（机械电子工程专业论文）基于介电特性的苹果无损检测系统研究.pdf

塑兰三些查兰堡主兰垡堡三一 摘要 y 壬圣s 3 s 8 介绍了苹果介电特性的无损检测系统的原理、方法和测量过程。 通过智能垦g 曼型量邀和平板电极系统测试同类苹果不同新鲜度和 腐烂程度、不同外形参数、摔伤及填入烂果肉等情况下的低频段介电 特性，在对数据结果加以分析后得出了一系列结论。 在定义并检测了有关苹果外形的尺寸参数后，通过对介电特性图 表的分析，发现苹果的内部品质和外形尺寸与其介电特性之间均存在 联系。从苹果的采后生理变化入手分别采用定性和定量的分析方法， 发现苹果的衰老、腐烂对介电特性参数都有明显的影响。从介电特性 无损检测角度将腐烂的情况作了分类，两种类型的腐烂对介电特性的 影响有所区别。在对利用介电特性分选不同品质的苹果的可行性做了 探讨后指出：基于介电特性参数可以实现水果在线无损自动化品质评 价和自动分级，进一步提高测量精度可考虑与机器视觉技术结合。 随后介绍了一种基于介电特性的苹果内部品质自动化分选系统。 最后，讨论了基于介电特性的无损检测系统的应用前景，对未来 研究作了展望，并提出了进一步以无损检测得到的介电特性为指标， 建立苹果采后生理非线性系统模型的设想。 关键词 无损鑫瓤介音蒋：电容，分选，非线硅磊 塑垩三些查兰堕主兰堡垒奎一 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e da l l e x p e r i m e n t a la p p l e n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n s y s t e mb a s e do nf r u i t s d i e l e c t r i cp r o p e r t i e s ，t h em e t h o da n d t h ep r o c e s so fi t t h e d i e l e c t r i cp a r a m e t e r so fi n s p e c t e da p p l ea r es a m p l e db ym e a no fac a p a c i t i v es e n s o r a n da n i n d u c t a n c e c a p a c i t a n c e r e s i s t a n c e f l c r li n s t r u m e n tc o n n e c t e dw i 廿1t h e c o m p u t e ri n t h es y s t e mw et e s t e dt h ed i e l e c t r i c p a r a m e t e r s o ft h ea p p l e s 谢t h d i f f e r e md e g r e eo f d e c a ya n d 舶s h ，d i f f e r e n tf i g u r e ，d i f f e r e n ts t a t u so fb e i n gp l u n g e d a n dd i f f e r e n tt i m eo fb e i n gl e a v e di nl a b o r a t o r y w ea l s oi nf i l l e dd e c a yp u l pi n t o s o m eh i g hq u a l i t ya p p l e st os i m u l a t ei n t e r n a ld e c a ya p p l ea n dt e s t e dt h e i rd i e l e c t r i c p a r a m e t e r st h e n w e a n a l y z e dt h e d a t u mo fr e s u l ta n dm a k es o m ec o n c l u d e s a f t e rd e f i n e da n dt e s t e dat e a mo f p a r a m e t e r so fa p p l e 。sf i g u r e ，w ef o u n d t h e r ea r er e l a t i o n sb e t w e e nt h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e sa n dt h eq u a l i wo rt h ef i g u r eo f t h e a p p l e s f r o mt h ei n v e s t i g a t i o no fa p p l e sp o s t h a r v e s tp h y s i o l 0 9 3 w eu s e dq u a l i t a t i v e a n d q u a n t i t a t i v ea n a l y s i st op r o b ei n t ot h ei n f l u e n