物料電特性檢測(cè)研究與應(yīng)用

辛倩倩+張學(xué)軍+鄢金山+靳偉+宋玲

摘要：介紹目前國(guó)內(nèi)外常用的電特性測(cè)量技術(shù)，以及其測(cè)量系統(tǒng)組成、優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍等，按相關(guān)研究領(lǐng)域列舉物料電特性的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出電特性技術(shù)研究的重點(diǎn)和方向，為物料電特性檢測(cè)技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞 ：電特性；測(cè)量技術(shù)；應(yīng)用；趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：S125 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2017）07-0028-03

物料的導(dǎo)電特性和介電特性統(tǒng)稱為電特性，其中介電特性是指分子中的束縛電荷對(duì)外加電場(chǎng)的響應(yīng)特性。因內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)、成分不同，導(dǎo)致物料組織內(nèi)部含有大量等效中心不重合、帶一定間距的極性分子，在電場(chǎng)的作用下表現(xiàn)出不同電特性，成為一種介于導(dǎo)體及絕緣體間的電介質(zhì)。在外電場(chǎng)作用下，測(cè)量系統(tǒng)能夠測(cè)量物料的電特性，包括電容率、電導(dǎo)率、介電損耗、電流密度等。

1 介電測(cè)量技術(shù)概述

在測(cè)定電特性參數(shù)時(shí)，需要將測(cè)試物料等價(jià)轉(zhuǎn)換為電學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示。等效電路模型由1個(gè)電容和3個(gè)電阻構(gòu)成。

1.1 平行極板技術(shù)

平行極板技術(shù)又稱電容器技術(shù)，其利用電介質(zhì)填充在電容器中電容容量的變化，測(cè)定物料樣品的電特性。測(cè)量系統(tǒng)由LCR電橋測(cè)量?jī)x、平行極板、物料樣品、計(jì)算機(jī)等組成。此法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量原理簡(jiǎn)單、測(cè)量?jī)x器成本較低、精度較高；缺點(diǎn)是測(cè)量頻率范圍較窄、要求物料樣品為平板型，多適用于平板型固體材料的介電特性測(cè)量。

1.2 同軸探頭技術(shù)

終端開路的同軸探頭與物料接觸，根據(jù)測(cè)試條件反饋到分析儀器的信號(hào)幅值和相位來(lái)計(jì)算物料的電參數(shù)和頻率的關(guān)系。測(cè)量系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)分析儀、測(cè)試探頭、測(cè)試軟件和計(jì)算機(jī)組成。此法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便、精確度高；缺點(diǎn)是對(duì)物料樣品的要求比較嚴(yán)格：非磁性，各向同性且同質(zhì)，厚度大于1 cm，且截面應(yīng)較大。此法適用于寬頻帶范圍內(nèi)的物料檢測(cè)。

1.3 傳輸線技術(shù)

將物料放在密閉傳輸線中，通過(guò)線路負(fù)載引起的阻抗和傳輸特性變化來(lái)檢測(cè)電特性參數(shù)。測(cè)量系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、計(jì)算機(jī)、測(cè)試軟件組成。此法的優(yōu)點(diǎn)是精度比較高，缺點(diǎn)是物料樣品制備比較麻煩，要求樣品斷面形狀與傳輸線的斷面形狀一致，適用于較窄頻率范圍檢測(cè)。

1.4 自由空間技術(shù)

通過(guò)天線將網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射的微波聚焦或通過(guò)物料樣品得到反射和傳輸系數(shù)，并由此計(jì)算樣品的電參數(shù)。測(cè)量系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)分析儀、發(fā)射和接受天線、軟件和計(jì)算機(jī)組成。優(yōu)點(diǎn)是非接觸，實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)；缺點(diǎn)是校準(zhǔn)儀器比較麻煩，并要求物料樣品為大平面薄板型，適用于高溫或惡劣環(huán)境下電參數(shù)測(cè)量。

1.5 諧振腔技術(shù)

在一定頻率下發(fā)生諧振迅速測(cè)量中心頻率和品質(zhì)因子，并通過(guò)計(jì)算得到一定頻率下的介電常數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)分析儀、諧振腔、軟件和計(jì)算機(jī)組成。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高且不需要校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀，物料制備簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是要求物料為低損耗、小體積，且僅能在一個(gè)或幾個(gè)頻率下測(cè)量，分析較為繁瑣，適用于高溫或低溫環(huán)境測(cè)量。

2 電特性應(yīng)用領(lǐng)域

關(guān)于物質(zhì)電特性的研究已獲諸多成果，應(yīng)用研究領(lǐng)域也非常廣泛，在滅菌滅蟲、清選分級(jí)、無(wú)損檢測(cè)、貯藏、加工、保鮮、土壤干旱檢測(cè)等領(lǐng)域均有應(yīng)用。

2.1 農(nóng)產(chǎn)品加工過(guò)程在線監(jiān)測(cè)

