基于介電特性小粒咖啡含水率的檢測研究

于啟洋，張付杰，楊 薇

（昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南昆明 650500）

基于介電特性小?？Х群实臋z測研究

于啟洋，*張付杰，楊 薇

（昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南昆明 650500）

為了研究帶殼咖啡豆介電特性與含水率之間的關(guān)系，利用LCR測試儀研究頻率信號(hào)（1～1 000 kHz）、溫度（20～45℃）和含水率（11.18%～43.69%）對帶殼咖啡豆介電特性的影響。結(jié)果表明，在1～1 000 kHz頻段內(nèi)，相對介電常數(shù)（ε'）隨著頻率的增大單調(diào)減小，卻隨著含水率的升高而增大；溫度對相對介電常數(shù)（ε'）基本沒有影響，介質(zhì)損耗因數(shù)（ε''）隨頻率增大先遞減后增大；當(dāng)溫度和含水率升高，介質(zhì)損耗因數(shù)（ε''）呈增大趨勢。在500 kHz下建立相對介電常數(shù)（ε'）預(yù)測帶殼咖啡豆含水率（W，%）的模型，該模型R2=0.987 5；制作了20個(gè)樣本，將測量值與模型計(jì)算值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其絕對誤差范圍為-3.07%～2.47%，說明所建立的模型可行。此項(xiàng)研究對了解帶殼咖啡豆的介電特性，以及開發(fā)帶殼咖啡豆含水率檢測儀有一定的指導(dǎo)意義。

帶殼咖啡豆；含水率；介電特性

咖啡是特色熱帶農(nóng)產(chǎn)品，也是世界貿(mào)易中最重要的農(nóng)產(chǎn)品之一。我國的小?？Х戎饕谠颇?、廣西、貴州等地種植，云南是我國最大的小?？Х确N植、烘焙咖啡豆生產(chǎn)和初制加工的基地，促進(jìn)了我國咖啡產(chǎn)業(yè)的積極發(fā)展[1]。帶殼咖啡豆是咖啡加工過程的中間產(chǎn)品，其含水率直接影響咖啡豆品質(zhì)。含水率是影響咖啡豆在收購、加工、貯存過程中的重要因素，當(dāng)含水率超過13%時(shí)，會(huì)引起咖啡豆的霉?fàn)€[2]等問題。所以，帶殼咖啡豆含水率范圍應(yīng)控制為11%～13%[3]。目前，農(nóng)業(yè)物料含水率的測定方法主要有干燥稱重法、紅外加熱法、中子法、聲學(xué)法、微波加熱法和核磁共振法等[4]。但是，上述方法存在耗費(fèi)時(shí)間過長、檢測費(fèi)用過高、儀器設(shè)備昂貴等問題。因此，國內(nèi)外學(xué)者開始對糧食的介電特性進(jìn)行研究[5-7]，并通過基礎(chǔ)研究設(shè)計(jì)了一系列電容式或電阻式的糧食含水率檢測儀器[8-9]。例如，國內(nèi)學(xué)者郭文川、陳育中等人[10-11]開發(fā)了基于平行極板技術(shù)的小雜糧、大豆等農(nóng)作物的含水率測試儀，楊薇等人[12]對三七粉的介電特性進(jìn)行了研究，劉海滄等人[13]設(shè)計(jì)了數(shù)字式油品傳感器。基于農(nóng)產(chǎn)品介電特性的含水率檢測方法成本低、速度快的特點(diǎn)，可以在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測，因此基于介電特性的研究在農(nóng)業(yè)方面得到了廣泛關(guān)注。

國內(nèi)外對小?？Х群驶诮殡娞匦缘臋z測研究較少，目前檢測小?？Х群手饕揽哭r(nóng)戶的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，缺少用于檢測小?？Х群实臏y試儀。為此，試驗(yàn)以小粒咖啡（帶殼） 為研究對象，利用LCR測試儀測量頻率信號(hào)（1～1 000 kHz）、溫度（20～45℃）和含水率（11.18%～43.69%）對小?？Х冉殡妳?shù)的影響；在500 kHz下建立相對介電常數(shù)（ε'） 預(yù)測帶殼咖啡豆含水率（W，%） 的模型，驗(yàn)證模型的可靠性，以期為開發(fā)小?？Х群蕼y試提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮咖啡豆，采購于云南省保山市，在實(shí)驗(yàn)室對新鮮咖啡豆進(jìn)行去皮、脫膠處理，得到試驗(yàn)所用材料。

