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探究材料熱成像技術(shù)在茶葉無(wú)損檢測方面的應用論文
茶葉中含有兒茶素、膽甾烯酮、咖啡堿、肌醇、葉酸、泛酸等多種對人體有益的成分，在綜合作用下，有預防疾病和抑制肥胖等功效.因此在古代，茶葉就作為我國的重要出口商品換取了大量外匯，不僅積累了豐富的物質(zhì)財富，并在此過(guò)程中繼承和發(fā)展了寶貴的茶文化.現如今，茶葉仍是我國重要的農產(chǎn)品之一，其經(jīng)濟及社會(huì )價(jià)值仍不可小視.隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，茶葉的品質(zhì)檢驗已不單單地停留在人為的對色、香、味、意、形的主觀(guān)感受，而是要求對茶葉品質(zhì)、營(yíng)養價(jià)值、加工方式等進(jìn)行科學(xué)客觀(guān)的技術(shù)表征.茶葉的熱成像無(wú)損檢測技術(shù)作為一項前沿實(shí)用技術(shù)，正逐步完善并進(jìn)入產(chǎn)品中試階段.該技術(shù)可對茶葉的某些細部特征進(jìn)行綜合在線(xiàn)無(wú)損測試，為茶葉質(zhì)量的科學(xué)評價(jià)給出一定依據，以期輔助提升茶葉的品質(zhì).
1 茶葉熱成像無(wú)損檢測原理
1.1 茶葉的紅外成像原理
任何材料，包括茶葉，在常態(tài)( 非理想狀態(tài))下，其溫度均高于絕對零度，物體表面都會(huì )向外界發(fā)出熱輻射.該熱輻射通常以紅外射線(xiàn)形式存在，且紅外波長(cháng)的大小與物質(zhì)的溫度密切相關(guān). 由于受材料的自有理化性能、原子及分子間排列組合及加工方式等因素影響，其內部溫度場(chǎng)會(huì )產(chǎn)生一定擾動(dòng)，形成熱波.而熱波在物體內部傳播及表面輻射過(guò)程中產(chǎn)生的差異會(huì )被紅外檢測設備一一捕獲，通過(guò)進(jìn)一步分析處理即可形成待撿物質(zhì)的紅外熱像.紅外熱像不僅可以在常溫/變溫狀態(tài)下對茶葉表面的溫度分布進(jìn)行直接觀(guān)察，而且還可對茶葉葉片厚度分布、脈絡(luò )走向、微孔均一性等細節信息做出更為準確的判斷.
1.2 茶葉熱成像無(wú)損檢測技術(shù)應用優(yōu)勢
在茶葉的無(wú)損檢測方面，熱成像技術(shù)憑借其自身諸多的特點(diǎn)，在某些特定領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢.首先，熱成像技術(shù)具有非接觸性、使用范圍廣的特點(diǎn).由于檢測過(guò)程中僅對物質(zhì)產(chǎn)生的紅外熱波進(jìn)行測量，不需要對物質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步加工破壞，所以熱成像技術(shù)適用范圍更廣，對操作者技術(shù)要求更低，工序更為簡(jiǎn)單化.其次，熱成像技術(shù)具有客觀(guān)精準的可視化特征.由于熱成像的本質(zhì)是在檢驗物質(zhì)的熱輻射差，因此熱成像檢測系統是完全被動(dòng)的.相比于其他非接觸檢測手段如X 射線(xiàn)、超聲C、核磁共振及光學(xué)輔助軟件模擬等，熱成像技術(shù)的數據直接源于茶葉本身，不需要進(jìn)行模擬計算及軟件處理，其準確性很高.不僅如此，在保證準確性的同時(shí)，熱成像技術(shù)還可提供茶葉的可視化紅外圖像，為直觀(guān)判斷茶葉的某些細部特征提供了方便.最后，熱成像技術(shù)具有制樣容易，方便快捷的特點(diǎn).熱成像技術(shù)依靠物質(zhì)本體熱輻射的進(jìn)行測試，故不需要對茶葉進(jìn)行進(jìn)一步加工，這既保證了茶葉在檢測過(guò)程中保持原有形態(tài)，同時(shí)簡(jiǎn)化了操作步驟，在樣品制備方面相對其它檢測手段大為簡(jiǎn)化，降低了操作者的工作強度，提高檢測效率，降低差錯率.
