基于介電特性在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無損檢測(cè)中的應(yīng)用研究

李 博 ， 李傳峰 ，任松偉 ，馬 博

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾 843300）

無損檢測(cè)（Nondestructive Determination Technology，NDT），是一種以不破壞被檢測(cè)物料檢測(cè)其品質(zhì)的方法。運(yùn)用物理學(xué)方法，被測(cè)物料受到從外部環(huán)境中給的一個(gè)激勵(lì)能量，受外界環(huán)境的能量激勵(lì)時(shí)，會(huì)得到一個(gè)反應(yīng)物料理化特征的輸入和輸出能量參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，從而可得出反應(yīng)被測(cè)物料的物理、化學(xué)特性的特定參數(shù)，以此可以完成對(duì)物料品質(zhì)進(jìn)行有效的檢驗(yàn)，作為評(píng)價(jià)物料的理化特性新的檢測(cè)技術(shù)[1]。

農(nóng)產(chǎn)品在貯藏與加工過程中會(huì)發(fā)生各種化學(xué)變化（含水率、糖含量、有機(jī)酸含量等變化） 和物理變化（硬度、形態(tài)、顏色等變化），最終會(huì)導(dǎo)致其品質(zhì)的下降，減少了農(nóng)民的收入。通過運(yùn)用這種最新的檢測(cè)技術(shù)來精確控制農(nóng)產(chǎn)品加工和貯藏的理化特性，使農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)到最佳。因此，研究利用介電特性檢測(cè)的最新技術(shù)將成為今后發(fā)展的重要研究方向[2]。

1 農(nóng)產(chǎn)品的介電特性

農(nóng)產(chǎn)品物料在微觀上作為不均勻的電介質(zhì)，隨著農(nóng)產(chǎn)品采摘后內(nèi)部物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，生物內(nèi)部不同的組織影響了農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部生物分子中排列電荷對(duì)外加電場(chǎng)的響應(yīng)特性。宏觀上表現(xiàn)為影響不同的介電特性參數(shù)。農(nóng)產(chǎn)品的主要介電參數(shù)有相對(duì)介電常數(shù)ε'、介電損耗ε''、損耗角正切tanδ和介質(zhì)的等效阻抗|Z|等[3]。

農(nóng)產(chǎn)品物料在受到外界電場(chǎng)刺激時(shí)產(chǎn)生對(duì)外界的響應(yīng)，這種響應(yīng)通常采用不同介電參數(shù)來描述農(nóng)產(chǎn)品受到電場(chǎng)時(shí)所表現(xiàn)出的不同特性。利用農(nóng)產(chǎn)品的介電特性的檢測(cè)方法，以此來用精確的相關(guān)參數(shù)表示農(nóng)產(chǎn)品物料的含水量、新鮮度等品質(zhì)的關(guān)系，可用來監(jiān)測(cè)農(nóng)產(chǎn)品的生長情況，并檢測(cè)農(nóng)產(chǎn)品貯藏過程中的保鮮程度，從而為實(shí)現(xiàn)物料的深加工和分級(jí)提供一種新的技術(shù)手段。因此，了解介電特性對(duì)于不同農(nóng)產(chǎn)品的檢測(cè)應(yīng)用具有重要的研究意義[4]。

2 介電特性的測(cè)定方法

目前，常見介電特性的測(cè)量技術(shù)主要包括平行極板（電容器）技術(shù)、傳輸線技術(shù)、自由空間技術(shù)、同軸探針技術(shù)和諧振腔技術(shù)等。

人們經(jīng)常利用平行極板（電容器）技術(shù)研究[5-6]種子、果品等農(nóng)產(chǎn)品的介電特性，取得了一定的研究進(jìn)展。利用被測(cè)量的農(nóng)業(yè)物料填充滿電極板，測(cè)得農(nóng)產(chǎn)品物料的電容、等效的阻抗或介電損耗的介電參數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)為原理簡(jiǎn)單、儀器成本低、測(cè)量精度較高。測(cè)量主要頻率范圍為100 MHz以下的低頻范圍。