帶殼咖啡豆的初始含水率為57.82%（濕基）。

1.2 樣品制備

用電子天平稱取1份約600 g帶殼咖啡豆樣品，置于電熱干燥箱內(nèi)，依次干燥4，3，2，4，5 h，經(jīng)計(jì)算得到試驗(yàn)樣品的對應(yīng)含水率依次為43.69%，35.39%，28.18%，19.47%，11.18%。

1.3 測量方法

1.3.1 含水率

試驗(yàn)參照國標(biāo)GB/T 5009.3—2010對試驗(yàn)樣品進(jìn)行含水率測量。

1.3.2 介電參數(shù)

介電參數(shù)測量系統(tǒng)由LCR測試儀（TH2827型，常州同惠，測量精度0.1%），同心圓式電容器（自制）測得。同心圓式電容器由2個(gè)高為55 mm，厚度為3 mm，外筒內(nèi)徑為50 mm，內(nèi)筒外徑為28 mm的銅管組成；分別將2個(gè)空心銅管固定在絕緣板上，使銅管間隙保持一致，空心銅管成為電容器的極板，保證極板高度遠(yuǎn)大于極板間距，避免電場的邊緣效應(yīng)。測量前對儀器進(jìn)行開路和短路校正，預(yù)熱儀器30 min。

1.4 測量步驟

將預(yù)熱完成的電容器連接LCR測試儀，在1～1 000 kHz頻段內(nèi)選取不同的26個(gè)頻率測量點(diǎn)，測量裝置的電容。將不同含水率（11.18%～43.69%）的帶殼咖啡豆通過自由落體和振動(dòng)方式將同心圓式電容器裝滿，測量電容器電容，記錄輸出電容和損耗角正切。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)論[14]，容積密度對介電特性的影響很小，因此試驗(yàn)不考慮容積密度對介電特性的影響。將裝有帶殼咖啡豆的容器裝入恒溫水浴箱中，利用紅外溫度測試儀測量帶殼咖啡豆表面的溫度，數(shù)字溫度計(jì)測量帶殼咖啡豆內(nèi)部的溫度，以保證內(nèi)外溫度一致。當(dāng)樣品溫度達(dá)到20，25，30，35，40，45℃定值時(shí)，測量電容值和損耗角正切，每個(gè)樣品在每個(gè)溫度下測量3次，取其平均值作為測試結(jié)果，計(jì)算樣品的相對介電常數(shù)（ε'）和介質(zhì)損耗因數(shù)（ε''）。

2 結(jié)果與分析

2.1 頻率對介電參數(shù)的影響

不同含水率下頻率對帶殼咖啡豆介電參數(shù)的影響（25℃）見圖1。

圖1 不同含水率下頻率對帶殼咖啡豆介電參數(shù)的影響（25℃）

由圖1（a） 可知，當(dāng)頻率信號(hào)在1～1 000 kHz內(nèi)，帶殼咖啡豆的相對介電常數(shù)（ε'）隨頻率的增大而減小，＜10 kHz；在不同含水率（W，%）下，（ε'）下降比較明顯；隨著頻率增大，ε'下降比較平緩；同一頻率下，含水率越高ε'越大。ε'的變化主要是由于非均勻混合物中的偶極子與離子的極化和Maxwell-Wagner效應(yīng)造成[6，15]。低頻時(shí)，ε'和總電容量增大，由于物料電荷的積累，偶極子的取向極化與其振動(dòng)速度由頻率變化引起的，頻率持續(xù)增大會(huì)導(dǎo)致電場的變化超過偶極子的振動(dòng)速度，因此偶極子的取向極化會(huì)隨著頻率變化逐漸停止，導(dǎo)致ε'的減小[16]。

由圖1（b） 可知，當(dāng)頻率信號(hào)在1～1 000 kHz內(nèi)，帶殼咖啡豆的介質(zhì)損耗因數(shù)（ε''）隨頻率的增大先減小后增大。由介質(zhì)極化理論可知，低頻電場下會(huì)發(fā)生表面極化現(xiàn)象[15]。而離子的電導(dǎo)性是引起ε''隨頻率增大而減小的主要原因[17]。頻率在 1～10 kHz時(shí)，主要由離子導(dǎo)電性引起，ε''隨頻率增大而減??；頻率在10～100 kHz時(shí)，分子固有電矩的轉(zhuǎn)向極化已經(jīng)完成基本不作響應(yīng)；頻率在100～1 000 kHz時(shí)，偶極子的極化起主導(dǎo)作用，成為介電損耗變化的原因，此時(shí)ε''的變化隨含水率的升高而增大[18]。