c eo fs e n e s c e n c ea n dd e c a yo fa p p l e o nt h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e s b e c a u s et h e r ea r et w oe f f e c t so fd e c a x o nd i e l e c t r i c ，t h e c a s e so f t h ed e c a yw e r ec l a s s i f i e dt h e nt h ef e a s i b i l i t 3 o f u s i n g d i e l e c t r i cp r o p e r t i e st o e v a l u a t ea p p l e s q u a l i t 3a n ds e l e c ta p p l e sw a sd i s c u s s e dw ec o n c l u d et h a td i e l e c t r i c p r o p e r t yp a r a m e t e r sc a nb eu s e df o re v a l u a t i n gf r u i t ：s q u a l i t ya n da u t o m a t i c a l l y s e l e c t i n gf r u i to nl i n en o n d e s t r u c t i v e l 3 b u tw en e e dt o 曲i n ka b o u tt oc o m b i n e m a c h i n e - v i s i o n t e c h n i q u e t oi m p r o v et h ed e g r e eo f a c c u r a c y n l e p a p e r t h e ni n t r o d u c e da t 2 a u t o m a t i c a l l y n o n d e s t r u c t i v e i n s p e c t i o n s y s t e mf o ra p p l ei n t e r n a lq u a l i t ys e l e c t i o nb a s e do nd i e l e c t r i cp r o p e r t y a tl a s t ，t h ep a p e rf o r e c a s t e dt h ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do fn o n d e s t r u c t i v e i n s p e c t i o ns y s t e mb a s e do nd i e l e c t r i cp r o p e r t yw i t he v a l u a t i o no nr e s e a r c hf u t u r e a t e n t a t i v ep l a nw a sp u tf o r w a r dt oe s t a b l i s han o n 1 i n e a r i t ym a t r i xo nt h ei n d e xo f d i e l e c t r i cp r o p e r t i e so b t a i n e db yn o n d e s t r u c t i v e i n s p e c t i o n k e y w o r d ：n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ，d i e l e c t r i c p r o p e r t y , c a p a c i t a n c e ，s e l e c t i o n ， n o n l i n e a r i t ym a t r i x 一 塑兰三些查兰亟主兰壁堡塞 一 1 1 引言 第一章绪论 【提要】提出本论文的立题依据，介绍国内外对农产品无 损检测和基于介电特性的农产品无损检测研究现状。简 要介绍本论文的主要内容。 无损检测是农业生产自动化的重要一环。 在我国，农产品资源十分丰富，水果种类繁多，作为四大水果之首的苹果， 产量占水果总产量的2 5 左右。但是目前农产品加工技术比较落后。由于绝大 部分苹果来源于农村集体和个体种植户，不同来源的苹果其品质差别很大，采 摘及运输过程中存在不同程度的损伤以及病虫害等的影响，给苹果的储存保鲜 和分选加工带来一系列的问题。 由于检测及处理手段的落后而引起的腐烂变质和品质下降，每年造成的直 接经济损失高达3000 万元。随着国民经济的发展，人民生活水平的提高， 消费者的消费观念也曰益提高，他们重视农产品的品质，关心它们的营养价值 和是否有利于健康等，与此同时，生产与流通中的质量竞争也日益激烈。尤其 是加入世贸组织后，我国农业面临更加险恶的竞争环境，因此，农业现代化的 进程急需加快，实现农业生产加工的自动化更为紧迫，品质检测及其分级技术 也显得更加重要。