研究表明，介電特性檢測(cè)可用于發(fā)酵過(guò)程中的活菌數(shù)等生物量檢測(cè)、果蔬貯藏和分級(jí)過(guò)程檢測(cè)、調(diào)理食品加工過(guò)程檢測(cè)、食用油品質(zhì)及油炸過(guò)程檢測(cè)，干燥過(guò)程檢測(cè)、魚品質(zhì)和凍結(jié)魚體冷凍粉碎解凍等加工工藝檢測(cè)。

羽倉(cāng)義雄利用介電特性在線檢測(cè)干燥加工過(guò)程中的產(chǎn)品含水量。秦文等研究發(fā)現(xiàn)，在溫度60 ℃下熱風(fēng)干燥新鮮蔬菜，水分含量隨干燥時(shí)間增加而下降，電容值變化趨勢(shì)與水分變化相同，兩者存在極顯著的線性相關(guān)性。Ryszard Z等利用電特性參數(shù)值電容、電導(dǎo)、阻抗和電阻等檢測(cè)蘋果汁的濃度和品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程在線監(jiān)控。

2.2 種子清選分選

介電特性與籽粒中的化學(xué)成分、生物質(zhì)有密切聯(lián)系，故可利用不同籽粒間的介電特性（導(dǎo)電性、電介質(zhì)參透性、極化程度等）進(jìn)行種子分選。與傳統(tǒng)的機(jī)械分選相比，這種方法能分選出成熟度好、發(fā)芽率高、活力強(qiáng)的的優(yōu)異種子。

Briggs等在20世紀(jì)初研究發(fā)現(xiàn)，水分含量與介電參數(shù)之間存在相關(guān)性，提出通過(guò)測(cè)量小麥種子電阻來(lái)獲得水分含量。王慶惠等研制一種介電式種子分選機(jī)，通過(guò)對(duì)油白菜和苜蓿等小顆粒種子進(jìn)行試驗(yàn)，得出以分選電壓和滾筒轉(zhuǎn)速為分選因素的回歸方程和分選參數(shù)。

2.3 谷物含水率測(cè)定

國(guó)內(nèi)外大量研究文獻(xiàn)報(bào)道，可以通過(guò)檢測(cè)介電特性來(lái)確定糧食谷物含水率，其中谷物濕度電測(cè)法是最具代表性的應(yīng)用之一。目前，基于介電特性已成功研制出谷物水分快速測(cè)定儀，用以實(shí)現(xiàn)谷物干燥過(guò)程中的溫度濕度測(cè)量，其簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，方便谷物收購(gòu)、貯藏等。

程衛(wèi)東采用同心圓式電容傳感器對(duì)谷物干燥設(shè)備進(jìn)行在線水分測(cè)量及控制，建立定流量條件下谷物水分與電容傳感器振蕩頻率、谷物溫度相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。徐保江等根據(jù)物料含水率對(duì)介電常數(shù)的影響，得出物料介電特性與含水率之間的函數(shù)關(guān)系主要與物料品種有關(guān)的結(jié)論，并提出簡(jiǎn)便測(cè)定水稻、玉米和大豆3種物料含水率的方法。

2.4 果蔬內(nèi)部品質(zhì)測(cè)定

果蔬品質(zhì)（含水率、新鮮度，成熟度、損傷程度、含糖量，酸度，硬度等）會(huì)對(duì)介電特性產(chǎn)生直接或者間接影響，所以可以將介電特性應(yīng)用于果蔬品質(zhì)檢測(cè)與識(shí)別。研究表明，含水率是果蔬分級(jí)篩選、貯藏加工中的重要參數(shù)。

Nelson等開展關(guān)于果蔬介電特性的研究，奠定了介電檢測(cè)果蔬品質(zhì)的試驗(yàn)基礎(chǔ)。Tulasidas等通過(guò)試驗(yàn)得出以含水率和溫度為變量的葡萄的介電參數(shù)模型。Wen Qin利用葉類蔬菜水分含量、色澤、硬度等指標(biāo)與介電常數(shù)的相關(guān)性，建立新鮮度與介電參數(shù)相關(guān)性模型。

2.5 土壤干旱監(jiān)測(cè)endprint

微波遙感在土壤水分監(jiān)測(cè)中具有某些獨(dú)特的優(yōu)越性，其原理是土壤介電特性與水分含量的密切關(guān)系。水的介電常數(shù)在常溫下約為81，而干土的介電常數(shù)僅為3，且其介電常數(shù)隨土壤濕度變化而變化。

馬孝義用介電法測(cè)量土壤容重、化學(xué)成份、質(zhì)地及其溫度變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，用介電法測(cè)量土壤水分是一種適應(yīng)面廣、精度較高的方法。田國(guó)良在對(duì)比分析幾種遙感土壤濕度方法后，認(rèn)為微波遙感可解決遙感土壤濕度問(wèn)題。陳權(quán)等針對(duì)土壤介電常數(shù)到土壤水分之間的轉(zhuǎn)換開展研究，并建立了適于微波輻射計(jì)和微波散射計(jì)監(jiān)測(cè)的介電常數(shù)與土壤體積含水率轉(zhuǎn)換的簡(jiǎn)化模型，具有良好的精度和實(shí)用性。

