基于介电特性的果蔬无损检测系统构建_图文

1、J 1SHANXI AGRIC 1UNIV 1(N at ural S cience Edition 学报(自然科学版2009,29(4002548收稿日期:2008212208修回日期:2009203206作者简介:秦刚(19772,男(汉,山西朔州人,讲师,主要从事信息检测方面的研究。基金项目:山西农业大学科技创新基金项目(412560基于介电特性的果蔬无损检测系统构建秦刚,宋海燕(山西农业大学工程技术学院,山西太谷030801摘要:随着人民生活水平的不断提高,对果蔬分级和内部品质的要求也越来越显得重要。利用果蔬电特性检测方法进行果蔬分级,既能满足检测设备结构简单,价格便宜,且系统数据信号

2、采集和处理方便,又能保持果蔬内部品质不受影响。试验采用介电特性法对果蔬品质无损检测测量原理,构建了一种果蔬无损检测系统,并对不同新鲜度的苹果在低频段进行了试验检测。结果表明,在20Hz 200k Hz 测试频率范围内,随着果蔬新鲜度的下降,其等效阻值趋于增大,且按一定规律变化,表明该系统的设计构造是简易可行的。关键词:介电特性;果品;蔬菜;检测系统中图分类号:S275文献标识码:A 文章编号:167128151(20090420358203Study of Fruits and V egetables Non 2destructive Detection System B ased on Di

3、electric Properties QI N Gang ,SONG Hai 2yan(College of Engineeri ng and Technology ,S hanx i A g riculture Universit y ,T ai gu S hanx i 030801,China Abstract :With the improvement of the standard of living ,non 2destructive detection and classification of f ruits and veg 2etables are more importan

4、t.The equipment of non 2destructive detection system based on dielectric properties is very simple ,cheap and easy for data collection and analysis.The experiment principle of f ruits and vegetables non 2destruc 2tive detection based on dielectric properties was analyzed and an equipment system was

5、built in this study.The dielec 2tric properties of different f resh degree of apple in low frequency bands were measured.The test result showed that the equivalent resistance was increased with the decline of the fresh degree of apples and this system was viable.K ey w ords :Dielectric properties ;F

6、ruits ;Vegetables ;Non 2destructive detection system我国的果品蔬菜资源丰富,随着国民经济和人民生活水平的不断提高,人们在满足果蔬数量需求的同时,对其质量也提出了更高的要求,因此,对果蔬内部品质的检测和分级变得越来越重要。近年来,许多新的果蔬内部品质检测和分级方法相继出现,由于利用果蔬介电特性的检测方法所用检测设备结构简单,价格便宜,且系统数据信号的采集和处理较容易1,2。研究采用果蔬的介电特性,利用现有设备构建了一套结构更简单、操作更方便的果蔬内部品质检测系统。1电特性测量原理果蔬生物体属于电介质,可通过分析果蔬在电场中的电特性参数的变化,检

7、测其内部品质。物质电特性包括导电特性和介电特性,介电特性是指生物分子中的束缚电荷(只能在分子线度范围内运动的电荷对外加电场的响应特性,介电常数是表征电介质电性能的宏观参数。果蔬生物体的生理结构特征可由其电介质特性参数来表征,而介电特性参数可通过测量系统测量得知。它的主要参数有相对介电常数r 、相对介质损耗因数tan 、介质损耗角正切值和介质等效阻抗|Z |35。介电常数r 是电介质固有的一种物理属性,表示电介质存储电场能量的能力,反映该电介质提高电容器电容量的能力;损耗因数r 反映电介质在交流电场中损耗的能量;介质损耗角正切tan是反映能量的损耗,介质损耗角是交流电的总电流I (或总电压U 与

8、电容电流I C (或电容电压U C 之间的夹角。果蔬的介电特性可用复阻抗Z 或导纳Y 及复介电常数r 表示,这里Z 或Y 是果蔬的物理常数,与果蔬的个体尺寸有关;而r 是果蔬内部物质特性的反映,与果蔬的个体尺寸无关。在给定频率下,果蔬可用理想电容和电阻组成的并联或串联电路来表示,若将被检测果蔬置于平行电极之间作为电容器的内部介质,就可建立交变电场中果蔬电特性的模型68。2果蔬无损检测系统的构建基于以上测量原理,搭建了利用接触法来实 现果蔬电特性测量的测试系统,如图1所示。图1检测试系统结构框图Fig 11Experiment equipment测量部分主要包括:信号发生器(型号为XDF 26型

9、,测试频率为:20Hz 200k Hz ;交流毫伏表;放大电路(L M324,二级运放,经初步计算,预计流过电容器的交变电流为微安级,故初步调整其放大倍数为10000倍左右和示波器 ,测试系统电路原理图,如图2所示。图2检测量系统电路原理图Fig 12Experiment principle为减小外界空间波和试验仪器自身对试验结果的影响,试验装置在集成运算放大器的输入端和每级的输出端均增加一个低通滤波器,并将这些放大器与滤波器集成到一个电路板上,以增加试验电路中的滤波效果,并采取了相应的屏蔽措施9。自制平行板电容器,并将平行板电容器置于屏蔽箱内,屏蔽箱由300mm ×300mm &#