现在不仅外观品质与大小的分级有越来越细的趋势，而且许 多产品需要对内部品质进行判断，以此来保证产品的质量并提高档次。如能在 储藏或加工前，通过无损检测发现并剔除内部有缺陷的苹果，就可以减少损失， 提高储藏质量；在流通和销售领域如能现实严格的质量和大小分级，既能维护 消费者利益，又可提高苹果的加工质量和出口等级。无损检钡4 农产品的内部品 质因此得到了发展。 农产品的无损检测方法有很多。各有不同的优点和缺陷。有关介电特性检 测的研究虽然从2 0 世纪4 0 年代就已展开【1 二】，但直到2 0 世纪7 0 年代，水果等 农业物料的介电特性才日益引起人们的关注t ”l 。其主要原因有： ( 1 ) 农业物料的介电特性在很大程度上决定了其在高频加热处理时的特性： ( 2 ) 农业物料的介电特性与它的其他特性( 如含水量、密度等) 之间存在着 相关性，能利用电测方法来测定这些特性： ( 3 ) 对农业物料介电特性的了解可以为基于介电特性的农产品检测装置的 设计提供理论依据。 由此，利用介电特性对农产品进行无损检测被研究和应用。较成功的例子有： 堂鋈三些奎兰雯主兰壁堡苎一 利用谷物的介电特性进行含水量检测f 6 】：控制谷物贮藏中的病虫害1 ；利用种子、 茶时的介电特性进行清选分级等1 8 州】。同时利用水果的介电特性评价其内部品质 如新鲜度、成熟度也开始被提出2 ”i 。 水果作为生物体由生物组织构成，从微观结构角度观察，其内部存在大量带 电粒子形成生物电场，水果在生长、成熟、受损及腐败变质过程中的生物化学反 应将伴随物质和能量的转换，导致生物组织内各类化学物质所带电荷量及电荷的 空间分布的变化，生物电场的分布和强度，从宏观上影响水果的介电特性。因此， 从理论上来说，水果的内部品质可以通过对水果宏观介电特性韵无损检测加以判 别。 基于上述的原因，对以苹果为代表的水果介电特性研究有一定的必要性和 可行性。这正是本论文的立题依据。 本论文的目的就是尝试用无损测试的方法来研究苹果的介电特性及其与苹 果品质的相关性，为最终实现利用介电特性进行苹果等农产品自动化分选打下 基础。 1 2 农产品无损检测现状 1 2 1 农产品无损检测概述 目前，农产品无损检测的方法主要有“i ： i 光学检验：包括紫外线检验、可见光检验、近红外线检验、红外线检验； i i 力学检验：包括声波和超声波检验、核磁谐振检测等： i v 射线检验：x 光检验和c t 捡验等： 美国科学家和技术人员发明了无损振动传感器1 1 7 】、评价水果和蔬菜内部质 量的核磁谐振技术f i “，用超声波激振确定水果和蔬菜特性的技术坤j ，用于水果 质地测量的碰撞传感器( 1 9 8 9 ) ，用机器视觉对谷物颗粒进行检测的系统【h i 。 其它发达国家也对农产品的无损检测及分选作了深入的研究。如德国研究了农 产品的光电分选( t 9 9 2 ) ，法国研制了水果成熟度的无损电子探测计( t 9 9 2 ) ， 前苏联也研制了采用光电方法的马铃薯和蔬菜分选机( 1 9 8 7 ) 。我国在这方面的 研究工作相对滞后。进入九十年代后，技术上开始向发达国家靠拢。研制出了 葡萄干颜色分选机f 2 】j ，介电式蔬菜种子分选机组，研究了光电色选机对 苹果分选图像信息并行处理算法也有研究【：3 l 。 以下是农业物料无损检测装置的大致发展过程i 2 4 - 2 6 ) ： 较早的果树分级装置是机械称式重量分级机和缝隙式或筛孔式大小分级机 等a 这种分级机多用于番茄、苹果、梨、桃等球状产品。大小分级机是以缝隙 浙江工业大学硕士掌位论文 或筛孔的大小将产晶分级的，这种分级机广泛用于洋葱、马铃薯、胡萝 、慈 姑、柑橘、李子、梅、樱桃等。这些机械式分级装置的缺点是作业过程中的振 动和摩擦等常造成产品的损伤。 上世纪7 0 年代，以各种电、光技术为分级手获得装置大力开发研制。光电 式大小分级机在柑橘、苹果和梨j _ 普遍应用克服了机械装置易损伤产品的缺 点。 进入8 0 年代，电子称式重量分级机被实际应用。克服了机械称式分级机每 一重量等级都要分别设称、噪声很大的缺点，且装置大大简化，分级精度提高。 这种分级机已开始用于番茄、甜瓜、西瓜、马铃薯、苹果、梨和桃等。 在这同一时期，摄像机和电子计算机图像处理技术也开始用于果蔬的分选。 这种装置多用于洋葱、马铃薯、猕猴桃、柑橘和柿子等果实的大小分级。 8 0 年代中期在黄瓜和茄子等果实的形状分选上开始运用了黑白色c c d 型 摄像机，实现了外观品质( 形状、弯曲程度等) 和大小分级同时进行。 此后不久，彩色c c d 型摄像机机器图像处理( r g 二色型) 装置开始用于番 茄、柑橘和柿子的分选。r g b ( 红、绿、蓝) 三色型机则用于色彩更为复杂的苹 果分选。从此，一直难以实现的外观品质分级的自动化进入了使用阶段。 在现阶段，多种新开发的外观品质( 形状和颜色) 分级和内部晶质非破 坏性检测装置多数价格昂贵；而且某些环节需要人工辅助，整体上作业人员不 一定能减少；适用的果蔬类别还很有限：内部品质综合指标的检测还未能达到。 因此，这些技术的实际应用只能说尚处于初级阶段。当然，本课题所用到的装 ，置也是属于上述的情况。 