图详细描述本发明中优选实施例，将有助于理解本发明的目的和优点，其中:
图1为本发明一实施例的卷烟产品的重金属检测设备的结构示意图；
图2为本发明一实施例的卷烟产品的重金属检测设备中多个样品放置于测试台上的结构示意图；
图3为本发明一实施例的卷烟产品的重金属检测方法的流程图。
附图标记说明：
1：测试台；2：第一凸透镜；3：第二凸透镜；4：第一平面镜；5：第二平面镜；6：第三平面镜；7：第一激光器；8：第二激光器；9：信号采集仪；10：光谱仪；11：控制器；12：显示器；13：光纤；14：样品；15：驱动装置。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1所示，本发明提供的卷烟产品的重金属检测设备，包括测试台1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、第一平面镜4、第二平面镜5、第三平面镜6、第一激光器7、第二激光器8、信号采集仪9、光谱仪10、控制器11及显示装置，其中：测试台1用于放置卷烟产品样品14；控制器11与显示装置通信连接，显示装置用于显示样品14的金属类别和含量；样品14放置于第一凸透镜2和第二凸透镜3的下方，控制器11与第一激光器7通信连接，以控制第一激光器7发出第一激光束，第一激光束通过第一平面镜4反射到第一凸透镜2上，并经第一凸透镜2聚焦到样品14的检测部上，控制器11与第二激光器8通信连接，以控制第二激光器8发出第二激光束，第二激光束通过第二平面镜5、第三平面镜6反射到第二凸透镜3上，并经第二凸透镜3聚焦到检测部上，第一激光束与第二激光束的夹角为锐角；控制器11与光谱仪10通信连接，控制器11与信号采集仪9通信连接，信号采集仪9与光谱仪10通信连接，信号采集仪9朝向检测部进行信号采集，采集的信号经光谱仪10后存储到控制器11内。
需要说明的是：卷烟产品样品14是指对卷烟产品(支烟、细支烟、雪茄烟、加热不燃烧烟、口含烟)进行烘干、粉碎、压片预处理，样品14压成直径2-10mm，厚度1-5mm的圆柱体；第一激光束经过第一凸透镜2聚焦到样品14上及第二激光器8经过第二凸透镜3聚焦到样品14上相同位置时，激光烧蚀样品14并产生等离子体，信号采集仪9将采集到的等离子体传输到光谱仪10中，从而转化成光谱信号；激光器包括Q触发器，控制器11控制Q触发器的启闭；控制器11可以为计算机。
本发明提供的卷烟产品的重金属检测设备，包括测试台1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、第一平面镜4、第二平面镜5、第三平面镜6、第一激光器7、第二激光器8、信号采集仪9、光谱仪10、控制器11及显示装置，首先，将样品14放置在测试台1上，并位于第一凸透镜2和第二凸透镜3的下方；然后，控制器11控制第一激光器7和第二激光器8分别发出第一激光束和第二激光束，第一激光束通过第一平面镜4反射到第一凸透镜2上，并经第一凸透镜2聚焦到样品14的检测部上，第二激光束通过第二平面镜5、第三平面镜6反射到第二凸透镜3上，并经第二凸透镜3同时聚焦到检测部上，信号采集仪9将从检测部采集的信号输送到光谱仪10后被光谱仪10转换成光谱信号并存储到控制器11内，多个卷烟产品样品14进行上述重复操作，并将对应的光谱数据存储到控制器11内，提高了卷烟产品的重金属检测设备的光谱数据的采集效率，之后对上述光谱数据进行处理，从而检测出卷烟产品中的重金属元素的类别和含量。
如图1所示，卷烟产品的重金属检测设备还包括光纤13，信号采集仪9采集到的信号通过光纤13传输到光谱仪10内。本实施例中，光纤13能够较好地将信号采集仪9采集到的信号较好地传输到光谱仪10内，避免了信号在传输过程中造成损失且提高了信号的传输效率，进而提高了卷烟产品的重金属检测设备的使用效率。