同軸探頭技術(shù)被主要應(yīng)用于測(cè)量液體、含水量高的半固體材料等的接觸性材料的檢測(cè)方法中。主要被用來研究農(nóng)產(chǎn)品物料的微波介電特性，且同軸探頭技術(shù)的測(cè)量頻率要求范圍為500 MHz～110 GHz，要求被測(cè)物料為非磁性、橫截面比較大且測(cè)量精度有限。因此，該方法在農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)中有一定的局限性，不能廣泛應(yīng)用[7]。

傳輸線技術(shù)對(duì)被測(cè)物料品的樣品形狀要求苛刻，且該方法的測(cè)試頻率范圍比較小，導(dǎo)致被測(cè)物料的樣品制備過程比較繁雜，因此該技術(shù)方法在農(nóng)產(chǎn)品介電特性測(cè)量中的應(yīng)用具有一定的局限性，但該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度比同軸探頭法的測(cè)量精度高。

自由空間法主要通過網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)出的特定頻率變化的微波，利用儀器將微波聚集在被測(cè)物料上而進(jìn)行檢測(cè)。該方法現(xiàn)在主要用于測(cè)量小麥的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)[8]。該方法主要優(yōu)點(diǎn)是非接觸、可以用于環(huán)境惡劣的介電參數(shù)的測(cè)定。但對(duì)于物料的樣品也有一定的要求，因此導(dǎo)致該方法也有一定的應(yīng)用局限性。

諧振腔技術(shù)相比較與其他方法測(cè)試精度比較高，但對(duì)設(shè)備的要求高，對(duì)損耗因數(shù)低的樣品具有高的敏感度。在該方法測(cè)試不同幾個(gè)頻率下介電參數(shù)的測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)該方法分析過程比較繁雜。在測(cè)試之前樣品的截面尺寸，必須提前精確測(cè)量。導(dǎo)致該檢測(cè)方法測(cè)量過程比較復(fù)雜。因此必須研究測(cè)試物料介電性的頻率特性，才能更好地使用該技術(shù)[9]。

3 影響農(nóng)產(chǎn)品介電特性的因素

測(cè)試條件（頻率、電壓）和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)（含水率、新鮮度、含糖量和酸度）是影響農(nóng)產(chǎn)品介電特性的主要因素。詳細(xì)研究了解其影響規(guī)律特點(diǎn)，不斷修正該檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量條件，探索其在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用前景。

3.1 測(cè)試條件對(duì)介電特性的影響

農(nóng)產(chǎn)品的介電特性主要受到頻率、電壓、外界環(huán)境的溫度和濕度的影響。

3.1.1 頻率和電壓的影響

在測(cè)試頻率條件影響下，高頻率環(huán)境條件導(dǎo)致介電特性的差異主要原因在于自由水的松弛，影響生物組織內(nèi)部電荷移動(dòng)；低頻率的條件環(huán)境下，導(dǎo)致介電特性差異主要原因在于比較于束縛水的松弛，導(dǎo)致生物組織內(nèi)部離子傳導(dǎo)的降低[10]。相比于頻率的測(cè)試條件，電壓不同也會(huì)影響介電參數(shù)值的變化。

