伽師瓜電磁特性的試驗(yàn)研究

劉朝霞 唐玉榮 蘭海鵬 黃新成 楚合營(yíng)

(塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

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伽師瓜電磁特性的試驗(yàn)研究

劉朝霞 唐玉榮 蘭海鵬 黃新成 楚合營(yíng)*

(塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

為探索伽師瓜電磁特性與其成熟度之間的關(guān)系，研究了不同測(cè)試頻率、測(cè)試電壓對(duì)伽師瓜電磁參量的影響，并對(duì)伽師瓜電磁參量的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在27 ℃，0. 1～100. 0 kHz信號(hào)測(cè)量范圍內(nèi)，伽師瓜的電阻、電感、電容、損耗角正切值皆隨測(cè)試頻率的逐漸增大而減小。測(cè)試電壓對(duì)伽師瓜的電感、電容、損耗角正切值等參量的影響不大。并討論了伽師瓜的平均糖度與其耗散角正切值和品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系。

伽師瓜； 電磁特性； 品質(zhì)因數(shù)

伽師瓜屬新疆甜瓜中的一種，因主產(chǎn)地在伽師縣而得名，瓜皮多呈墨綠色，香甜可口肉厚汁豐，果肉中含有豐富的水、可溶性糖(如葡萄糖，果糖等)、B族復(fù)合維生素和維生素C、有機(jī)酸等，還有鐵、磷、鈣、鉀等多種微量元素，是人體所必須的營(yíng)養(yǎng)成分。伽師瓜所含的維生素對(duì)治療胃病、貧血有益，微量元素鐵具有促進(jìn)人體造血機(jī)能的作用，鉀能促進(jìn)新陳代謝，預(yù)防肌肉痙攣。成熟的伽師瓜不僅生津止渴、清熱消暑，同時(shí)具有化痰止咳、增強(qiáng)食欲、利氣易便等功效，對(duì)預(yù)防冠心病、癌癥等也有一定的作用。

目前對(duì)于伽師瓜的研究多集中在對(duì)其栽培、病蟲(chóng)害防治、采后貯藏及伽師瓜瓜子油的提取方面[1-6]。例如，郝麗娜等人[7]對(duì)伽師瓜全立架立體栽培模式進(jìn)行了研究；張有林等人[8]對(duì)伽師瓜的采后貯藏方面進(jìn)行了研究；白希等人[9]利用微波提取伽師瓜籽有并對(duì)其脂肪酸成分進(jìn)行了分析。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研未看到有關(guān)基于伽師瓜電磁特性品質(zhì)檢測(cè)方面的報(bào)道。近十幾年發(fā)展起來(lái)的基于電磁特性的瓜果品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注[10-15]。隨著伽師瓜不斷走出新疆走向世界，伽師瓜的品質(zhì)和保鮮已成為影響瓜農(nóng)收益的主要因素。因此開(kāi)展伽師瓜品質(zhì)的無(wú)損檢測(cè)研究對(duì)于加快伽師瓜產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和提高瓜農(nóng)的收入，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為了探索伽師瓜電磁特性的變化規(guī)律，本文在0. 1 kHZ～100 kHZ頻段內(nèi)，研究了測(cè)量電壓和測(cè)試頻率對(duì)其電阻、電感、電容和介質(zhì)損耗角正切等影響，為伽師瓜最佳采收期的確定提供新的方法和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

伽師瓜樣品：試驗(yàn)用的伽師瓜采摘于伽師縣伽師瓜種植園中，是南疆地區(qū)優(yōu)質(zhì)伽師瓜主產(chǎn)區(qū)。整個(gè)試驗(yàn)期間選擇大小基本一致(周長(zhǎng)大約50 cm，長(zhǎng)度大約30 cm)的伽師瓜為測(cè)試樣品。

測(cè)量參數(shù)選擇：測(cè)量范圍由所用LCR數(shù)字電橋選定，測(cè)試參數(shù)包括待測(cè)樣品的電阻、電感、電容、損耗角正切值和品質(zhì)因數(shù)；測(cè)試時(shí)選擇電壓分別為0. 1 V、0. 3 V和1. 0 V；在測(cè)量頻段內(nèi)，選擇0. 1 KHz、1. 0 KHz、10. 0 KHz、40. 0 KHz和100. 0 KHz5個(gè)測(cè)試頻率。