本发明一实施例中，第一激光器7的输出波长为1064nm，脉冲宽度为5-20ns，重复频率为10-100Hz，输出能量为10-1000mJ，第二激光器8的输出波长为532nm，脉冲宽度为5-100fs，重复频率为10-100Hz，输出能量为10-1000mJ，将两种常规规格的第一激光器7和第二激光器8配合使用，从而能够汇聚获得较大能量的激光束，从而能激发出较多的等离子体，增强信号，且两台激光器的覆盖范围不同，两者配合能覆盖较大的检测范围，提高了卷烟产品的重金属检测设备的使用适应性。
本发明一实施例中，光谱仪10采集光谱信号的范围为200-900nm，能够将较大范围的等离子体信号转换成光谱信号，提高了卷烟产品的重金属检测设备的使用适用性。
本发明一实施例中，第一凸透镜2、第二凸透镜3均为焦距为50mm的石英凸透镜，石英价格便宜且较容易采购到，降低了卷烟产品的重金属检测设备的生产成本，另外，石英材质的凸透镜透光效果较好，提高了卷烟产品的重金属检测设备的使用方便性。
如图2所示，测试台1设置有驱动装置15和多个安装部，多个安装部用于安装多个样品14，驱动装置15能够驱动多个样品14依次旋转到第一凸透镜2和第二凸透镜3下方。需要说明的是：多个样品14可以为5个，驱动装置15可以驱动测试台1旋转从而控制5个样品14旋转，以便在线测试5个样品14，满足了对卷烟产品的在线测量，提高了卷烟产品的重金属检测设备的使用效率。
如图1至图3所示，基于同一发明构思，本发明一实施例中还提供一种卷烟产品的重金属检测方法，使用前述任一实施例的卷烟产品的重金属检测设备进行卷烟产品的重金属检测，包括以下步骤：步骤一：将所述样品14放置于所述测试台1上，并位于所述第一凸透镜2、所述第二凸透镜3的下方；步骤二：所述控制器11控制所述第一激光器7产生第一激光束、控制所述第二激光器8产生第二激光束、控制所述信号采集仪9采集信号，将采集的所述信号传输到所述光谱仪10并转换成光谱数据后存储到所述控制器11内；步骤三：将所述样品14进行多组光谱数据的采集，并将所述多组光谱数据存储到所述控制器11内；步骤四：将所述多组光谱数据进行光谱预处理；步骤五：将多个卷烟产品样品14进行步骤一、步骤二、步骤三、步骤四的操作；步骤六：将光谱预处理后的数据进行降维和特征提取，通过标准原子光谱数据库对预处理后的数据进行标记，并将标记后的数据传输至控制器11；步骤七：通过对比与内标法标定检测所述样品14中不同重金属的光谱强度，分析强度信息差异，得出待测金属元素的类别和含量。
需要说明的是：多组光谱数据可以为20-50组；使用上述检测方法可以检测卷烟产品中是否含有重金属或者含有重金属的类别，如As，Cr，Cd，Li，Pb，Hg，Cu等，从而快速实现卷烟产品中重金属的快速抽检。
本发明一实施例中，光谱预处理包括根据获得的多组光谱数据，进行采用C谱作为标准及光谱归一化处理，并进行光谱数据误差、噪音、消除背景和分组操作，提高了光谱预处理效果，进而提高了卷烟产品的重金属检测方法的检测准确性。
本发明提供的卷烟产品的重金属检测设备及检测方法，卷烟产品的重金属检测设备包括测试台1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、第一平面镜4、第二平面镜5、第三平面镜6、第一激光器7、第二激光器8、信号采集仪9、光谱仪10、控制器11及显示装置，首先，将样品14放置在测试台1上，并位于第一凸透镜2和第二凸透镜3的下方；然后，控制器11控制第一激光器7和第二激光器8分别发出第一激光束和第二激光束，第一激光束通过第一平面镜4反射到第一凸透镜2上，并经第一凸透镜2聚焦到样品14的检测部上，第二激光束通过第二平面镜5、第三平面镜6反射到第二凸透镜3上，并经第二凸透镜3同时聚焦到检测部上，信号采集仪9将从检测部采集的信号输送到光谱仪10后被光谱仪10转换成光谱信号并存储到控制器11内，多个卷烟产品样品14进行上述重复操作，并将对应的光谱数据存储到控制器11内；最后，对多组光谱数据进行光谱预处理，将光谱预处理后的数据进行降维和特征提取，通过标准原子光谱数据库对预