郝中誠　張宏　蘭海鵬等

摘要：以南疆溫185核桃為研究對象，應(yīng)用基于LCR數(shù)字電橋的農(nóng)業(yè)物料電學(xué)特性檢測系統(tǒng)，分別在不同的測試頻率和測試電壓下研究電學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，應(yīng)用Excel和Origin軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。結(jié)果表明，在測量參數(shù)范圍內(nèi)，測試頻率和測試電壓對溫185核桃的電學(xué)特性影響顯著；并聯(lián)等效電路和串聯(lián)等效電路的等效形式對電學(xué)特性影響不顯著；適合于溫185核桃的基礎(chǔ)測量條件為頻率處于0.5～1.0 kHz之間、電壓處于0.5～1.0 V之間。研究結(jié)果可為核桃電學(xué)特性的相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：核桃；電壓；頻率；電學(xué)特性

中圖分類號： S664.101 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0391-03

素有“長壽果”之稱的溫185核桃是南疆林果業(yè)主要特產(chǎn)之一，目前，核桃的品質(zhì)檢測工序尚無專業(yè)的技術(shù)和設(shè)備，破壞性的人工抽檢是核桃加工企業(yè)的主要應(yīng)用方式，一定程度上消減了核桃的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。核桃自身的物性特征與基于電學(xué)特性的無損檢測技術(shù)具有較高的匹配特性，測試頻率和測試電壓等基礎(chǔ)測量參數(shù)的選取是闡明核桃電學(xué)特性的首要問題，更是該技術(shù)在核桃檢測加工中能否應(yīng)用的瓶頸。針對溫185核桃研究其電學(xué)特性檢測的基礎(chǔ)測量參數(shù)具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

在農(nóng)業(yè)物料電學(xué)特性的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者的研究涉及較多的品種，如早期的Dunlap等應(yīng)用18 kHz～5 MHz頻段的電容測量法對胡蘿卜進(jìn)行了測量研究，研究結(jié)果表明，介電常數(shù)和電導(dǎo)率隨含水率的不同而變化顯著，且試驗(yàn)受到如測試頻率、溫度、密度等諸多因素的影響，胡蘿卜的含水率在6%～8%時(shí)，介電常數(shù)以及電導(dǎo)率變化不顯著，而當(dāng)含水率較高時(shí)，介電常數(shù)會迅速升高[1]。Tulasidas等在2.45 GHz下對葡萄的電學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著含水率的下降，葡萄的耗散因數(shù)和介電常數(shù)都隨之下降，在高溫和低含水率時(shí)，介電常數(shù)有明顯的變化[2]。針對含水率相對較低的農(nóng)產(chǎn)品，電學(xué)特性應(yīng)用較廣泛。Nelson等采用1～5 MHz頻段的電容測量法對美洲山核桃進(jìn)行了研究，得出在某一頻段內(nèi)山核桃的介電常數(shù)隨頻率的增加而均勻減小的結(jié)論[3-6]。郭文川等在板栗等農(nóng)業(yè)物料電學(xué)特性的無損檢測技術(shù)研究上作出了突出貢獻(xiàn)[7-9]。而針對于南疆溫185核桃電學(xué)特性的探討尚處于空白階段，研究其基礎(chǔ)測量參數(shù)的變化規(guī)律，對基于電學(xué)特性無損檢測手段的應(yīng)用具有重要的意義。

本研究以溫185核桃為對象，研究不同的測試頻率和電壓對核桃電學(xué)特性的影響規(guī)律，旨在明確適合于溫185核桃的基礎(chǔ)電學(xué)測量參數(shù)的應(yīng)用范圍，為核桃電學(xué)特性的研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

核桃樣品：試驗(yàn)采用含水率為5%～7%、果徑為45～50 mm 的南疆溫185薄皮核桃，剔除有機(jī)械損傷及病蟲害的核桃。

1.2 設(shè)備

高頻LCR數(shù)字電橋測量儀（TH2828S，常州市優(yōu)高電子科技有限公司）；游標(biāo)卡尺（0.02 mm，桂林量具刃具廠）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（GZX-9140MBE，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）等。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)溫度控制在25 ℃，相對濕度控制在55%；使用電熱鼓風(fēng)干燥箱把樣品的含水率控制在5%～7%；為減小外部環(huán)境的干擾，用直徑為10 mm的2個(gè)銅質(zhì)探頭作為夾持裝置，同時(shí)精確控制對核桃的夾持力，測量系統(tǒng)原理見圖1。