2.2 不同溫度下含水率對帶殼咖啡豆介電參數(shù)的影響

根據(jù)查閱文獻(xiàn)可以得知，農(nóng)產(chǎn)品的含水率是影響介電參數(shù)的主要因素之一[19-21]。

不同溫度下含水率對帶殼咖啡豆介電參數(shù)的影響（500 kHz）見圖2。

圖2 不同溫度下含水率對帶殼咖啡豆介電參數(shù)的影響（500 kHz）

由圖2可知，測量頻率在500 kHz時(shí)，當(dāng)溫度相同時(shí)，帶殼咖啡豆的相對介電常數(shù)（ε'）和介質(zhì)損耗因數(shù)（ε''）隨含水率升高而增大；由圖2（b）也可知，含水率＞28.18%時(shí)介質(zhì)損耗增大較明顯。這是因?yàn)樗且环N極性分子，也是影響ε'和ε''的主要因素。隨含水率的升高導(dǎo)致物料內(nèi)部整體代謝的速度加快，使內(nèi)部離子活動(dòng)增強(qiáng)，這將引起帶殼咖啡豆的ε'和ε''均表現(xiàn)出增大的趨勢[22]。

2.3 不同含水率溫度對帶殼咖啡豆介電參數(shù)的影響

不同含水率下溫度對帶殼咖啡豆介電參數(shù)的影響（500 kHz）見圖3。

圖3 不同含水率下溫度對帶殼咖啡豆介電參數(shù)的影響（500 kHz）

圖3（a）為測量頻率500 kHz時(shí)，溫度對帶殼咖啡豆相對介電常數(shù)（ε'）的影響。關(guān)于溫度對農(nóng)產(chǎn)品介電常數(shù)的影響，不同的研究物料得到不同的結(jié)論，有研究豬肉的ε'隨溫度的變化比較復(fù)雜，介電常數(shù)和溫度在一定頻率下有較好的相關(guān)性[23]；也有研究小麥和豆類的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系，小麥和豆類的介電常數(shù)隨溫度升高而增大[24]。農(nóng)產(chǎn)品介電常數(shù)的變化，是溫度、含水率和頻率共同作用的結(jié)果[25]。圖3所示溫度對帶殼咖啡豆的ε'影響較小，與文獻(xiàn)[23-24]有一定的差別，造成這種現(xiàn)象的原因主要是試驗(yàn)所用物料與文獻(xiàn)報(bào)道中不同。

圖3（b）為測量頻率500 kHz時(shí)，介質(zhì)損耗因數(shù)（ε''） 隨著溫度的升高呈遞增趨勢，當(dāng)含水率＞35.39%時(shí)ε''增大明顯；在同一溫度下，含水率越高ε''增長比較明顯。根據(jù)電介質(zhì)理論可知，低頻范圍內(nèi)，偶極子的取向極化能力增強(qiáng)由溫度升高引起，可是電場的變化超前偶極子的取向極化速度，因此會(huì)消耗較多的能量，同時(shí)溫度升高會(huì)促進(jìn)水分子的極化擴(kuò)散和離子的導(dǎo)電性，溫度升高會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)損耗逐漸增大[11]。

2.4 不同含水率和溫度對帶殼咖啡豆介電參數(shù)的綜合影響

500 kHz下不同含水率和溫度對帶殼咖啡豆介電參數(shù)的綜合影響見圖4。

由圖4（a）可知，在此頻率下，含水率一定時(shí)溫度對帶殼咖啡豆相對介電參數(shù)（ε'）的影響基本不變；當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著含水率升高而增大。由圖4（b）可知，在此頻率下，含水率一定時(shí)隨溫度升高而增大；當(dāng)溫度一定時(shí)，介質(zhì)損耗因數(shù)（ε''） 隨含水率增大而增大。受含水率和溫度的共同影響，在溫度45℃和含水率43.69%下，達(dá)到最大值。

圖4 500 kHz下不同含水率和溫度對帶殼咖啡豆介電參數(shù)的綜合影響

3 含水率模型的建立

3.1 回歸方程的建立

不同頻率下ε'與W（%）模型的相關(guān)系數(shù)見表1。

表1 不同頻率下ε'與W（%）模型的相關(guān)系數(shù)

由表1可知，溫度T（20～45℃）對帶殼咖啡豆的相對介電常數(shù)（ε'）基本沒有影響，帶殼咖啡豆的含水率W與相對介電常數(shù)（ε''）之間有明確的相關(guān)性。為了在實(shí)際應(yīng)用時(shí)能夠預(yù)測帶殼咖啡豆的含水率，本文利用軟件Design Expert.8.0.6對帶殼咖啡豆試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸方程的擬合，在頻率2，5，10，50，100，500 kHz下建立相對介電常數(shù)（ε'）對含水率W（%）的預(yù)測模型，計(jì)算不同頻率下預(yù)測模型的相關(guān)系數(shù)。