处理后的数据进行标记，通过对比与内标法标定检测样品14中不同重金属的光谱强度，分析强度信息差异，得出待测金属元素的类别和含量，从而检测了卷烟产品中的重金属类别及含量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种卷烟产品的重金属检测设备，其特征在于，包括测试台、第一凸透镜、第二凸透镜、第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜、第一激光器、第二激光器、信号采集仪、光谱仪、控制器及显示装置，其中：
所述测试台用于放置卷烟产品样品；
所述控制器与所述显示装置通信连接，所述显示装置用于显示所述样品的金属类别和含量；
所述样品放置于所述第一凸透镜和所述第二凸透镜的下方，所述控制器与所述第一激光器通信连接，以控制所述第一激光器发出第一激光束，所述第一激光束通过所述第一平面镜反射到所述第一凸透镜上，并经所述第一凸透镜聚焦到所述样品的检测部上，所述控制器与所述第二激光器通信连接，以控制所述第二激光器发出第二激光束，所述第二激光束通过所述第二平面镜、所述第三平面镜反射到所述第二凸透镜上，并经所述第二凸透镜聚焦到所述检测部上，所述第一激光束与所述第二激光束的夹角为锐角；
所述控制器与所述光谱仪通信连接，所述控制器与所述信号采集仪通信连接，所述信号采集仪与所述光谱仪通信连接，所述信号采集仪朝向所述检测部进行信号采集，采集的所述信号经所述光谱仪后存储到所述控制器内。
2.根据权利要求1所述的卷烟产品的重金属检测设备，其特征在于，所述卷烟产品的重金属检测设备还包括光纤，所述信号采集仪采集到的所述信号通过所述光纤传输到所述光谱仪内。
3.根据权利要求2所述的卷烟产品的重金属检测设备，其特征在于，所述第一激光器的输出波长为1064nm，脉冲宽度为5-20ns，重复频率为10-100Hz，输出能量为10-1000mJ，所述第二激光器的输出波长为532nm，脉冲宽度为5-100fs，重复频率为10-100Hz，输出能量为10-1000mJ。
4.根据权利要求3所述的卷烟产品的重金属检测设备，其特征在于，所述光谱仪采集光谱信号的范围为200-900nm。
5.根据权利要求4所述的卷烟产品的重金属检测设备，其特征在于，所述第一凸透镜、所述第二凸透镜均为焦距为50mm的石英凸透镜。
6.根据权利要求5所述的卷烟产品的重金属检测设备，其特征在于，所述测试台设置有驱动装置和多个安装部，多个所述安装部用于安装多个所述样品，所述驱动装置能够驱动多个所述样品依次旋转到所述第一凸透镜和所述第二凸透镜下方。
7.一种卷烟产品的重金属检测方法，其特征在于，使用权利要求1-6任一项所述的卷烟产品的重金属检测设备进行卷烟产品的重金属检测，包括以下步骤：
步骤一：将所述样品放置于所述测试台上，并位于所述第一凸透镜、所述第二凸透镜的下方；
步骤二：所述控制器控制所述第一激光器产生第一激光束、控制所述第二激光器产生第二激光束、控制所述信号采集仪采集信号，将采集的所述信号传输到所述光谱仪并转换成光谱数据后存储到所述控制器内；
步骤三：将所述样品进行多组光谱数据的采集，并将所述多组光谱数据存储到所述控制器内；
步骤四：将所述多组光谱数据进行光谱预处理；
步骤五：将多个卷烟产品样品进行步骤一、步骤二、步骤三、步骤四的操作；
步骤六：将光谱预处理后的数据进行降维和特征提取，通过标准原子光谱数据库对预处理后的数据进行标记，并将标记后的数据传输至控制器；
步骤七：通过对比与内标法标定检测所述样品中不同重金属的光谱强度，分析强度信息差异，得出待测金属元素的类别和含量。
8.根据权利要求7所述的卷烟产品的重金属检测方法，其特征在于，所述光谱预处理包括根据获得的多组所述光谱数据，进行采用C谱作为标准及光谱归一化处理，并进行光谱数据误差、噪音、消除背景和分组操作。
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