測(cè)試裝置及樣品選?。航殡姵?shù)測(cè)量?jī)x為同惠2817型LCR數(shù)字電橋。測(cè)試溫度為27℃，相對(duì)濕度為55%。糖度測(cè)量?jī)x為B32T型手持式糖度檢測(cè)折光儀，稱重儀為ACS-30型電子計(jì)價(jià)秤。有效樣品數(shù)量為200個(gè)，均為形狀接近，大小均勻，無(wú)病蟲(chóng)害及其它損傷的新鮮伽師瓜，其中成熟樣品數(shù)量為120個(gè)，未成熟樣品數(shù)量為80個(gè)。

1.2 試驗(yàn)方法

伽師瓜的成熟期一般為八月到九月，由于伽師瓜品種，種植的時(shí)間以及當(dāng)年當(dāng)?shù)氐臍夂虿町惗杂凶兓Ｔ囼?yàn)所用的伽師瓜采集于八月上旬，采摘后測(cè)量。以測(cè)量電壓、測(cè)量頻率為試驗(yàn)因素，以電容C、電阻R、電感L、損耗角正切值D、品質(zhì)因數(shù)Q為考核指標(biāo)，采用常規(guī)因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)均重復(fù)20次，取其平均值，并采用SAS軟件和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 測(cè)試電壓、測(cè)試頻率對(duì)測(cè)量參數(shù)的影響

用SAS軟件對(duì)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，考察測(cè)量參數(shù)與測(cè)試電壓、頻率之間的依賴關(guān)系。如表1給出了當(dāng)測(cè)試電壓(U)分別為0. 1 V、0. 3 V和1. 0 V時(shí)，測(cè)量參數(shù)電感(L)、電容C、損耗角正切值D、電阻R和品質(zhì)因數(shù)Q隨測(cè)試頻率(K)的變化規(guī)律。從表1給出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：測(cè)量電壓對(duì)樣品的測(cè)量參數(shù)影響不明顯，而頻率對(duì)測(cè)量參數(shù)的影響卻十分顯著。

2.2 不同測(cè)試頻率對(duì)電學(xué)參數(shù)的影響

圖1 給出了當(dāng)測(cè)試壓為0. 1 V時(shí)，測(cè)試頻率與伽師瓜的電磁參數(shù)之間的關(guān)系。從圖1可以看出伽師瓜的電感(圖1-a)、電容(圖1-b)、損耗角正切值(圖1-c)和電阻(圖1-d)都隨頻率的增大而逐漸減小。伽師瓜作為瓜果的一種，微觀上分析，其內(nèi)部存在著大量帶電粒子，從而形成生物電場(chǎng)。生物電場(chǎng)的分布和強(qiáng)度會(huì)隨著伽師瓜的生長(zhǎng)、成熟、腐敗等生物化學(xué)變化中物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換而變化，宏觀上通過(guò)外界激勵(lì)下伽師瓜宏觀介電參數(shù)的變化來(lái)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，頻率變大時(shí)，測(cè)量信號(hào)的能量增強(qiáng)，伽師瓜對(duì)激勵(lì)的敏感性減弱，同時(shí)對(duì)帶電粒子的束縛能力變?nèi)?，電感和電容都逐漸減小。隨著測(cè)試頻率的增加，波長(zhǎng)逐漸變短，兩測(cè)量電極間約束在伽師瓜內(nèi)部的電磁波逐漸增多，導(dǎo)致伽師瓜的導(dǎo)電性能顯著增強(qiáng)，電阻逐漸減小。隨著電容、電阻和電感減小，耗散角正切值亦隨之減小。

表1 測(cè)試電壓分別為0. 1 V、0. 3 V和1. 0 V時(shí)的測(cè)試結(jié)果

圖1 當(dāng)測(cè)量電壓為0．1V時(shí)，測(cè)量頻率與伽師瓜的電學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系

