采用白炽光源的茶叶蔗糖掺入量快速光电检测方法及装置

本发明属于光电检测领域，具体为一种采用白炽光源的茶叶中蔗糖掺入量快速光电检测方法及装置。

背景技术：

一些食品中常会混有不希望的杂质，这些杂质与食品本身已完全混合难以用肉眼判断其存在及多少。例如：茶叶厂商有可能会在茶叶制作过程中在其中添加食糖，主要是较廉价的蔗糖，这些蔗糖可通过喷糖水后再干燥的方法加入，与茶叶本身已完全混合无法用肉眼判断其存在及含量。茶叶厂商添加蔗糖的目的主要是为了对价值较高的茶叶进行增重盈利，这时的添加量往往较大；一些品种的茶叶在制作工艺中有时也需要添加蔗糖进行上色等，这时的添加量往往很少；茶叶生长过程中本身也会含有微量蔗糖成分。添加较大量蔗糖的茶叶易于霉变生虫等难以保存，也会显著影响其品质，因此对茶叶中蔗糖含量进行检测是商检品控等需要的。常规的茶叶中蔗糖含量检测方法有液相色谱、傅立叶变换近红外光谱等，但这些方法较费时费力，成本也高，且设备体积较大难以用于现场检测。

对茶叶中的蔗糖含量进行检测有别于对其中的营养和风味物质以及重金属、农药等微量痕量杂质的检测。如前所述，这时茶叶中的蔗糖含量常较高，按重量可达百分之几至百分之二十以上，这样就有可能对其光学性质产生相应影响，也就有可能通过检测其光学性质如吸收或反射特性的变化来相应判定蔗糖含量。经验表明，在较宽的波段如整个可见光或近红外波段进行其平均光学性质的检测是难以奏效的，但我们的试验表明在某些特定的红外波长上进行这样的检测却能获得较好的效果。对于面向应用的光电检测方法及其装置，其实用性、使用方便性及其制造成本等因素都是必须考虑的，而尽量使用低成本的，非稀缺的元器件则是人们所希望的。采用普通白炽灯光源结合相应的滤光片和配套红外光电探测器可以构成方便廉价的快速光电检测装置，用于对茶叶中的蔗糖掺入量进行定量或半定量检测。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种采用白炽光源的光电检测方法及其装置，用于对茶叶中的蔗糖掺入量进行定量或半定量快速检测，是一种普适方法。

本发明的要点为：采用直流驱动的宽谱白炽光源照射茶叶样品，对其漫反射光用窄带滤光片进行波长过滤，漫反射光经透镜收集得到来自样品的特定波长漫反射光。此特定波长的选定一方面要能反映茶叶中蔗糖掺入量的信息，另一方面也要避开大气中水汽的强吸收波段，采用窄带滤光也可减小环境光的影响；测试中不同蔗糖掺入量的茶叶样品需经标准化处理以保证其在形态上的一致性。其后通过波长配套的红外光电探测器进行强度检测，红外光电探测器将漫反射光强转换成光电流，进而经由跨阻放大器转换成直流电压信号，与漫反射光强对应的直流电压值由数字电压表显示读取；测试过程中以不掺蔗糖的茶叶样品作为标样读取其特定波长漫反射光电压值作为参考值，在相同测试条件下其他茶叶样品的特定波长漫反射光电压值与参考值相除即为此样品的漫反射光电压相对值；将该样品的相对值与标定线进行比较即可得出此茶叶样品中蔗糖掺入量的定量或半定量结果。茶叶中蔗糖掺入量与漫反射光电压关系的标定线可由对已知蔗糖掺入量的茶叶样品在相同测量条件下进行测量获得。在此测量过程中宽谱光源用普通微型低功率白炽灯泡即可，波长选择可用干涉型的窄带滤光片，这样也可最大限度地减小环境杂散光的影响。

本发明的有益效果

1、本发明的检测方法及其装置基于常规测量手段及常规部件和元器件，计算及标定也都很简单方便，可以快速得到检测结果；

2、本发明的检测方法及其装置由于在红外波段进行，并采用了窄带滤光方法，波长选择避开了水汽吸收波段，因此可在日常环境及自然光条件下进行检测，装置使用时无需暗室，也不易受人工照明光影响，使用方便；

3、本发明的检测方法及其装置由于采用了廉价的普通微型白炽灯泡作为红外宽谱光源，使用及维护成本低，使用环境条件宽松；

4、本发明的装置可方便地进行小型化或微型化，便于携带，样品安置简单方便低成本，由于是相对测量光路也不必精细调整只需保持固定，可方便地进行现场检测并立即获得结果，适用于现场质检商检等场合，也适合实验室应用。