2 茶葉熱成像無(wú)損檢測技術(shù)的幾個(gè)重要性能參數
2.1 熱靈敏度
熱靈敏度( NEDT，噪聲等效溫差) 考量中波( NWIR) 和長(cháng)波( LWIR) 紅外熱像儀性能的關(guān)鍵參數.熱靈敏度反應了溫差的信噪比，該溫差信號等同于熱像儀瞬時(shí)噪聲.故熱靈敏度數值近似代表著(zhù)熱像儀可分辨溫差的最小值. 熱靈敏度數值由瞬時(shí)噪聲除以響應度計算得來(lái)，單位通常用mK 表示.所以靈敏度數值越小，代表著(zhù)熱像儀靈敏度越高，成像越清晰.一般來(lái)說(shuō)，熱像儀的光圈數、積分時(shí)間和測量時(shí)的具體溫度決定了每次熱成像過(guò)程的熱靈敏度，因此根據測量需要選用合適的熱成像設備至關(guān)重要.
2.2 分辨率
分辨率( Resolution) 是衡量影像清晰度或濃度的標準，它代表垂直和水平方向顯示的每英寸( inch) 點(diǎn)( dpi) 的數量.茶葉熱成像過(guò)程的分辨率大致分為圖像分辨率和顯示分辨率兩個(gè)方面. 圖像分辨率與熱靈敏度等測試參數密切相關(guān)，而顯示分辨率則與顯示器的性能有關(guān). 熱成像儀自帶顯示器往往尺寸較小，這主要是由于顯示分辨率固定的情況下，屏幕越小圖像越清晰，所以在大多數檢測過(guò)程中，熱像儀需經(jīng)數據線(xiàn)連接直接在計算機顯示器上進(jìn)行操作，或者保持保存熱像影像資料至儀器自帶SD 卡中，再將卡內數據轉移至電腦另行處理.
2.3 間隔與光斑比
間隔與光斑( D S) 比即紅外成像儀到待測物體的間隔與被測光斑尺度之比，對儀器的成像及分辨率有重要影響.熱像儀D S 比越大，其圖像分辨率越好.目前在茶葉紅外成像領(lǐng)域技術(shù)不斷成熟，逐步增加了近焦距功能，可以根據茶葉尺寸針對小區域范圍內進(jìn)行精確測量，同時(shí)還能夠降低布景溫度的影響.但是在對茶葉實(shí)際進(jìn)行熱成像操作過(guò)程中，布景溫度的影響仍不可忽略，一般采用陶瓷、工程塑料、復合材料、分子篩薄膜等保溫材料作為底板布景，以此降低、規避布景溫度對熱成像過(guò)程的影響.目前，新型底板材料的研發(fā)仍處在開(kāi)始階段.本課題組根據實(shí)際檢測中反映出的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了新型鋁基合金金表面防腐、親水、抗菌復合分子篩薄膜，并對其制備工藝和性能做了系統表征，使其更加符合茶葉檢測過(guò)程中的各項技術(shù)指標.
此外，溫度量程、掃描制式、最大工作時(shí)間、工作環(huán)境等也是檢測過(guò)程中需要考慮的主要參數.但由于茶葉熱成像檢測過(guò)程中受溫度變化范圍不大、環(huán)境要求不高等實(shí)際情況約束，以上參數相對固定且容易符合測試條件基本要求，故在此對這些測試參數不予重點(diǎn)討論.
3 茶葉熱成像無(wú)損檢測技術(shù)應用
熱成像技術(shù)在茶葉的無(wú)損檢測方面具有很多方面的應用，這里僅選取幾類(lèi)具有代表性的應用實(shí)例進(jìn)行工程實(shí)踐過(guò)程分析.