同時(shí)在頻率2，5，10，50，100，500 kHz下建立介質(zhì)損耗因數(shù)（ε''）對溫度T、介質(zhì)損耗因數(shù)（ε''）對含水率W（%）的預(yù)測模型，計(jì)算不同頻率下模型的相關(guān)系數(shù)。

不同頻率下ε''與T、W（%）模型的相關(guān)系數(shù)見表2。

表2 不同頻率下ε''與T、W（%）模型的相關(guān)系數(shù)

由表1可知，在頻率500 kHz下相關(guān)系數(shù)R2最高。由表2可知，在頻率500 kHz下相關(guān)系數(shù)R2最高。比較表1和表2可知，在頻率500 kHz下，相對介電常數(shù)（ε'）對含水率W（%）相關(guān)系數(shù)R2最高，利用Design Expert.8.0.6對帶殼咖啡豆試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸方程的擬合，得到相對介電常數(shù)ε'對含水率W（%）的回歸方程模型：

W=-135.38+144.83ε'-28.9（ε'）2（R2=0.987 5）.

方程回歸模型方差分析見表3。

表3 方程回歸模型方差分析

由表3可知，方程中和2的p值均＜0.000 1，模型的p值＜0.000 1，說明模型具有極顯著性，得到最佳預(yù)測方程。

3.2 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證帶殼咖啡豆含水率預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，對500 kHz含水率模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。在含水率10%～50%范圍內(nèi)得到20個(gè)樣本，將測得的相對介電常數(shù)帶入預(yù)測方程，得到含水率計(jì)算值，并將其與含水率實(shí)際測量值進(jìn)行比較。

帶殼咖啡豆測量含水率與計(jì)算值的關(guān)系見圖5。

圖5 帶殼咖啡豆測量含水率與計(jì)算值的關(guān)系

由圖5可知，計(jì)算含水率相對于測量含水率的點(diǎn)均勻地分散在45°線的周圍，反映計(jì)算含水率與測量含水率的差距不大。相對于測量含水率，計(jì)算含水率的絕對誤差為-3.07%～2.47%，平均絕對誤差為1.7%，說明在500 kHz下建立的模型可以很好描述帶殼咖啡豆含水率與相對介電常數(shù)之間的關(guān)系。

4 結(jié)論

（1）在測量頻率1～1 000 kHz內(nèi)，帶殼咖啡豆的相對介電常數(shù)與頻率及含水率有較明顯的相關(guān)性，隨頻率的增大而減小，隨含水率增大而增大，隨溫度升高基本不變；介質(zhì)損耗因數(shù)與頻率、溫度以及含水率有明顯的相關(guān)性，隨頻率的增大先減小后增大，隨溫度升高和含水率升高而增大。

（2）建立帶殼咖啡豆在500 kHz頻率下相對介電常數(shù)對含水率的預(yù)測方程。結(jié)果表明，在500 kHz下，模型的計(jì)算含水率與測量含水率絕對誤差為-3.07%～2.47%，平均絕對誤差為1.7%。說明帶殼咖啡豆含水率的檢測可以通過測定500 kHz時(shí)的相對介電常數(shù)，由方程計(jì)算得到。該結(jié)論為基于介電特性帶殼咖啡豆含水率檢測儀的開發(fā)提供了理論依據(jù)。參考文獻(xiàn)：

[1]胡路．云南咖啡產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究 [D]．昆明：云南大學(xué)工商管理與旅游管理學(xué)院，2014.

[2]郝曉莉，張本華，孟淑潔，等．介電特性在糧食含水率檢測中的應(yīng)用研究 [J]．農(nóng)機(jī)化研究，2006，28（2）：121－131.

[3]方衛(wèi)山，牛憲偉，霍星光，等．云南小粒種咖啡豆精制加工工藝 [J]．農(nóng)產(chǎn)品加工（學(xué)刊），2009（10）：116－118

[4]秦文，張惠，鄧伯勛，等．部分農(nóng)產(chǎn)品水分含量與其介電常數(shù)關(guān)系模型的建立 [J]．中國食品學(xué)報(bào)，2008，8（3）：62－67.

[5]Ahmed J，Ramaswamy H S，Raghavan G S V，et al. Dielectric properties of soybean protein isolate dispersions as a function of concentration，temperature and pH[J].LWTFood Science and Technology，2008，41（1）：71－81.