袁子惠等人[11]研究了芒果的相對(duì)介電常數(shù)在100～20 000 Hz頻率范圍內(nèi)的變化基本呈線性相關(guān)。在溫度一定時(shí)，隨著測(cè)試頻率的增大，得出了介電損耗因數(shù)不斷減小?？追睒s等人[12]研究了蘋果在20～4 500 MHz頻率范圍內(nèi)的參數(shù)變化。隨著頻率的增加，介電損耗因數(shù)先減小后增大，介電常數(shù)減小，介電常數(shù)最小值出現(xiàn)在頻率為2 000 MHz。Ikediala J N等人[13]研究了30 MHz～3 GHz頻率范圍內(nèi)4個(gè)品種蘋果介的介電參數(shù)變化，得出了不同頻率電參數(shù)的影響規(guī)律，隨著頻率的增加，影響介電常數(shù)值在不斷減小，并且在頻率為 915 MHz，介質(zhì)損耗因數(shù)最小。郭文川[10]研究了在5～150 kHz低頻下水果介電參數(shù)值的變化規(guī)律，隨著頻率的增大，電容值不斷減小，并對(duì)不同水果（蘋果、梨和獼猴桃） 的介電參數(shù)在不同電壓的影響下進(jìn)行了測(cè)定。得出在頻率一定時(shí)，這幾種水果的介電參數(shù)值會(huì)受到信號(hào)電壓的影響而變化，得到了信號(hào)電壓的檢測(cè)臨界值。得到了電壓影響介電參數(shù)值的規(guī)律，當(dāng)測(cè)量電壓大于臨界電壓值時(shí)；隨測(cè)量電壓的增加而電容值減小，損耗角正切值增大。當(dāng)測(cè)量電壓小于該臨界電壓值時(shí)；電容和損耗角正切值不再發(fā)生變化。結(jié)果表明，不同果品的測(cè)定電壓臨界值是不一樣的，從而為提出了介電特性檢測(cè)水果種類的新方法奠定了理論基礎(chǔ)。

3.1.2 環(huán)境溫度的影響

測(cè)試環(huán)境溫度主要影響生物組織內(nèi)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)快慢，從而影響對(duì)農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)（營養(yǎng)成分）的檢測(cè)。另一方面，環(huán)境溫度也會(huì)影響農(nóng)產(chǎn)品表面水分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，影響介電參數(shù)測(cè)定的精確度。

Sipahioglu O等人[14]分析研究了在2.45 GHz，5～130℃條件下15種果蔬介電特性參數(shù)的影響變化規(guī)律。得到在特定的頻率下，溫度大的升高，介質(zhì)損耗因數(shù)先升高后降低，果蔬的介電常數(shù)減小。王瑞慶等人[15]利用平行極板方法研究了在100 Hz～3.98 MHz頻率范圍內(nèi)，在0～40℃內(nèi)測(cè)定了火柿果實(shí)介電參數(shù)的規(guī)律特性?；鹗凉麑?shí)介電參數(shù)的變化明顯（p＜0.01），兩者之間呈線性相關(guān)關(guān)系，得出了決定的系數(shù)R2分別為0.995，0.992，0.995。杜光源等人[16]研究了嘎拉蘋果從0℃升溫至溫度（25℃）條件下蘋果介電參數(shù)的變化規(guī)律。得出了在測(cè)試的24個(gè)不同的頻率影響下，阻抗、電容值的介電參數(shù)值變化都隨著溫度的升高而減小，Cs值隨著溫度的升高而增大。

3.2 農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)對(duì)介電特性的影響

農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)（含水率、新鮮度、含糖量和酸度）是影響農(nóng)產(chǎn)品介電特性又一個(gè)主要因素。深入研究了解其影響規(guī)律，為探索農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)、快速檢測(cè)的新方法奠定理論基礎(chǔ)。

3.2.1 含水率的影響

農(nóng)產(chǎn)品物料的含水率是影響農(nóng)產(chǎn)品介電特性的一個(gè)重要因素，是反映農(nóng)產(chǎn)品新鮮程度的重要指標(biāo)，也是農(nóng)產(chǎn)品分級(jí)重要的參考指標(biāo)[10]。