5、本发明由于采用了宽谱光源与特定波长窄带滤光片结合，根据特定波长与检测物质的相关性，此方法及其装置可适用于宽广的波段，因此也可以应用于其他物质的检测，具有普适性。

附图说明

为进一步说明本发明的具体内容，附图2幅，具体说明如后，其中：

图1.采用宽谱白炽光源的茶叶中蔗糖掺入量快速光电检测方法及其装置示意图。

图2.采用图1所示装置测得的不同茶叶样品蔗糖掺糖量与其特定波长漫反射相对光强的关系。

具体实施方式

为进一步说明本发明的方法和装置，图1示出了采用宽谱白炽光源的茶叶中蔗糖掺入量快速光电检测方法及其装置示意图。由图1可见，此发明的检测装置由五个部分构成，包括：1)样品台。样品台上可安置2个或多个相同的样品容器，样品置于容器中按检测要求进行定位，样品台本身也可安置在固定平台上方便滑动到不同样品位置及交换样品；2)带有遮光筒的普通微型低功耗白炽灯泡宽谱光源，经直流驱动后产生的光输出直接照射到样品上，无需进一步准直；3)样品上的宽谱漫反射光经干涉型窄带滤光片后成为特定波长漫反射光；4)此特定波长漫反射光输出至探测模块，由带有收集透镜的光电探测器转换成光电流，并由其后的跨阻放大器转换成直流信号；5)直流电压信号由数字电压表显示读出。对不同样品在电压表上读取的数值与对标样读取的数值进行参比即可得到此样品的特定波长漫反射光强相对值，与标准曲线(图2为示例)对照即可得到此样品中的蔗糖掺入量。这五个部分的部件可以方便地组装在一起构成微型化仪器以满足现场检测的需要。

实施例：

如图1所示，对不同蔗糖掺入量的同品种茶叶样品采用本发明的方法及其装置进行了检测。此组三个茶叶样品的基底为相同的市购铁观音茶，对其按重量比分别掺入0％、10％及20％的普通蔗糖。蔗糖溶于少量水中均匀喷洒到茶叶上，经烘干打粉制样(具体可参见gb/t8303-2013)后用于测试。粉末样品容器采用同一规格的塑料浅盒。作为演示，测量装置用普通光机零部件搭建于一75×125mm²小平板上，可方便地进行光路调整，装置及样品置于任意平台上即可进行检测。装置中选用了一只直径约5mm的5v60ma的普通微型白炽灯泡作为宽谱光源，采用5v直流usb电源驱动，其发光钨丝距样品的直线距离约2cm，其上套有遮光筒，光线从遮光筒前端输出，这样可避免白炽灯泡的侧面光线照射到探测端影响漫反射测量。在此条件下此宽谱光源与滤光片/光电探测器/放大器配合能在茶叶样品上产生1v以上的特定波长漫反射光强信号电压，有足够的信噪比，可满足使用要求；如需增加光强延长照射距离也可采用两个或多个微型灯泡从多个方向照射样品，这样也可改善光照均匀性，但需注意勿使光照过强以免信号饱和。特定波长滤光片选用了中心波长1560nm,带宽为12nm的干涉型滤光片，其中心波长透过率约为50％，直径为1英寸。光电探测放大模块为自制，选用了自制的波长扩展ingaas光电探测器，采用带有珠状玻璃透镜管帽的5mmto管壳封装，其响应波长范围在约1.0～2.6μm，可满足波长匹配要求。光电探测器后配有由两级运放构成的跨阻放大器，采用锂离子电池供电，探测放大模块尺寸为25×25×40mm³。探测放大模块的输出连接至直流数字电压表，检测中用的是fluke17b+数字万用表的直流电压档，其3-3/4位显示已可满足检测要求。

检测中用不掺蔗糖的样品作为标样(如图1中粉末样品1)测得其1560nm漫反射光强度对应的直流电压值，实测约在1v量级，对此标样即其漫反射相对光强为1；然后在相同的(容器、样品量、安放几何位置等)条件下测量掺入蔗糖的样品(如图1中粉末样品2)的1560nm漫反射光强度对应的电压值，将其除以标样的电压值即得到此样品的1560nm漫反射相对光强值。对掺入蔗糖量为20％(重量比)的样品，实际检测到的漫反射相对光强值为1.396，也即漫反射光强有约40％的增强；对掺入蔗糖量为10％(重量比)的样品，实际检测到的漫反射相对光强值为1.160，有约16％的增强；此次检测样品的漫反射光强与蔗糖掺入量关系如图2所示。采用此发明的方法和装置进行的此次实测表明，此组样品的掺入蔗糖量与其漫反射相对光强值具有较好的线性关系，验证了其有效性，可用于对同种类茶叶样品的蔗糖掺入量进行定量或半定量判断，或者设定某阈值进行商品合格或不合格分选，具有普适特点。