1 2 2 基于介电特性的水果无损检测现状 如引言所述，利用介电特性对农产品进行无损检验在无论在理论上还是在实 践上都有一定的可行性。但目前，其应用范围并不广。对谷物、种子之类的颗粒 细小、检测要求不高的农产品分选，应用比较成功，而对果蔬之类的尺寸较大、 形状不一、要求较高的农产品实现介电特性的无损检测还有相当大的难度。 在此之前，有日本的加藤宏郎研制的果实内部品质鉴别装置是基于介电特 性的。但该装置只是很粗略的分级精度有限。果蔬类的介电特性检测是否真 的能够在实践中运用并且推广，仍有待于进一步的研究。 t h o m p s o n 和z c h a r i a 曾在3 0 0 m i - i z 9 0 0 m h z 的频率范围对苹果的介电特 性进行研究p j ，发现苹果的介电特性随成熟度的变化而变化，m c l e n d o n 和b r o w n 的研究结果表明”，在0 5 k h z 5 k h z 频率范围内梨的介电常数和损耗角正切 随频率增长而呈减少趋势，但随着梨的逐渐成熟，两者均逐渐增大。 美国的s o 。n d s o n 最早用自己研制的系统在微波频率段( o 2 g h z 2 0 g h z ) 塑望三些查兰堡主兰皇堡苎一 检测了几种果蔬切片的介电特性1 4 ，2 7 ，2 ”，发现水果的相对介电常数与含水量密 切相关，随水果种类的不同而不同，且所测试水果的介电常数随频率增加均稳 定减少。其数值则介于水和空气之间( 水的相对介电常数约为8 0 ) a 但他当时 的检测系统仅限于破坏性检测。后来在他在此基础上发展出了对谷物等农产品 的介电特性检测系统剐，但没有应用于水果。 最早的介电特性果蔬无损检测系统是1 9 8 8 年加藤宏郎研制的果实内部品 质鉴别装置【2 9 1 ，采用一台基于电桥原理的阻抗分析仪( y h p ，4 1 9 2 a ) 。首先测 定水果的阻抗矢量z ，由此求得阻抗绝对值z 、相位角口、串联等效电阻r ，和 串联等效电容c ，并联等效电阻只。和并联等效电容c 。等参数。在频率为1 0 h z 到1 3 m h z 的范围内进行3 2 点扫描测定，并由微机控制和处理。可以说在当时 是个相当先进的检测系统。缺点是，采样频翠点过于稀疏，无法更精确的反映 各参数的频率特性，达不到更高的实验要求。 加藤宏朗在1 0 h z 1 3 m h z 的频率范围上，对损坏的和正常的水果的介电 特性进行的对比测试 2 9 - 3 1 ，结果显示损坏水果的串、并联等效电阻及阻抗，在 该频率范围内低于正常水果，而串联等效电电容及损耗因数值则比正常的水果 大，串联等效电阻与水果的新鲜度或成熟度呈现相关性。 国内的研究起步很晚。在上世纪8 0 年代末到9 0 年代才有报道。 浙江大学尤田束等在微波频率做了一些工作，各自研制了不同的农产品介 电特性测试系统。对国外的研究做了跟踪。但也仅适用于小颗粒和粉状材料， 难以用在苹果等体积较大的果品”2 圳。 水果介电特性的研究及其在水果无损检测方面的应用国内尚处于起步阶 段，张立彬、胥芳等首次对苹果、梨和桃子等水果在低频范围的介电特性进行 了系统的研究【” 3 5 , 3 6 , 揭示了低频范围内水果介电特性与新鲜度的关系，初步 建立r 水果介电特性理论的基本框架。 在本课题部分成果的基础上，2 0 0 0 年，作者所在课题组共同研制了苹果内 部品质自动化无损检测试验系统l - ”。采用了由一个步进电机驱动，有五个支架 的托盘和六个气缸组成的机械系统，使检测实现了真正意义上的自动化。这是 目前为止最新的基于介电特性的水果无损检测系统。 到目前为止，所有的基于介电特性的水果无损检测系统都还没有达到实用 阶段，其分级精度仍然受到很大的限制。但由于介电特性和水果的新鲜度及腐 烂程度存在密切的联系，已经得到进一步的证明，仍然具有广阔的应用前景。 从应用角度来讲t 农产品的介电特性无损检测技术与机器视觉技术存在很 强的互补性a 机器视觉技术在反映果品表面特征上有优势0 3 8 i ，介电特性无损检 测则可以在反映果品内部品质上弥补前者的缺憾，对两种技术有机结合的研究 塑垩三些奎兰堕主兰垡堡苎一 将是未来有重要价值的研究方向。 从理论角度来说，对生命体生理变化的数学建模正成为生物和医学领域的 难点和热点。在证实水果采后生理变化与介电特性的相关性后，对苹果介电特 性无损检测系统的研究有可能为这类研究提供一个极为难得的检测指标，从而 对相关领域的研究产生深远影响。 1 3 论文主要内容 由于国内外对基于苹果的介电特性的无损检测系统的研究仍然处于起步阶 段，与之相应的，对介电特性和苹果采后的生理变化之间的关系也远远没有深 入。这两个方面密切相关，具有很高的研究价值。本论文的选题和研究工作的 展开，都是围绕这两个方面开展的。 本文的目的，是在建立起一整套苹果介电特性无损检测原理和系统框架的 基础上，通过大量实验探究苹果的外形尺寸、采后生理等内外部品质和介电特 性相关性的机理，为未来的应用奠定坚实的基础。 本文所作的主要研究工作如下： 第二章，介绍基于介电特性的苹果无损检测原理、实验装置和对检测系统 的完善，给出了与苹果外形尺寸相关的一些参数的定义。 第三章，主要是对实验数据的分析。