Nelson S O[17]研究測(cè)定了3種新鮮洋蔥的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)的值，并用這些數(shù)據(jù)很好地模擬了洋蔥含水率的值。并得出含水率的不同對(duì)洋蔥的介電特參數(shù)值的影響規(guī)律。Feng H等人[18]對(duì)蘋果的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子在4.0%～87.5%含水率范圍內(nèi)進(jìn)行研究；在高含水率（23%～70%） 時(shí)，自由水是生物組織離子運(yùn)動(dòng)的主要影響因素；在含水率下降（約4%）時(shí)，物料中束縛水是生物體組織離子運(yùn)動(dòng)的主要影響因素。并得出了隨著含水率的減小，介電常數(shù)和損耗因數(shù)的也隨之減小。Kraszewski A W等人[19]利用不同頻域和時(shí)域下對(duì)農(nóng)產(chǎn)品含水率的測(cè)定，得到了關(guān)于農(nóng)產(chǎn)品的介電特性檢測(cè)技術(shù)中含水率對(duì)介電特性影響的結(jié)論。郝曉莉等人[20]對(duì)水稻、玉米和大豆3種農(nóng)產(chǎn)品物料的含水率進(jìn)行了檢測(cè)研究，得到了物料的含水率對(duì)介電參數(shù)的相關(guān)關(guān)系。這些都說明農(nóng)產(chǎn)品的介電常數(shù)和損耗因數(shù)主要依賴于物料的含水率。

3.2.2 新鮮度的影響

農(nóng)產(chǎn)品物料采摘后最主要的代謝過程是呼吸作用。在呼吸作用下會(huì)消耗自身的有機(jī)物，使淀粉、多糖等有機(jī)化合物逐步被分解為二氧化碳、水或其他小分子物質(zhì)。分解后產(chǎn)生的有機(jī)化合物質(zhì)、水及其他分解后的小分子物質(zhì)都可以導(dǎo)致果品內(nèi)部空間電荷的排布變化，在外界電場(chǎng)的作用下，影響農(nóng)產(chǎn)品的介電參數(shù)值的變化。

Kato K[21]研究了在 10～13 MHz的頻率范圍內(nèi)，對(duì)不同新鮮度水果的介電特性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果表明，不新鮮水果的介電常數(shù)值及介電損耗因子值低于新鮮的水果。張立彬等人[22]采用平板（電容）電極方法測(cè)定了蘋果在未破壞下的介電參數(shù)值，并用破壞性方法研究了在 100～100 kHz的測(cè)試頻率段內(nèi)的蘋果切片組織，得出了蘋果的貯藏時(shí)間越長，阻抗值越大，相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)越小。通過用PC計(jì)算機(jī)及自主開發(fā)的水果介電特性無損檢測(cè)軟件、結(jié)合LCR測(cè)試儀，在線測(cè)定了不同內(nèi)部品質(zhì)蘋果的介電特性參數(shù)值的變化規(guī)律。

關(guān)于新鮮度對(duì)介電特性檢測(cè)方法的影響，目前介電特性的研究對(duì)采摘后的農(nóng)產(chǎn)品物料，取得了一定的研究進(jìn)展，但研究對(duì)象主要集中于芒果、桃、梨、蘋果等主要的果品中[10]。而在不同階段對(duì)與不同農(nóng)產(chǎn)品物料的品質(zhì)的差異研究較少，需要不斷加強(qiáng)該方面的研究。

3.2.3 糖度和酸度的影響

農(nóng)產(chǎn)品的介電特性參數(shù)變化除了受上述因素的影響外，還受到農(nóng)產(chǎn)品中的主要內(nèi)部營養(yǎng)成分（糖度、酸度）的影響，人們也在研究探索介電特性參數(shù)與內(nèi)部營養(yǎng)成分（糖度、酸度）之間的定量關(guān)系。

