探究材料熱成像技術在茶葉無損檢測方面的應用論文

探究材料熱成像技術在茶葉無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財富，并在此過程中繼承和發展了寶貴的茶文化.現如今，茶葉仍是我國重要的農產品之一，其經濟及社會價值仍不可小視.隨著現代科學技術的進步，茶葉的品質檢驗已不單單地停留在人為的對色、香、味、意、形的主觀感受，而是要求對茶葉品質、營養價值、加工方式等進行科學客觀的技術表征.茶葉的熱成像無損檢測技術作為一項前沿實用技術，正逐步完善并進入產品中試階段.該技術可對茶葉的某些細部特征進行綜合在線無損測試，為茶葉質量的科學評價給出一定依據，以期輔助提升茶葉的品質.

　　1 茶葉熱成像無損檢測原理

　　1.1 茶葉的紅外成像原理

　　任何材料，包括茶葉，在常態( 非理想狀態)下，其溫度均高于絕對零度，物體表面都會向外界發出熱輻射.該熱輻射通常以紅外射線形式存在，且紅外波長的大小與物質的溫度密切相關. 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，其內部溫度場會產生一定擾動，形成熱波.而熱波在物體內部傳播及表面輻射過程中產生的差異會被紅外檢測設備一一捕獲，通過進一步分析處理即可形成待撿物質的紅外熱像.紅外熱像不僅可以在常溫/變溫狀態下對茶葉表面的溫度分布進行直接觀察，而且還可對茶葉葉片厚度分布、脈絡走向、微孔均一性等細節信息做出更為準確的判斷.

　　1.2 茶葉熱成像無損檢測技術應用優勢

　　在茶葉的無損檢測方面，熱成像技術憑借其自身諸多的特點，在某些特定領域具有明顯優勢.首先，熱成像技術具有非接觸性、使用范圍廣的特點.由于檢測過程中僅對物質產生的紅外熱波進行測量，不需要對物質進行進一步加工破壞，所以熱成像技術適用范圍更廣，對操作者技術要求更低，工序更為簡單化.其次，熱成像技術具有客觀精準的可視化特征.由于熱成像的本質是在檢驗物質的熱輻射差，因此熱成像檢測系統是完全被動的.相比于其他非接觸檢測手段如X 射線、超聲C、核磁共振及光學輔助軟件模擬等，熱成像技術的數據直接源于茶葉本身，不需要進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，熱成像技術還可提供茶葉的可視化紅外圖像，為直觀判斷茶葉的某些細部特征提供了方便.最后，熱成像技術具有制樣容易，方便快捷的特點.熱成像技術依靠物質本體熱輻射的進行測試，故不需要對茶葉進行進一步加工，這既保證了茶葉在檢測過程中保持原有形態，同時簡化了操作步驟，在樣品制備方面相對其它檢測手段大為簡化，降低了操作者的工作強度，提高檢測效率，降低差錯率.

　　2 茶葉熱成像無損檢測技術的幾個重要性能參數

　　2.1 熱靈敏度

　　熱靈敏度( NEDT，噪聲等效溫差) 考量中波( NWIR) 和長波( LWIR) 紅外熱像儀性能的關鍵參數.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噪聲.故熱靈敏度數值近似代表著熱像儀可分辨溫差的最小值. 熱靈敏度數值由瞬時噪聲除以響應度計算得來，單位通常用mK 表示.所以靈敏度數值越小，代表著熱像儀靈敏度越高，成像越清晰.一般來說，熱像儀的光圈數、積分時間和測量時的具體溫度決定了每次熱成像過程的熱靈敏度，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( dpi) 的數量.茶葉熱成像過程的分辨率大致分為圖像分辨率和顯示分辨率兩個方面. 圖像分辨率與熱靈敏度等測試參數密切相關，而顯示分辨率則與顯示器的性能有關. 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程中，熱像儀需經數據線連接直接在計算機顯示器上進行操作，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域技術不斷成熟，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行精確測量，同時還能夠降低布景溫度的影響.但是在對茶葉實際進行熱成像操作過程中，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程的影響.目前，新型底板材料的研發仍處在開始階段.本課題組根據實際檢測中反映出的問題，開發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程中的各項技術指標.

　　此外，溫度量程、掃描制式、最大工作時間、工作環境等也是檢測過程中需要考慮的主要參數.但由于茶葉熱成像檢測過程中受溫度變化范圍不大、環境要求不高等實際情況約束，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討論.

　　3 茶葉熱成像無損檢測技術應用

　　熱成像技術在茶葉的無損檢測方面具有很多方面的應用，這里僅選取幾類具有代表性的應用實例進行工程實踐過程分析.

　　3.1 茶葉厚度及分布

　　由于計算機普通光學掃描檢測技術主要是針對茶葉葉片表面進行觀測，不能或不便在三維角度對其進行評估，故傳統的茶葉葉片厚度觀測主要依靠茶葉的切片解剖實驗進行. 該方法得到的觀測結果比較準確，但其效率低下，對操作者有一定專業技藝要求，且測試過程中葉片的部分理化性能已經發生變化，不利于對其進一步的檢測.而材料熱成像技術則不同，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境下，葉片的厚度分布決定了葉片的熱像分布.通過觀察熱成像圖像，不僅可以直接得到茶葉的厚度值，還可以同時比較茶葉葉片各區域厚度分布，這是切片技術很難完成的.另外，熱成像的巨大優勢還體現在可實時觀測多類型、多數目葉片厚度值，并對其進行比較，不僅速度快，而且具有不同條件下的類比性.所以材料熱成像檢測技術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，可以對茶葉葉片進行熱成像分析.采用近焦鏡頭對葉片進行觀察可以很明顯發現葉脈的走向，這可以作為茶葉的“指紋識別”方式，對茶葉種類進行真偽辨別.其次，葉脈形貌可以客觀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，存放時間短，烘干時間短等要素.這些熱成像圖可以幫助我們了解不同質量、不同工藝之間茶葉的具體差別，以科學客觀的角度分析并解決制茶工藝中出現的問題.此外，通過熱成像的明暗程度可以區分不同茶葉間的熱導率差異，進而判斷茶葉的化學組成、存放時間，烘干程度及工藝方法等信息.相對普通的光學成像系統，熱成像技術更加關注茶葉內部而非表面的理化結構信息，能夠較深入對其進行系統研究.

　　3.3 茶葉葉片微孔均一性

　　葉片在生長、加工過程中不可避免會形成微小孔洞，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，故在熱成像過程中，孔洞處的圖像將呈現漸變光譜區，這十分有利于觀測和表征這些微孔.所以在微孔觀測方面，熱成像技術相對于普通光學掃描技術更加方便.另外，光學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程，進而推斷出孔洞形成原因.這為茶葉品質的進一步提高給出了明確方向，使人們在種植、采摘、制茶過程中克服環境、手法、生產條件等不利因素，使改進措施更具指導性，而非多次重復試驗和經驗摸索，節省了大量人力、物力及時間.

　　4 結論

　　綜上所述，本文提出了一種依靠材料熱成像技術對茶葉進行無損檢測的新方法. 通過合理選擇及調整熱成像過程中相關檢測參數，并對茶葉本身紅外熱輻射信號進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、葉片脈絡走向、微孔均一性進行系統分析.該檢測手段相比其它方法具有非接觸、使用范圍廣、精確客觀的可視化、制樣簡單及方便快捷等優點，為茶葉品質檢測提供客觀依據的同時，指明了茶葉生產加工過程中需要努力提升和改進的方向.

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