1.4 頻率、電壓的測量

使用高頻LCR數(shù)字電橋?qū)颂疫M(jìn)行測試頻率、測試電壓2個(gè)參數(shù)的測量，以Cp、Cs、Q、R、D為考核指標(biāo)，采用單因素試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法[10]，試驗(yàn)的因素水平編碼見表1，考核指標(biāo)見表2。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)重復(fù)10次取平均值，采用Excel軟件和Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 測試頻率與電學(xué)參數(shù)的關(guān)系

在測試電壓為1.0 V時(shí)，核桃的電學(xué)特性參數(shù)與測試頻率之間的關(guān)系見圖2。結(jié)果表明，頻率小于0.5 kHz時(shí)各參數(shù)急劇變化，而頻率超過1.0 kHz以后圖形趨于平穩(wěn)。頻率小于 0.5 kHz時(shí)，測試電壓對Cp、Cs、D、R等參數(shù)的影響極不穩(wěn)定，受到了外在因素的強(qiáng)烈干擾，當(dāng)頻率超過1.0 kHz以后則對這些參數(shù)的影響不顯著，當(dāng)頻率在0.5～1.0 kHz之間時(shí)對這些參數(shù)的影響穩(wěn)定且顯著。

2.2 測試電壓與電學(xué)參數(shù)的關(guān)系

當(dāng)測試頻率為1.0 kHz時(shí)，核桃的電學(xué)特性參數(shù)與測試電壓之間的關(guān)系見圖3。當(dāng)電壓小于0.5 V時(shí)圖形各參數(shù)急劇變化，而當(dāng)電壓超過1.0 V以后各參數(shù)變化趨于平穩(wěn)。表明電壓小于0.5 V時(shí)，測試電壓對Cp、Cs、Q、R等參數(shù)的影響極不穩(wěn)定，受到了外在因素的強(qiáng)烈干擾，而當(dāng)電壓超過1.0 V以后則對這些參數(shù)影響不顯著。

3 結(jié)論

在測量參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)頻率處于0.5～1.0 kHz之間時(shí)對Cp、Cs、D、R等參數(shù)的影響穩(wěn)定且顯著，而頻率低于0.5 kHz時(shí)對這些參數(shù)的影響不規(guī)律，超過1.0 kHz以后則對這些參數(shù)的影響不顯著。電壓處于0.5～1.0 V之間時(shí)對Cp、Cs、Q、R等參數(shù)的影響穩(wěn)定且顯著， 而電壓低于0.5 V時(shí)對這些參數(shù)的影響不規(guī)律，超過1.0 V以后對這些參數(shù)的影響不顯著。

適合于溫185核桃的基礎(chǔ)測量條件為頻率處于0.5～10 kHz之間、電壓處于0.5～1.0 V之間。此試驗(yàn)結(jié)果可為核桃電學(xué)特性的研究方法提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]Dunlap J R，Makower B. Radio-frequency dielectric properties of dehydrated carrots application to moisture determination by electrical methods[J]. The Journal of Physical Chemistry，1945，49（6）：601-622.

[2]Tulasidas T N，Raghavan G S V，vau de Voort F，et al. Dielectric properties of grapes and sugar solutions at 2.45 GHz[J]. The Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy，1995，30（2）：117-123.

[3]Nelson S O，Guo W C，Trabelsi S，et al. Dielectric properties of watermelons for quality sensing[J]. Measurement Science and Technology，2007，18：1887-1892.

[4]Guo W C，Nelson S O，Trabelsi S，et al. 10～1 800 MHz dielectric properties of fresh apples during storage[J]. Journal of Food Engineering，2007，83（4）：562-569.

[5]Nelson S O. RF impedance sensing for moisture content in individual dates[J]. Transactions of the ASAR，2007，37（3）：887-891.

[6]郭文川，朱新華，郭康權(quán). 果品內(nèi)在品質(zhì)無損檢測技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，17（5）：1-5.

[7]郭文川，郭康權(quán)，王乃信. 電激勵信號的頻率和電壓對果品電特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（2）：62-65.

[8]郭文川，Stuart O N，Samir T，等. 蜜瓜和西瓜果汁的射頻介電特性及其與糖度的關(guān)系[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（5）：289-292.

[9]郭文川，朱新華. 國外農(nóng)產(chǎn)品及食品介電特性測量技術(shù)及應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（2）：308-312.

[10][ZK（]蘭海鵬，唐玉榮，劉文亮，等.成熟期基庫爾勒香梨電學(xué)特性研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2014（7）：178-181.