2.3 伽師瓜的耗散角正切值和品質(zhì)因數(shù)與其平均糖度的關(guān)系

瓜果的平均糖度是衡量瓜果成熟度的一個(gè)重要指標(biāo)。國(guó)外主要依據(jù)瓜果的平均糖度對(duì)其進(jìn)行品質(zhì)分級(jí)，而不是依據(jù)瓜果的大小。因此研究伽師瓜平均糖度與耗散角正切值、品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系對(duì)研究伽師瓜的品質(zhì)具有重要意義。當(dāng)測(cè)試電壓為0. 1 V，頻率為10 KHz時(shí)，伽師瓜耗散角正切值與平均糖度的關(guān)系如圖2所示。耗散角正切值通常為材料的耗散因數(shù)與介電常數(shù)之比，它表示材料與微波的耦合能力，耗散角正切值越大，材料與微波的耦合能力就越強(qiáng)。從圖2可以看出，伽師瓜耗散角正切值隨著伽師瓜的平均糖度呈整體減小趨勢(shì)。但是，當(dāng)伽師瓜的平均糖度大于11%時(shí)，伽師瓜耗散角正切值出現(xiàn)震蕩。這主要是成熟后的伽師瓜，影響耗散角正切值的因素變多，比如伽師瓜之間的硬度梯度，糖度梯度，金屬離子的含量，大小和含水率等[16]。當(dāng)電壓一定時(shí)，耗散角正切值隨測(cè)量頻率的增大而減小，如圖1(c)所示。當(dāng)頻率增加時(shí)，耗散角正切值較小，也就是微波與伽師瓜的耦合能力減弱，這正好解釋電阻，電容和電感為什么也隨測(cè)量頻率的增加而減小。隨著測(cè)量頻率的增加微波與伽師瓜耦合能力減弱，其導(dǎo)電性就會(huì)大大增強(qiáng)，因此電阻和電感會(huì)減小，導(dǎo)電性增強(qiáng)，材料的儲(chǔ)能性能也就減小，導(dǎo)致電容也隨之減小。。

圖2 伽師瓜耗散角正切值與平均糖度的關(guān)系圖3 伽師瓜品質(zhì)因數(shù)與平均糖度的關(guān)系

品質(zhì)因數(shù)是衡量材料電磁學(xué)特性的又一個(gè)重要參數(shù)。品質(zhì)因數(shù)通常表示一個(gè)儲(chǔ)能器件、諧振電路中所儲(chǔ)能量與每周期損耗能量之比。從圖3給出的伽師瓜品質(zhì)因數(shù)與平均糖度的關(guān)系可以看出，伽師瓜品質(zhì)因數(shù)與平均糖度是非線性的，但隨著平均糖度的增大總體上呈增加趨勢(shì)。綜合圖2伽師瓜耗散角正切值與平均糖度的關(guān)系，可以得出這樣的結(jié)論：隨著伽師瓜平均糖度的增加，伽師瓜每周期損耗的能量減小的速度比所儲(chǔ)能量減小的速度快。

3 結(jié)論

在測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)試電壓對(duì)伽師瓜各項(xiàng)參數(shù)的影響均不顯著；各個(gè)電磁參數(shù)的變化主要依賴于測(cè)量頻率；在測(cè)試電壓下，樣品的電容、電感、損耗角正切值和電阻均隨著測(cè)量頻率的逐漸變大而變小。這種減小的主要原因是隨著測(cè)量頻率的增加，微波與伽師瓜的耦合能力減弱，從而導(dǎo)致其導(dǎo)電性增強(qiáng)，儲(chǔ)能性也隨之減弱。但從伽師瓜耗散角正切值、品質(zhì)因數(shù)與平糖度的關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，伽師瓜每周期損耗的能量減小的速度比所儲(chǔ)能量減小的速度快。由于伽師瓜耗散角正切值、品質(zhì)因數(shù)與平糖度呈非線性關(guān)系，所以不能將伽師瓜耗散角正切值與品質(zhì)因數(shù)作為衡量伽師瓜成熟度的重要參數(shù)。

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Experimental Study on the Electromagnetic Properties of JiaShi Melon

Liu Zhaoxia Tang Yurong Lan Haipeng Huang Xincheng Chu Heying*

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Tarim University, Alar, XinJiang 843300)

To explore the relationship between Jiashi melon electromagnetic characteristics and maturity, the electromagnetic characteristics of Jiashi melon were studied by different test frequency and voltage, and the Jiashi melon electromagnetic parameters change rules are analyzed. The results showed that the resistance, inductance, capacitance, loss tangent values of Jiashi melon with the test frequency gradually decreases at 27℃, 0.1-100.0kHz signal measurement range. Test voltage has little impact on inductance，capacitance and loss angle tangent value parameters of Jiashi melon. And discusses the relationship between Jiashi melon average sugar degree and dissipative angle tangent value and quality factor.

Jiashi melon; Electromagnetic properties; Quality factor

2014-06-30

劉朝霞(1981-)，女，講師，在讀博士，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工及檢測(cè)。 E-mail：124621423@qq.com

*為通訊作者 E-mail:37790811@qq.com

1009-0568(2015)01-0097-05

G237.5

A

10.3969/j.issn.1009-0568.2015.01.017