利用第二章介绍的实验系统，按_ i 同 目的做了大量的实验。确定了与实验有关的影响因素如频率、极板间距、直径、 苹果放置位置、角度等，选择了一项主要介电参数作为检测指标。之后，探讨 了介电特性与苹果的内外部品质之间的柜关性，证实应用介电特性无损检测对 苹果进行分选的可行性。 第四章，介绍了在本课题部分研究成果的基础上研制的基于介电特性的苹 果自动化分选系统。对未来的进一步应用和改进提出了设想和建议。 第五章，对基于介电特性的苹果无损检测系统的研究做了总结。并对未来 水果的介电特性研究和基于介电特性的无损检测系统的应用做了展望。提出在 应用上与机器视觉技术结合，理论上探讨以介电特性有指标建立苹果采后生理 非线性模型的设想。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章基于介电特眭的苹果无损检测原理及装置 【提要】本章介绍了农业物料介电特性的理论框架，介电 特性无损检测的原理和所使用的检测系统。还介绍了苹果 样本的外形参数定义以及在实验过程中的处理。 2 1 农业物料的介电特性 22 1 基本概念及主要参数 从广义上说，农业物料的电学特性可分为二类。一类是在物料内部存在 某种能量而产生电位差，例如生物物体甲的生物电位差；另一类是指影响物料 所在空间的电磁场及电流分布的些特性，例如电阻、电导、介电特性等。在 实际应用中，农业物料的电阻、电导和一些表征介电特性的参数相对比较容易 测量。 通常所指的介电特性主要有相对介电常数占，相对介质损耗因数f r 介质损 耗角正切，加之介质等效阻抗z ，就组成描述电介质电学特性的主要参数。 介电常数占( 或5 ，) 是电介质固有的一种物理属性。它可表示电介质存贮电场能 量的能力，反映该电介质提高电容器电容量的能力 ”i 。损耗因数s ，反映电介质 在交流电场中损耗的能量，介质损耗角的正切唯矽也是反映能量的损耗。 各种电介质在外电场的作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在 其内部都有能量损耗，因此在交变电场丘作甬下，电位移矢量西将滞后于交变 电场丘，存在一相位差占，即有 e = e , n e 7 “ d = d m “一。 则介质的复相对介电常数定义为 式中， s ，= d ( 晶e 1 = d 。x p l 6 ，( 岛，) = s e 2 d = 占( c o s 万一i s i n j l 2 占r l r ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 塑兰三些查兰里主兰皇堕兰一 d 。电位移d 的幅值； e ，交变电场的幅值； 占介电常数的模。 所以有： 5 ，= t i x s ： ( 2 4 ) 曙占= s ：占， ( 2 5 ) 式中， s ：复相对介电常数的实部，也即相对介电常数： ：复相对介电常数的虚部，又称为损耗因数： t g d 损耗角正切。 对水果而言，水果属于电介质，电介质中电子受原子核强烈束缚，不能自 由移动，电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存贮或 记录电的作用和影响，其中起主要作用的是束缚电荷。 水果一般由果皮、果肉、果核组成，果肉占水果的绝大部分。水果果实的 主要化学成分是可溶性糖、有机酸、淀粉、纤维素、果胶、维生素和酶，并且 在成熟时果肉中含有大量水分。水果的组织和细胞采后仍保持旺盛的代谢过程， 如呼吸作用、有机物转化等。果实的生命活动中提供能量及多种中间代谢产物， 参与体内物质的相互转化过程，并参与调节控制体内酶的作用和抵抗病原微生 物的侵害，另一方面，又不断地在体内氧化分解有机物，使果实衰老变质【4 1 i 。 在果实的生命活动中，其内部水分量及其水分的空间分布变化很大，在受到 损伤或处于病态时，尤其如此。实际上，果实中的水分可以分为自由水( 即游离 水) 和束缚水( 胶体结合水) f 4 舶，其中前者占较大比例，易于蒸发，储藏过程中损 失的主要是自由水。束缚水一股与果实细胞中的胶体微粒结合，并包围在胶体 微粒四周，形 成水膜，不易 蒸发损失。果 实的水分变 化可以通过 介电特性明 显反映。 从微观 上看，水果分 子内部存在 水集 内部晶蜃 囊理方面z ( 1 ) 成熟度 ( 2 ) 新鲜魔 韵理方面： f 1 ) 硬攫 f 2 ) 窍郝摈伤 化学方面： i j ) 永分 ( 2 ) 糖发 t 3 ) 酸度 永桑的宏观电铸蛙 复鼠抗蕊) 复谤纳y f 幽 复介电常数( 也 ) 国2 1 水果品质和宏理介电特性的关系 浙江工业大学硕士学位论文 电场，且在分子线度范围内改变位置，场强的变化非常剧烈，这种微观特性实 质上决定着水果的生理、物理和化学特征，但这种微观场用现有电生理技术无 法测量。因此，从可观测角度考虑，只能研究定体积内微观场的空间平均值， 即转而研究水果的宏观介电特性，如图2 1 所示。 2 2 2 介质损耗的等效模型 与一般电介质类似，可以将水果的宏观介电特性用复阻抗z ( 或导纳y ) 及复 介电常数占表示。这里复阻抗z ( 或复导纳y ) 是水果的物体常数，与水果的个 体尺寸相关，复介电常数是 水果内部物质特性的反映， 与水果个体尺寸无关。 