10、215;250mm 的白铁皮制成,所用导线均选用屏蔽线(双绞线电缆。电容的两极板均选用圆形平板电极,半径为500mm ,两极板间距可调,根据平行板电容器电容的计算公式即可求得其电容值的大小。3检测系统的调试检测系统应在通风良好、温度和湿度稳定的室内进行。正弦波发生器输出的驱动电流流过由标准电阻和被检测果蔬,作为介质的电容器构成的串联电路。在果蔬的等效阻抗两端接入集成运算放大器,将其电压进行放大测量。连接好电路(电容器两极板间暂时不放苹果,因平行板电容器两极板间距离相对较大,在通电时可能会与外界空间形成开放式电路,故应把平行板电容器用屏蔽箱屏蔽,可减少外界电磁波的干扰,屏蔽箱的外壳经导线接地。示

11、波器的两触头一端接在放大电路的输出端,另一端接地。打开信号发生器,调整其输出电压为5伏,调节示波器,观察输出波形。然后,固定检测装置中信号发生器的电压和频率,把苹果放入平行板电容器两极板间,发现示波器上波形变化,调节信号发生器频率,波形随之变化,交流毫伏表读数也随之变化。表明可以通过该装置反映果蔬的电特性。此外,由于该测量仪器不能经接口连入计算机,测量所得试验数据不能应用计算机进行自动处理并显示输出,故在读取试验数据时应保留到小数点后千分位,在数据处理时确保试验结果的准确性。图3(a 是采用该测量装置进行检测时,果蔬电特性参数无损检测系统的等效图,图中虚线框内是以果蔬作为介质的电容器的串联等效

12、电路,电量的向量关系如图3(b 所示。由图可得到以下公式:I =U bR b=U c R 2c +X 2c(1tan=X C R C(2X C =12f C(3tan=R CX C=2f R C(4其中,I (A 为串联电路电流的有效值,R C(和X C (分别为平行板电容器的等效电阻和电抗,U c (V 为电容器电压,R b (为标95329(4秦刚等:基于介电特性的果蔬无损检测系统构建准电阻,U b (V 为标准电阻的电压,f (Hz 为信号发生器的激励频率,介质损耗角为电压U c 与电容电压之间的夹角 。图3试验电路原理等效图和相量图Fig 13Equivalent principle

13、figure and vector figure在图3(b 向量图中,由正弦定理可以求得角:cos (180°-=U 2c +U 2b +U 22U c U b(5试验时只要测出U 、U c 和U b ,由式(1、(2、(3、(4经过运算,可得到被测果蔬串联等效电路的R C 和X C ,进而求得并联等效电阻和并联等效电容和复介电常数。4试验结果采用所设计的检测系统,对不同新鲜度的红富士苹果进行了检测,具体方法为:购买成熟度良好的红富士苹果(同一批次,清洗掉表面各种泥土、污垢及虫卵后,将其放置于自然状态下存放,存放期间环境温度为1524,相对湿度为65%84%。每隔五天对苹果的电特性进

14、行检测。结果表明,在同一测试频率下,随着新鲜度的下降,其等效阻值也会发生变化(趋于增大与Nelson S O 等的研究结论一致10。由此可见,采用该测量装置来检测果蔬的电特性是可行的。5结束语试验从理论上对采用电特性方法进行果蔬内部品质检测的原理进行了研究,并在此基础上,根据现有设备构建了一套果蔬内部品质检测系统。该系统主要由平行板电容器,放大电路,滤波电路和测量仪表等组成。采用该系统对不同新鲜程度的苹果进行了检测,发现随着新鲜程度的不同,通过计算得到的果蔬的等效阻值也会发生变化(趋于增大,表明采用该系统进行果蔬内部品质检测是可行的。参考文献1秦文,张惠,邓伯勋,等.部分农产品水分含量与其介电

15、常数关系模型的建立J .中国食品学报,2008,8(3:62267.2黄勇,坎杂,王丽红,等.介电特性及其在农业生产中的应用J .现代化农业,2006,2:34235.3宋金亚,张立彬,计时鸣,等.利用介电特性的水果品质无损检测J .无损检测,2003,25(8:4202421.4郭文川,朱新华,周闯鹏,等.西红柿成熟度与电特性关系的无损检测研究J .农业现代化研究,2002,23(6:4582459.5郭文川,郭康权,王乃信.电激励信号的频率和电压对果品电特性的影响J .农业工程学报,2004,20(2:62264.6郭文川.果蔬介电特性研究综述J .农业工程学报,2007,23(5:284

16、2288.7Wang S ,Monzon M ,Gazit Y ,et al.Temperature 2dependent dielectric properties of selected subtropical and tropical fruit s and associ 2ated insect pest s J .Transactions of t he ASA E ,2005,48(5:187321881.8Zhang L ,Xu F ,Ji S ,et al.Principle and implementation of automatically nondestructive inspect ion system for apple internal qualitybased on dielectric property J .Transactions of t he