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探究材料热成像技术在茶叶无损检测方面的应用论文

时间:2018-09-03 材料毕业论文 我要投稿

  茶叶中含有儿茶素、胆甾烯酮、咖啡碱、肌醇、叶酸、泛酸等多种对人体有益的成分,在综合作用下,有预防疾病和抑制肥胖等功效.因此在古代,茶叶就作为我国的重要出口商品换取了大量外汇,不仅积累了丰富的物质财富,并在此过程中继承和发展了宝贵的茶文化.现如今,茶叶仍是我国重要的农产品之一,其经济及社会价值仍不可小视.随着现代科学技术的进步,茶叶的品质检验已不单单地停留在人为的对色、香、味、意、形的主观感受,而是要求对茶叶品质、营养价值、加工方式等进行科学客观的技术表征.茶叶的热成像无损检测技术作为一项前沿实用技术,正逐步完善并进入产品中试阶段.该技术可对茶叶的某些细部特征进行综合在线无损测试,为茶叶质量的科学评价给出一定依据,以期辅助提升茶叶的品质.

  1 茶叶热成像无损检测原理

  1.1 茶叶的红外成像原理

  任何材料,包括茶叶,在常态( 非理想状态)下,其温度均高于绝对零度,物体表面都会向外界发出热辐射.该热辐射通常以红外射线形式存在,且红外波长的大小与物质的温度密切相关. 由于受材料的自有理化性能、原子及分子间排列组合及加工方式等因素影响,其内部温度场会产生一定扰动,形成热波.而热波在物体内部传播及表面辐射过程中产生的差异会被红外检测设备一一捕获,通过进一步分析处理即可形成待捡物质的红外热像.红外热像不仅可以在常温/变温状态下对茶叶表面的温度分布进行直接观察,而且还可对茶叶叶片厚度分布、脉络走向、微孔均一性等细节信息做出更为准确的判断.

  1.2 茶叶热成像无损检测技术应用优势

  在茶叶的无损检测方面,热成像技术凭借其自身诸多的特点,在某些特定领域具有明显优势.首先,热成像技术具有非接触性、使用范围广的特点.由于检测过程中仅对物质产生的红外热波进行测量,不需要对物质进行进一步加工破坏,所以热成像技术适用范围更广,对操作者技术要求更低,工序更为简单化.其次,热成像技术具有客观精准的可视化特征.由于热成像的本质是在检验物质的热辐射差,因此热成像检测系统是完全被动的.相比于其他非接触检测手段如X 射线、超声C、核磁共振及光学辅助软件模拟等,热成像技术的数据直接源于茶叶本身,不需要进行模拟计算及软件处理,其准确性很高.不仅如此,在保证准确性的同时,热成像技术还可提供茶叶的可视化红外图像,为直观判断茶叶的某些细部特征提供了方便.最后,热成像技术具有制样容易,方便快捷的特点.热成像技术依靠物质本体热辐射的进行测试,故不需要对茶叶进行进一步加工,这既保证了茶叶在检测过程中保持原有形态,同时简化了操作步骤,在样品制备方面相对其它检测手段大为简化,降低了操作者的工作强度,提高检测效率,降低差错率.

  2 茶叶热成像无损检测技术的几个重要性能参数

  2.1 热灵敏度

  热灵敏度( NEDT,噪声等效温差) 考量中波( NWIR) 和长波( LWIR) 红外热像仪性能的关键参数.热灵敏度反应了温差的信噪比,该温差信号等同于热像仪瞬时噪声.故热灵敏度数值近似代表着热像仪可分辨温差的最小值. 热灵敏度数值由瞬时噪声除以响应度计算得来,单位通常用mK 表示.所以灵敏度数值越小,代表着热像仪灵敏度越高,成像越清晰.一般来说,热像仪的光圈数、积分时间和测量时的具体温度决定了每次热成像过程的热灵敏度,因此根据测量需要选用合适的热成像设备至关重要.

  2.2 分辨率

  分辨率( Resolution) 是衡量影像清晰度或浓度的标准,它代表垂直和水平方向显示的每英寸( inch) 点( dpi) 的数量.茶叶热成像过程的分辨率大致分为图像分辨率和显示分辨率两个方面. 图像分辨率与热灵敏度等测试参数密切相关,而显示分辨率则与显示器的性能有关. 热成像仪自带显示器往往尺寸较小,这主要是由于显示分辨率固定的情况下,屏幕越小图像越清晰,所以在大多数检测过程中,热像仪需经数据线连接直接在计算机显示器上进行操作,或者保持保存热像影像资料至仪器自带SD 卡中,再将卡内数据转移至电脑另行处理.