Kato K[23]通過對(duì)西瓜等果品的試驗(yàn)研究，得出介電參數(shù)與含糖量之間的相關(guān)關(guān)系。利用交流電導(dǎo)率，對(duì)于柑橘和番茄汁中的營養(yǎng)成分（有機(jī)酸、含糖量）的測(cè)定，得出了并確立它們之間的相關(guān)測(cè)定理論。馬曉明等人[24]研究了10 MHz～1.8 GHz頻率下，得出了蜜瓜果肉的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子分別與可溶性固形物含量（SSC）的關(guān)系。在它們有關(guān)描繪的復(fù)平面圖中，當(dāng)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子分別除以可溶性固形物含量（SSC）時(shí)，它們之間具有很高相關(guān)性。部分專家研究以LCR測(cè)試儀在 90 kHz下對(duì)寧夏靈武長棗內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)的結(jié)果表明，串聯(lián)等效電阻隨糖度增加呈下降趨勢(shì)，隨糖度增高而速率變化逐漸放緩，并利用曲線擬合回歸方法，分析得到了R2=0.561 9，說明糖度與等效電阻與等效電容之間存在的相關(guān)性。有研究人員研究了以蘋果汁的濃度系數(shù)為目的，得到蘋果的糖度，測(cè)定了等效電阻與等效電容的介電參數(shù)，得出了糖度與等效電阻與等效電容之間的關(guān)系。郭文川[10]研究了哈密瓜的介電特性及其與內(nèi)部糖度含量的相關(guān)關(guān)系，得到了在1.8 GHz頻率下哈密瓜汁的介電參數(shù)值（損耗角正切介電參數(shù)值、介電常數(shù)值）與糖度有較好的相關(guān)性，這些研究都為利用介電特性檢測(cè)糖度的新型儀器開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

近年來，該介電性檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過不斷研究，取得了很多富有成效的成果，都得到了基于介電特性的無損檢測(cè)新技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的快速檢測(cè)提供了實(shí)際應(yīng)用的可能，發(fā)現(xiàn)了該方法用于農(nóng)產(chǎn)品的加工分選、貯藏運(yùn)輸方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景。而不同農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)間的個(gè)體差異和主要成分的差異對(duì)介電特性參數(shù)的影響也是顯而易見的，因此加強(qiáng)不同農(nóng)產(chǎn)品介電性的研究需要投入更大的精力，如何將這一方法與其他無損檢測(cè)方法相結(jié)合起來，使得農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)能更加快速準(zhǔn)確、科學(xué)的檢測(cè)，這些問題都有待人們進(jìn)一步深入研究。

新疆特色農(nóng)產(chǎn)品關(guān)于介電特性的無損檢測(cè)技術(shù)的研究應(yīng)用較少。研究用于測(cè)試桃、芒果、蘋果等的農(nóng)產(chǎn)品介電特性無損檢測(cè)技術(shù)，是否能夠準(zhǔn)確檢測(cè)新疆特色農(nóng)產(chǎn)品需要進(jìn)一步研究，并不斷修正其測(cè)量條件、測(cè)試的環(huán)境因素，從而為精確建立新疆紅棗的介電特性參數(shù)與品質(zhì)的關(guān)系。通過探索利用無損檢測(cè)方法測(cè)定新疆紅棗的介電特性參數(shù)值，同時(shí)利用非破壞性檢測(cè)方法測(cè)定新疆紅棗的內(nèi)部化學(xué)品質(zhì)（含水率、糖度、酸度），并建立起介電特性參數(shù)與其內(nèi)部品質(zhì)之間的數(shù)學(xué)模型，為新疆紅棗品質(zhì)的確定、采后清選分級(jí)和貯藏的介電特性無損檢測(cè)做精確研究。下一步，將充分利用已經(jīng)取得成果，針對(duì)特定農(nóng)產(chǎn)品的介電特性檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)量頻率的選擇、農(nóng)產(chǎn)品介電特性與其內(nèi)部品質(zhì)之間數(shù)學(xué)模型的建立，從而達(dá)到測(cè)量農(nóng)產(chǎn)品的介電特性參數(shù)來判斷其內(nèi)部品質(zhì)，并利用品質(zhì)的不同來對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)的處理，使該技術(shù)更好地應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品的無損檢測(cè)中，并提高我國農(nóng)產(chǎn)品貯藏和加工處理能力，促進(jìn)我國農(nóng)產(chǎn)品深加工現(xiàn)代化的能力。