2.6 殺菌、消毒及識(shí)別蟲害

用微波對(duì)食品（如常見的牛奶）殺菌消毒，可大大減少細(xì)菌和大腸桿菌的數(shù)量，使其達(dá)到國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。與此同時(shí)，牛奶的營(yíng)養(yǎng)成分不受任何影響，產(chǎn)品穩(wěn)定性提高，能更好地被人體吸收。微波處理食品有升溫快、殺菌效果好、作用時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

陳新生利用微波對(duì)魚丸、醬油、香腸等食品物料進(jìn)行電特性和含水量測(cè)量，確定殺菌時(shí)間、功率密度等工藝參數(shù)，得到食品物料的介電機(jī)理和微波場(chǎng)升溫理論模型，證實(shí)微波對(duì)食品滅菌有一定的非熱作用。

2.7 食品無(wú)損傷檢測(cè)

食品的組織、成分、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等與電特性有密切關(guān)系，研究食品電特性的目的是對(duì)食品的成分、組織、狀態(tài)等品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

加藤宏朗對(duì)果品的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在100 Hz～100 kHz頻段內(nèi)，隨著蘋果新鮮度降低，果肉阻抗趨于增加，相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)下降，由此研制出最早的真正意義上的介電特性果蔬無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。

2.8 微波診斷

腫瘤和周圍組織有很明顯的差異，且皮下組織的電特性變化能夠通過(guò)測(cè)量微波反射系數(shù)反應(yīng)出來(lái)，這奠定了微波診斷腫瘤的物理基礎(chǔ)和可行性。

利用多層生物組織對(duì)微波的反射特性，用開口矩形波導(dǎo)探頭作為傳感器和人體直接接觸，然后用微波反射系數(shù)來(lái)體現(xiàn)人體組織的電特性變化，通常由網(wǎng)絡(luò)分析儀或六端口反射計(jì)測(cè)定。探頭在近場(chǎng)區(qū)域與人體組織相互作用，此時(shí)可根據(jù)反射系數(shù)確定腫瘤的大小和深淺。

3 電特性技術(shù)研究展望

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)農(nóng)產(chǎn)品、農(nóng)作物及食品的電特性研究深度和廣度取得較大進(jìn)展，但因儀器和電特性的影響因素多而導(dǎo)致生產(chǎn)應(yīng)用方面成果較少。

3.1 研究?jī)?nèi)容

從物料單一參數(shù)測(cè)量發(fā)展為聯(lián)合多參數(shù)測(cè)量，以便共同反映物料綜合內(nèi)部品質(zhì)。比如開展?fàn)I養(yǎng)成分、含糖量、含酸度、新鮮度、可溶性固形物等內(nèi)部品質(zhì)與電特性的關(guān)系研究，并分析其影響機(jī)理。

3.2 測(cè)試方法

將電特性檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中（如在線長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)檢測(cè)方面），研究簡(jiǎn)單、精確、成本低廉、便攜式和在線連續(xù)應(yīng)用的檢測(cè)技術(shù)，取得國(guó)際社會(huì)和優(yōu)秀同行認(rèn)可的研究成果，用于現(xiàn)實(shí)檢測(cè)。

3.3 應(yīng)用開發(fā)

相關(guān)文獻(xiàn)大多研究糧食作物和主要水果的電特性，且測(cè)試層面的研究成果居多，實(shí)際轉(zhuǎn)化為開發(fā)設(shè)備的成果較少。因此，今后的研究重點(diǎn)應(yīng)為成果轉(zhuǎn)化，使之成為真正造福社會(huì)的生產(chǎn)力。探索與交叉學(xué)科的合作，將計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)和圖像處理技術(shù)應(yīng)用于電特性檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1] RYSZARD SZWABA， PIOTR KACZYNSKI， PIOTR DOERFFER， et al. Flow structure and heat exchange analysis in internal cooling channel of gas turbine blade[J]. Journal of Thermal Science，2016，25（4）：336-341.

[2] 陳權(quán)，曾江源，李震，等.遙感監(jiān)測(cè)介電常數(shù)與土壤含水率關(guān)系模型[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（12）：171-175.

[3]王偉，郭文川，王川.可充電一體式糧食含水率檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究， 2016（9）：161-164.

[4] 郭文川.梨生長(zhǎng)發(fā)育后期介電特性—生理特性和內(nèi)部品質(zhì)的關(guān)系[J].現(xiàn)代食品科技， 2015， 31（11）： 56-61.

Abstract： This paper introduced electrical characteristics measurement techniques commonly used at our country and abroad at present， and the measurement system composition， the advantages and disadvantages and applicable scope， etc. According to the application status of material electrical characteristics listed in the related research field， it put forward the focus and direction of electrical characteristics research in the future， in order to provide reference for the development of material electrical characteristics detection.

Key words： electrical characteristics； measurement technique； application； trendendprint