任何给定频率下，电介 质可用理想电容和电阻组成 的并联电路或串联电路来表 示| 4 ”，如图2 2 所示。 锄鬟 圈2 2 介质损耗等效模型及向量 介质损耗角占是交流电的总电流，( 或总电压 r ) 与电容器中的电容电流， ( 或电容电压e ) 之间的夹角。 由电路可得复阻抗z 和复导纳y ： z ：v ：| r ，+ _ = _ ( 2 - 6 ) i二i 蕊， ，一= 軎= 专2 击似， ? ， 由两向量图可得： 信艿= 甜。r( 2 8 ) t 9 8 = 1 “缸1 ，吩) ( 2 9 ) 式中，一角频率， c ，串联等效电容( 法) ， r 。串联等效电阻( 欧) ， c 。并联等效电容( 法) ， r 。并联等效电阻( 欧) 。 串联等效阻抗： z ，= r ：+ i o r o c , )( 2 一l o ) l o 以h u 塑垩三些查兰堕主兰垡堡兰一 并联等效阻抗：z ，= 尺，( 1 + f 葩，r ，) ( 2 - 1 1 ) 由于两种等效阻抗的模相等， 并且： 丽，r ，= 1 ( 留，r p ) ( 2 1 2 ) 得到两种模型的转换公式： c 。= c 。( 1 + t 9 2 万) ( 2 一l a ) r 。= 足( 1 + l t g ：j ) ( 2 1 4 ) 采用任一种等效电路，利用等效参数尺，、c ，或尺，、c ，均可计算损耗角 正切垃占。因为并联等效电路与电介质的实际情况相符，故利用并联等效电容c ， 计算相对介电常数占： s ：= c 。c 。 ( 2 1 5 ) 其中，c 被测定电介质的几何电容，即形状、尺寸与被测物相同，而介质 为真空时的极板电容。 由t 及僖艿，根据占：= s ：t 9 6 ，可计算损耗因数蠢。 2 23 交变电场频率对水果介电特性的影响 从以上的各个式子，可以发现介电特性的有关参数与交变电场的频率有密 切的相关性。 水果的细胞是由电阻比较大的薄的细胞膜及具有离子导电性的小电阻的细 胞液构成，因此水果是不均匀电介质： 置于电场中的水果介质沿电场方同将产生偶极矩，称为极化。极化时，有极 分子( 如水分子等) 由杂乱的排列变为定向排列，形成定向极化，产生束缚电 荷无极分子则在电介质表而产生正、负感应电荷。电介质极化会产生反相电 场而减少电场中两电荷间的作用力，并使充满电介质的电容器极板间的电位差 减少，电容量增大。电偶极子中，水分子h ：o 的电矩为6 1 1 0 0 0 ，比许多其 它如盐酸分子h c l 都要高h j 。 若外加电场为交变电场，果实内的带电粒子将做强迫振动，形成交变传导电 流，介质极化则随时间往复变化，形成极化电流。 交变电场的频率较低时，电子和离子极化不存在弛豫滞后，取向极化也由于 各种极性分子的弛豫时间远小于电场变化的1 4 周期可忽略弛豫滞后，因而 在低频情况下，极化不产生电磁能量转化。但传导电流通过电子、离子的运动 和碰撞，将使电磁能转化为热能。当频率提高到一定值，除导电产生的能量转 化以外，还由于极性分子的取向极化开始跟不上外加场的快速变化而出现滞留 现象，加上生物分子间很强的相互作用因而极化过程也要产生电磁能向热能 的转化。随着频率的提高，后者的能量转换可能大大超过前者。这正是通常在 塑兰三些奎兰堡圭兰垡笙苎 微波频率下的介电加热现象。 均匀电介质的极化有电子极化、原子极化和偶极子转向极化e 对水果而言， 还存在着空间电荷极化。 前两种极化都由带电质点在外电场作用下产生位移而形成的，形成时间相当 短，并且在高低频率下均能形成。偶极子转向极化是由于因有的偶极子在外电场 作用下发生转向而形成的，这种极化的形成所需要的时间较长。 水果等农业物料还存在一定数量的钾离子、钠离子等自由带电离子，这些带 电离子在外电场作用下会沿电场方向迁移，在它们的迁移过程中，可能会遇到各 种障碍( 细胞膜、电极) 而停留在某一空间内，例如停留在细胞膜和细胞内液， 外液的界面或电极附近而不能及时放电或复合那么这些停留在某空间的电荷 在介质中就形成空间电荷极化，这种极化和电偶极子转向极化一样，需经较长时 间才能形成。 不同的农业物料可能存在着不同类型的多种极化形式。电子位移极化的强度 很小，原子位移极化的强度也不大，通常起主要作用的是电偶极子转向极化和空 闯电荷极化。据介绍，这两种极化在较低频率下能形成但随着频率的升高，极 化过程可能跟不上电场的变化，使它们无法形成，表现在相对介电常数随频率的 增高而趋于下降。这两种极化频率的变化情况直影响到相对介电常数、损耗因数 与频率的关系。 德拜( d e b y e ，1 9 2 6 ) 建立了关于电介质的复介电常数与频率的数学关系 式： 毒：占。+ 警 lq - i f 又量= 占：一f 占：= i 毒矿砂 可得，占：、占：和珊的关系式是 占：= 蠢+ 赫 。等 ( 2 一1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 一1 9 ) 式中， t 电介质的复介电常数： 占。电介质的静态介电常数，即介质在直流电场作用下的介电常数； 占。