摘要:以水果电特性理论为基础研究基于电特性的水果品质无损检测方法。分析了水果介质在交变电场作用下 介质内部的极化和损耗机制 以水果宏观电特性参数建立了电特性无损检测等效模型 给出了宏观电特性参数的检测方法。以苹果和梨为试验对象 研究了低频段(100 Hz ～ 100 kHz)水果电特性参数的频率特性及其与水果品质特征之间的关系 结果表明 水果的电特性参数与水果品质密切相关 因此 基于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。
关键词:水果;电特性;无损检测
Abstract :The method of nondestructive inspection for fruit quality based on dielectric property of fruit is studied .The polarization and loss mechanism of fruit' s medium in the alternating electric field is discussed and the equivalent model of nondestructive inspection for fruit quality based onmacroscopical dielectric property parameters is founded .The inspection method of macroscopical dielectric property parameters is put forward .Apples and pears as examples are experimented at low frequency range (100 Hz ～ 100 kHz) and the relation between their dielectric property parameters and their quality is studied .The results of experimentation indicate that dielectric property parameters of fruit is distinctly correlative with their quality and therefore dielectric property parameters can be used for evaluating fruit' s quality and automatically selecting fruit on line nondestructively .
Key words:fruit ;dielectric property ;nondestructive inspection
0 引 言
机械损伤和病虫害导致水果个体间的品质差异 不同品质的水果一起储存或出售 将造成腐烂蔓延并影响水果销售价格。因此 储藏和销售前根据水果的品质进行分级是非常重要的。无损检测是实现水果自动化分级的基本手段。虽然机器视觉可实现水果外观品质的无损检测 但却不能用于检测水果内部品质。事实上在许多情况下 水果腐烂始于内部 早期不会在外表有所表现 因此 需要寻找一种非破坏性评价水果内部品质的无损检测方法。
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电特性。因此 水果的内部品质可以通过对水果电特性的无损检测加以判别。
Thompson 和Zachariah 曾在300MHz ～ 900MHz 的频率范围对苹果的电特性进行研究[ 1] 发现苹果的电特性随成熟度的变化而变化Mclendon 和Brown 的研究结果表明[ 2] 在0 .5 kHz ～ 5 kHz 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。Nelson 等人在0 .2 GHz ～ 20 GHz 的频率范围内对多种水果进行了研究[ 3 -5] 结果表明 介电常数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。加藤宏朗在10Hz～ 13MHz 的频率范围上 对损坏的和正常的水果的介电特性进行了对比测试[ 6 7] 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相关性。
水果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 作者及其课题组首次对苹果、梨和桃子等水果在低频范围的电特性进行了系统的研究[ 8-10] 揭示了低频范围内水果电特性与新鲜度、内部损伤的关系 初步建立了水果电特性理论的基本框架。本文将介绍水果电特性理论的基本概念和部分研究结果 并探讨基于水果电特性理论实现水果内部品质无损检测的关键技术。
1 水果电特性的基本概念
1 .1 水果的宏观电特性
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。
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) 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。束缚水一般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电特性明显反映。
从微观上看 水果分子内部存在电场 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 只能研究一定体积内微观场的空间平均值 即转而研究水果的宏观 与一般电介质类似 可以将水果的宏观电特性用复阻抗Z(或复导纳Y)及复介电常数﹒ε表示。这里复阻抗(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。
在给定的测量频率ω下 将被检测水果置于平行电极之间作为电容器的内部介质 则根据施加于该电容器上的交变电压和流过电容器的电流 可以得到复阻抗Z 和复导纳Y 如式(1) 式(2)和图2所示。
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