基于近红外光谱的茶叶成分检测仪的软件研制

　　1 引 言

　　近红外光谱分析技术(NIR)作为一种快速、无损的绿色分析方法得到日益广泛的应用，其在茶叶及其制品成分检测中的研究与应用已有相关报道[1-3]。通常近红外光谱检测仪主要包括光谱仪、化学计量学软件、数学模型等三个部分，而结合信号处理方法与定标模型的化学计量学软件是近红外光谱分析检测仪的核心[4]。

　　本软件针对滤光片型的近红外茶叶成分检测仪的功能要求，集化学计量学算法、数字信号处理和控制等功能于一体。样机 NIRCY-1 经农业部茶叶质量监督检验测试中心试用，表明该软件操作简便、功能完善，可满足各类用户的使用要求。

　　2 检测原理及硬件系统

　　近红外光谱检测，是将近红外光谱所反映的样品基团、组成或物态信息与用标准或认可的参比方法测得的组成或性质数据，采用化学计量学技术建立校正模型，然后通过对未知样品光谱的测定和建立的校正模型来快速预测其组成或性质的一种分析方法。在各类近红外光谱仪器中，滤光片型光谱仪因其成本低，分光稳定，在专用仪器的设计上得到了广泛应用。本滤光片型近红外光谱茶叶检测仪为减少杂散光、电子器件直流漂移等因素的影响，先利用调制盘把光信号调制成一定频率的光强信号，经滤光片后得到单色光，再经样品吸收及光电转换后由嵌入式系统通过 USB 输入上位机。样机中滤光片的选择，首先通过收集大量茶叶样品的连续近红外光谱信息及主要成分含量的理化检测数据，然后利用本软件对连续光谱进行遗传算法[5]、变量标准化及去势处理[6]，提取各被测成分的特征波长，以此确定应选滤光片的中心波长。通过异常样品剔除，光谱预处理等步骤后，用多元线性回归方法建立基于特征分析波长的茶多酚、氨基酸、水分、咖啡碱四种成分的定量分析模型。图 1 是茶叶成分近红外检测仪 NIRCY-1 的系统结构，系统由光源、光路调制系统、滤光片轮、样品、探测器、样品池旋转机构和嵌入式控制系统等组成。旋转机构带动内嵌有占 1/4 底面积的 BaSO4白板的样品池旋转，被测表面样品与白板交替被扫描，通过对信号分段计算，分别计算白板与样品的漫反射强度，计算样品的相对漫反射率。

　　3 软件系统

　　NIRCY-1 茶叶成分检测仪的软件系统由以下几个模块组成：1)光谱数据采集;2)数据预处理;3)模型建立;4)数据管理;5)扩展功能。其程序设计结构如图2 所示。

　　3.1 信号去噪

　　由于电路中电磁干扰会引入随机噪声;调制盘的机械加工、安装、驱动电机精度均会对测试信号产生影响，造成信号波动　[7]。需要对信号进行预处理以抑制噪声。为了节约硬件成本，减少电子元器件的应用，以尽量避免电磁干扰的影响，采用数字滤波技术。