光频介电常数，相应于电子位移极化的介电常数： 国角频率； f 松弛时间( 形成偶极子转向极化时间，一般为1 0 “秒或更长) 根据德拜公式，得出的介电常数t 和损耗因数z 随着角频率的变化趋势如 塑竖王些茎兰垦主兰垡堡茎 图2 3 所示： 图2 3相对介电常数s ，、损耗因数与频率的关系 图中与横坐标平行的虚线表示光频介电常数s 。的值。顶端是静态介电常 数s j 的值。本图只表示电介质介电特性随频率变化的大致形态，对s 二和s ：的 具体取值没有意义。 对于绝大多数的电介质来说，虽然光频介电常数和静态介电常数的值有所 区别，但介电特性随频率变化的曲线都与图2 3 类似。由图2 3 可以看出，在 低频段，电介质的相对介电常数接近于静态介电常数，但随频率增高而在数值 上降低，并向光频介电常数值无限逼近。同时，电介质在微波频率段t 0 卜 1 0 g | t z ) 时介质损耗因数最大，介电加热效应最为明显。如果想要无损检测该电 介质的介电特性而避免介电加热效应对电介质产生作用，就必须避开这一频率 段，选择低频或者更高的频率。但在更高的频率，电介质的相对介电常数接近 于光频介电常数，数值上较小，检测难度较大。而只要选择的频率足够小，检 测得的相对介电常数就接近于静态介电常数，便于测量和比较。 尽管对于苹果这样复杂的电介质的静态介电常数和光频介电常数没有已 知数据可供参考，但考虑到苹果这类水果的含水量占约8 0 9 5 ，而水的相 对介电常数约为8 0 左右，其介电特性随频率的变化形态与图2 3 类似。所以本 论文选择在低频段对苹果介电特性迸行无损检测。 又据( s c h w a r ，1 9 5 7 ：g r a n t ，1 9 6 9 ) 报道，对生物材料，其介电常数的频率特性 塑垩三些查兰翌兰兰垡堡兰一 以下述关系表达更为合理。 铲毛+ 熹茅 ( 2 2 0 ) 式中，口为o 1 之间的数。 还有学者提出其它的模型，至于哪一种更能说明农业物料介电常数的频率特 性，可能有待于进一步的研究。 2 2 检测系统的组成 检测系统的框图如图2 4 所示。 在图2 4 中，计算机作为主机，是实验系统控制器和实验数据的存储器，并 可由显示器在实验过程中显示频率和经过计算后得到的介电特性参数。计算机通 过串行口与l c r 测量仪相连。 本实验选用z l 5 型智能l c r 测量仪：这是一种采用微机控制的自动测量电 感、电容和阻抗的仪器，内置信号发生器，并配有微机接口和测试夹具。采用了 四端电桥测量原理，测试频率为12h z 10 0k h z 。电桥可加上2 v 的内部直流 偏压，可用并联或串联等效电路形式直接测定电极两端的电容和电阻或阻抗模 和幅角。采用的是串联等效电容和损耗角正切。仪器通过r s 2 3 2 串行接口与微 机相连。 图2 4 苹果介电特性无损检测系统示意图 两对屏蔽线中，其中一对以相反的方向环绕另一对屏蔽线以消除电感的影 响。一端接在l c r 测量仪的连接器上，一端连两个极板。如果连接线很短( 如 在去除屏蔽箱的情况下) ，也可用普通电线代替。 为了减少外界对实验的电磁干扰，在整个测试过程中，苹果样品及电极板均 置于30 0 r a m 300 r a m 2 0 0 r a m 的接地屏蔽箱中( 用厚度为0 6 r a m 的镀锌薄 浙江工业大学硕士学垃论文 铁皮制成) ，屏蔽箱的外壳接地，极板与苹果放置在其中。( 注：在外界信号微弱 的情况下，屏蔽箱也可以省略。) 在挑选电极时，需考虑满足以下几个要求： 1 ) 电极本身是良好的导体。 2 ) 电极与苹果在测试过程中不能有相互f 乍用。 3 ) 电极制作方便，使用安全。 所以实验中采用了圆形平板电极。电极选用铜金属材料，呈圆盘状，厚度为 0 2 m m ，并根据直径不同分为几组，用于测试不同大小的苹果。左右两极板被固 定在有机玻璃的底座上，两块有机玻璃底座再放在屏蔽箱中的透明有机玻璃底板 上，底板下面有一块标有刻度的镜面使两极板间距可调和可读。在两极板中心处 各自引一条导线与l c r 测量仪连接。整个电极座放置在屏蔽箱中。 2 3 检测参数计算公式 在测试过程中将两个极板之间的介质( 包括了苹果和空气) 等效成串联模式。 由l c r 测量仪测出两个极板之间的串联等效电容和损耗角正切，由电介质损耗 等效模型即公式( 2 - - 1 0 ) 至公式( 2 1 5 ) 可得： ，= c ， c 。( 1 + 增2 万) 】( 2 2 t ) l z l = ( 1 + 瞎2 d ) ( 2 x , t x ，c ，) 2 = 、1 - r 培2 艿( 2 石厂c 。) g l = s ? t 9 6 ( 2 3 ) 式中， 占，是相对介电常数： 阁是等效阻抗的模； c ，是串联等效电容； 喀占是损耗角正切： 1 为每一频率点下的频率值( h z 、： s ：是损耗因数。 串联等效电容c ，和损耗角正切留j 田系统直接测量得到，频率厂也由系统直 接给出。 。另外，、卑王要塑9 史岔璺的等效模型选叠的是并联等效模型，还需要利用公 式( 2 - - 1 3 ) 换算得到并联等效电容( 。 一 这样，并联等效电容f ，、损耗角正切培d 、阻抗矧、相对介电常数占：和损 登里鍪：竺望某_ 频率点下的介电特性检测参数。上述计算过程由计算机实现， 结果存入指定的文件中。 