  2.3 间隔与光斑比

  间隔与光斑( D S) 比即红外成像仪到待测物体的间隔与被测光斑尺度之比,对仪器的成像及分辨率有重要影响.热像仪D S 比越大,其图像分辨率越好.目前在茶叶红外成像领域技术不断成熟,逐步增加了近焦距功能,可以根据茶叶尺寸针对小区域范围内进行精确测量,同时还能够降低布景温度的影响.但是在对茶叶实际进行热成像操作过程中,布景温度的影响仍不可忽略,一般采用陶瓷、工程塑料、复合材料、分子筛薄膜等保温材料作为底板布景,以此降低、规避布景温度对热成像过程的影响.目前,新型底板材料的研发仍处在开始阶段.本课题组根据实际检测中反映出的问题,开发了新型铝基合金金表面防腐、亲水、抗菌复合分子筛薄膜,并对其制备工艺和性能做了系统表征,使其更加符合茶叶检测过程中的各项技术指标.

  此外,温度量程、扫描制式、最大工作时间、工作环境等也是检测过程中需要考虑的主要参数.但由于茶叶热成像检测过程中受温度变化范围不大、环境要求不高等实际情况约束,以上参数相对固定且容易符合测试条件基本要求,故在此对这些测试参数不予重点讨论.

  3 茶叶热成像无损检测技术应用

  热成像技术在茶叶的无损检测方面具有很多方面的应用,这里仅选取几类具有代表性的应用实例进行工程实践过程分析.

  3.1 茶叶厚度及分布

  由于计算机普通光学扫描检测技术主要是针对茶叶叶片表面进行观测,不能或不便在三维角度对其进行评估,故传统的茶叶叶片厚度观测主要依靠茶叶的切片解剖实验进行. 该方法得到的观测结果比较准确,但其效率低下,对操作者有一定专业技艺要求,且测试过程中叶片的部分理化性能已经发生变化,不利于对其进一步的检测.而材料热成像技术则不同,它采用非接触式测量模式,不改变叶片的形状,直接得到检测结果,简单方便易于操作.其基本原理是利用茶叶叶片在不同厚度区域的热导率不同,在相对稳定的控温环境下,叶片的厚度分布决定了叶片的热像分布.通过观察热成像图像,不仅可以直接得到茶叶的厚度值,还可以同时比较茶叶叶片各区域厚度分布,这是切片技术很难完成的.另外,热成像的巨大优势还体现在可实时观测多类型、多数目叶片厚度值,并对其进行比较,不仅速度快,而且具有不同条件下的类比性.所以材料热成像检测技术是目前茶叶厚度分布的最理想检测手段之一.

  3.2 茶叶叶脉及脉络走向

  由于茶叶叶脉与叶肉部分的理化组成存在差异,故二者间的热导率也不同.利用此差异,可以对茶叶叶片进行热成像分析.采用近焦镜头对叶片进行观察可以很明显发现叶脉的走向,这可以作为茶叶的“指纹识别”方式,对茶叶种类进行真伪辨别.其次,叶脉形貌可以客观反映出茶叶的很多加工属性.比如,叶脉热成像较宽的茶叶往往对应含水量要高,存放时间短,烘干时间短等要素.这些热成像图可以帮助我们了解不同质量、不同工艺之间茶叶的具体差别,以科学客观的角度分析并解决制茶工艺中出现的问题.此外,通过热成像的明暗程度可以区分不同茶叶间的热导率差异,进而判断茶叶的化学组成、存放时间,烘干程度及工艺方法等信息.相对普通的光学成像系统,热成像技术更加关注茶叶内部而非表面的理化结构信息,能够较深入对其进行系统研究.

  3.3 茶叶叶片微孔均一性

  叶片在生长、加工过程中不可避免会形成微小孔洞,由于微孔中心的热导率为零,其边缘逐渐渐变至叶片内部中心的热导率值,故在热成像过程中,孔洞处的图像将呈现渐变光谱区,这十分有利于观测和表征这些微孔.所以在微孔观测方面,热成像技术相对于普通光学扫描技术更加方便.另外,光学扫描仅对孔洞形貌做出了基本判断,一般只能得到大小、形状、面积及分布等基本信息.而热成像表征孔洞时是以红外热辐射信号为依据,这在某些情况下可以反映出孔洞的形成过程,进而推断出孔洞形成原因.这为茶叶品质的进一步提高给出了明确方向,使人们在种植、采摘、制茶过程中克服环境、手法、生产条件等不利因素,使改进措施更具指导性,而非多次重复试验和经验摸索,节省了大量人力、物力及时间.

  4 结论

  综上所述,本文提出了一种依靠材料热成像技术对茶叶进行无损检测的新方法. 通过合理选择及调整热成像过程中相关检测参数,并对茶叶本身红外热辐射信号进行捕捉处理后得到其热成像图像.利用此图像可对茶叶厚度及分布、叶片脉络走向、微孔均一性进行系统分析.该检测手段相比其它方法具有非接触、使用范围广、精确客观的可视化、制样简单及方便快捷等优点,为茶叶品质检测提供客观依据的同时,指明了茶叶生产加工过程中需要努力提升和改进的方向.

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