3.1 茶葉厚度及分布
由于計算機普通光學(xué)掃描檢測技術(shù)主要是針對茶葉葉片表面進(jìn)行觀(guān)測，不能或不便在三維角度對其進(jìn)行評估，故傳統的茶葉葉片厚度觀(guān)測主要依靠茶葉的切片解剖實(shí)驗進(jìn)行. 該方法得到的觀(guān)測結果比較準確，但其效率低下，對操作者有一定專(zhuān)業(yè)技藝要求，且測試過(guò)程中葉片的部分理化性能已經(jīng)發(fā)生變化，不利于對其進(jìn)一步的檢測.而材料熱成像技術(shù)則不同，它采用非接觸式測量模式，不改變葉片的形狀，直接得到檢測結果，簡(jiǎn)單方便易于操作.其基本原理是利用茶葉葉片在不同厚度區域的熱導率不同，在相對穩定的控溫環(huán)境下，葉片的厚度分布決定了葉片的熱像分布.通過(guò)觀(guān)察熱成像圖像，不僅可以直接得到茶葉的厚度值，還可以同時(shí)比較茶葉葉片各區域厚度分布，這是切片技術(shù)很難完成的.另外，熱成像的巨大優(yōu)勢還體現在可實(shí)時(shí)觀(guān)測多類(lèi)型、多數目葉片厚度值，并對其進(jìn)行比較，不僅速度快，而且具有不同條件下的類(lèi)比性.所以材料熱成像檢測技術(shù)是目前茶葉厚度分布的最理想檢測手段之一.
3.2 茶葉葉脈及脈絡(luò )走向
由于茶葉葉脈與葉肉部分的理化組成存在差異，故二者間的熱導率也不同.利用此差異，可以對茶葉葉片進(jìn)行熱成像分析.采用近焦鏡頭對葉片進(jìn)行觀(guān)察可以很明顯發(fā)現葉脈的走向，這可以作為茶葉的“指紋識別”方式，對茶葉種類(lèi)進(jìn)行真偽辨別.其次，葉脈形貌可以客觀(guān)反映出茶葉的很多加工屬性.比如，葉脈熱成像較寬的茶葉往往對應含水量要高，存放時(shí)間短，烘干時(shí)間短等要素.這些熱成像圖可以幫助我們了解不同質(zhì)量、不同工藝之間茶葉的具體差別，以科學(xué)客觀(guān)的角度分析并解決制茶工藝中出現的問(wèn)題.此外，通過(guò)熱成像的明暗程度可以區分不同茶葉間的熱導率差異，進(jìn)而判斷茶葉的化學(xué)組成、存放時(shí)間，烘干程度及工藝方法等信息.相對普通的光學(xué)成像系統，熱成像技術(shù)更加關(guān)注茶葉內部而非表面的理化結構信息，能夠較深入對其進(jìn)行系統研究.
3.3 茶葉葉片微孔均一性
葉片在生長(cháng)、加工過(guò)程中不可避免會(huì )形成微小孔洞，由于微孔中心的熱導率為零，其邊緣逐漸漸變至葉片內部中心的熱導率值，故在熱成像過(guò)程中，孔洞處的圖像將呈現漸變光譜區，這十分有利于觀(guān)測和表征這些微孔.所以在微孔觀(guān)測方面，熱成像技術(shù)相對于普通光學(xué)掃描技術(shù)更加方便.另外，光學(xué)掃描僅對孔洞形貌做出了基本判斷，一般只能得到大小、形狀、面積及分布等基本信息.而熱成像表征孔洞時(shí)是以紅外熱輻射信號為依據，這在某些情況下可以反映出孔洞的形成過(guò)程，進(jìn)而推斷出孔洞形成原因.這為茶葉品質(zhì)的進(jìn)一步提高給出了明確方向，使人們在種植、采摘、制茶過(guò)程中克服環(huán)境、手法、生產(chǎn)條件等不利因素，使改進(jìn)措施更具指導性，而非多次重復試驗和經(jīng)驗摸索，節省了大量人力、物力及時(shí)間.
4 結論
綜上所述，本文提出了一種依靠材料熱成像技術(shù)對茶葉進(jìn)行無(wú)損檢測的新方法. 通過(guò)合理選擇及調整熱成像過(guò)程中相關(guān)檢測參數，并對茶葉本身紅外熱輻射信號進(jìn)行捕捉處理后得到其熱成像圖像.利用此圖像可對茶葉厚度及分布、葉片脈絡(luò )走向、微孔均一性進(jìn)行系統分析.該檢測手段相比其它方法具有非接觸、使用范圍廣、精確客觀(guān)的可視化、制樣簡(jiǎn)單及方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，為茶葉品質(zhì)檢測提供客觀(guān)依據的同時(shí)，指明了茶葉生產(chǎn)加工過(guò)程中需要努力提升和改進(jìn)的方向.
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