塑鋈三些查兰堡主兰竺堡兰一 以后，在本文中凡不加说明的提到等效电容，一律是指并联等效电容。 2 4 检测系统界面和测量参数设置 实验中测试过程数据的采样( 包括数据采样参数设定) 、处理、记录和保存 由计算机控制，其他操作由手工完成的。 l c r 测量仪启动预热后，在测试之前则必须用手工调零，手工调零包括开路 调零和短路调零两个步骤。开路调零时，必须使双绞屏蔽线与两极板断开进行调 零，用于消除外界或内部杂散电感电容的影响；短路调零时，必须使双绞线连接 在极板的一端短路进行调零，可部分消除串联电阻和电感的影响。这两步调零步 骤都不可省，否则有可能使l c r 仪因超出检测范围而不能正常工作。 在狈4 试之前，还需要对计算机测试软件设定一系列的测量参数。参数设置 界面如图2 5 所示。 图2 5 参数设置界面 图2 。5 中，对等效电路和测量内容这两项选择，选择了测量串联等效电容 和介质损耗因素( 这里是指损耗角正切) ，这是由于串联等效电路符合测试系统 的实际电路连接情况，同时等效电阻在低频时数值太大，甚至可能超过仪器的 显示范围，往往使系统出错，所以不直接测量等效电阻比较好，而其数值仍可 由等效电容和损耗因素经计算机换算得到。参数中的几何电容由以下公式确定： c o = 氏s d( 2 2 4 ) 式中。c 。是几何电容； 1 6 ， 塑坚三些查兰堡主兰垡堡苎一 6 n = 8 8 5 x1 0 1 4 f e r a 是真空介电常数： s 是平行电极板之间的距离； d 是平行电极板的面积。 频率的上下限是指测量时系统会自动在两者之间的一系列固定的频率点上 进行测量，并会将测量结果在微机显示器上显示而且保存在由用户指定的文件 中。 实验过程中发现仪器的手工调零并不准确，有时甚至相差很大。这就使在 同样条件下对同一苹果每次调零后检测的数据都不相同。任何一次实验所得的 数据不具有可比性。 后来在多次实验的基础上，发现可以首先测量空气的串联等效电容，并以 此为基准再检测苹果的介电特性参数。由于在温度和湿度稳定的情况下，空气 的相对介电常数大致为1 ，等效电容也基本保持不变，以空气为基准，实验数据 就有了可靠性。于是在检测界面设置了“空气电容”这项参数，它表示由l c r 仪测得的空气串联等效电容值。 在对检测界面和软件系统作修改后，就可以在检测之前或连续测量时每次 测试完毕后，由l c r 测量仪测量极板之间空气的串联等效电容。在以后的实验 中，两极板之间电介质的串联等效电容即为由l c r 仪实际测得的当时的串联等 效电容值减去空气电容再加上几何电容c o 后的值。 即 c ，= c 一q + c o ( 2 2 5 ) 式中，c 。表示串联等效电容检测值； c l 表示l c r 仪实际测得的串联等效电容； c k 表示空气电容； c 。表示几何电容。 随后，计算机再根据公式( 2 - 1 3 ) 和公式( 2 - - 2 1 ) 算得并联等效电容c ， 和相对介电常数显示在显示器上，并作为检测结果储存起来。 关于其他参数的设定，根据实际的要求，使用如图所示的设置。 实验表明，在空气温度和湿度变化不大的情况下，可保证测量值的稳定性。 2 5 苹果的尺寸参数定义和在实验过程的处理 实验所选用的被测水果为苹果。测试苹果介电特性时，为考虑苹果的形状 尺寸对所获得的介电特性参数的影响，如图2 6 所示，将整个苹果分为三个部分： 梗洼部，萼洼部，还有一个部分则是除这两个部分之外的边缘部分。同时将梗洼 部称为头，萼洼部称为尾，头部和尾部凹陷处中心点连线称为中轴，垂直于中轴 的最大剖面上的直径( 实际应用中可取最大和最小值的平均僵) 称为中径，这个 剖面称为中径面，头部边缘和尾部边缘之间平行于中轴的距离则称为高。这几个 塑坚三些奎兰堡主兰生笙苎 参数将作为表征苹果、形状、尺寸的主要指标。另外， 把苹果在极板之间的目测得到的苹果在两极板中垂 线之间的宽度称为实测宽度。 另外，在形状方面，定义不同角度的中径差在2 姗 以内的苹果为形状规则的苹果，在2 n 以外的为形状 不规贝吐的苹果a 陵b 摹要荦茬 实验所选用的苹果品种是红富士，产于陕西、山 东等地。苹果从市场分批购入后均放置在室内环境中，以使在测试时苹果的温度 达到室温和在不同时间测试时有不同的新鲜度和腐烂程度。一般情况下，苹果随 贮藏时间的增加，它的水份、有机酸及原果胶的含量逐渐减少，果肉结构松弛， 硬质下降，果实呈松软发绵状，果皮变皱、萎蔫、失重、鲜嫩程度降低。与此同 时，苹果往往会出现腐烂变质的现象。整个测试过程中，苹果在室内没有采取任 何贮藏措施，苹果状态变化显著，腐烂情况的表现更为明显。 由于国际上对苹果的腐烂变质的机理研究远远没有达到令人满意的程度，除 了对几类病虫害有所区分之外，对其内部机理的深入研究几乎是一片空白，因而 到目前为止，还没有能够对新鲜度和腐烂程度加以判断的量化指标。在评判苹果 的新鲜度和腐烂程度时，主要使用感性的方法。由目测、手感、气味几方面来加 以判断。 这里，将新鲜度和腐烂程度做了区别。认为腐烂的苹果不一定不新鲜，不新 鲜的苹果也不一定就腐烂。不新鲜的盖果表现在外部特征上的萎蔫、失重和硬度 和表皮光泽度下降，可以不发生局部病变。而腐烂苹果则表现为任一部位出现病 变( 也包括水心和烂核两种内部腐烂)