[6]Kamil S，Ahmet C.Determination of dielectric properties of corn seeds from 1 to 100 MHz[J].Powder Technology，2010，203（2）：365－370.

[7]羅承銘，師帥兵．電容法糧食物料含水率與介電常數(shù)關(guān)系研究 [J]．農(nóng)機(jī)化研究，2011，33（4）：149－151.

[8]張永超，吳才章．基于多傳感器信息融合技術(shù)的糧食水分測定儀 [J]．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29（4）：66－69.

[9]付鶴翔，張利鳳，郭文川．電容式糧食含水率測量儀的設(shè)計(jì) [J]．農(nóng)機(jī)化研究，2011，33（11）：131－134.

[10]郭文川，劉馳，楊軍．小麥秸稈含水率測量儀的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) [J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（1）：33-40.

[11]陳育中．基于電容式傳感器的水分測試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]．制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（24）：84-87.

[12]楊薇，尹青劍，張付杰，等.基于介電特性的三七粉含水率檢測與建模 [J]．昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，41（4）：86-92.

[13]劉海滄，滕召勝，劉靜波，等.基于AD7745的數(shù)字式油品檢測傳感器設(shè)計(jì) [J]．傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（9）：95-101.

[14]鄧業(yè)勝．食用豆類介電特性研究 [D]．咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，2011.

[15]Wang S，Monzon M，Johson J A，et al．Industrial-scale radio frequency treatments for insect control in walnuts: heating uniformity and energy efficiency[J].Postharvest Biology and Technology，2007，45（2）：240-246.

[16]王婧．小雜糧的介電特性與主要影響因素的關(guān)系研究[D]．咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

[17]K Sacilik，C Tarimci，A Colak.Dielectric properties of flaxseeds as affected by moisture content and bulk density in the radio frequency range[J].Biosystems Engineering，2006，93（2）：153-160.

[18]郭文川，張鵬，宋克鑫，等．壤土介電特性與水分檢測頻率及溫度影響 [J]．排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，31（8）：713－718.

[19]郭文川，王婧，朱新華．基于介電特性的燕麥含水率預(yù)測 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（24）：272－279.

[20]劉志壯，呂貴勇．基于電容法的稻谷含水率檢測 [J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（7）：179－182.

[21]郭文川，王婧，劉馳．基于介電特性的薏米含水率檢測方法 [J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（3）：113-117.

[22]宋春芳，桑田，王燕，等．基于微波干燥的江南年糕介電特性的研究 [J]．現(xiàn)代食品科技，2015，31（11）：177－183.

[23]谷洪超．豬肉的介電特性 [D]．咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，2009.

[24]Nelson S O，Trabelsi S.Dielectric spectroscopy of wheat from 10 MHz to 1.8 GHz[J].Measurement Science and Technology，2006，17：2 294-2 298.

[25]靳志強(qiáng)，王順喜，韓培．頻率、溫度和含水率對玉米介電性能的影響 [J]．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，16（4）：141-147.◇

Predicating Moisture Content of Coffee Beans Based on Dielectric Properties

YU Qiyang，*ZHANG Fujie，YANG Wei
（Faculty of Modern Agricultural Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan 650500，China）

Coffee beans is used to study the influence of frequency（1～1 000 kHz），temperature（20～45℃） and moisture content（11.18%～43.69%） on the dielectric properties in the LCR measuring meter and after that the paper will analyze the reason for dielectric constant and loss factor changed with these factors.The results show that when the frequency is between 1 and 1 000 kHz，the dielectric constant（ε'） decreases with the increase of the frequency，and increases with the increase of water content.The dielectric constant（ε'） remains constant with the increase of temperature.The loss factor（ε''）decreases and then increases with the increase of frequency.The loss factor（ε''） increases with the increase of temperature and moisture content.The prediction equation of the moisture content establish based on relative dielectric constant（ε'） for the sample under the 500 kHz.And the most suitable coefficients of determination is 0.987 5.20 samples are used to compare the measured values and calculated values of moisture content，it shows that the absolute errors of predicated moisture contents of coffee beans based on dielectric properties at 500 kHz is within-3.07%～2.47%.The study is helpful to understand the dielectric properties of coffee beans,and is instructive to develop moisture sensor for coffee beans.

coffee beans；moisture content；dielectric properties

S24

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.12.010

1671-9646（2016）12a-0034-05

2016-09-02

于啟洋（1989— ），男，在讀碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)智能裝備。

*通訊作者：張付杰（1977— ），男，博士，講師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)智能裝備。