基于電學特性的庫爾勒香梨果實重量檢測研究

李小龍，于世輝，靳小真，李同璽，劉揚，蘭海鵬*

（1塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

（2淄博市農(nóng)業(yè)機械事業(yè)服務中心，山東 淄博市 255000）

庫爾勒香梨是新疆特色水果之一，因其肉質(zhì)細嫩，汁多味甜被譽為“梨中珍品”[1]。庫爾勒香梨種植面積常年穩(wěn)定在 6×104hm2，年產(chǎn)量在 4×104～7×104噸[2]。目前，庫爾勒香梨采后分級是以地方標準或行業(yè)標準為參考依據(jù)，以手工稱重的傳統(tǒng)方式對庫爾勒香梨進行分級銷售[3]，隨著精細化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對庫爾勒香梨的品質(zhì)提出了更高的要求，采用無損檢測方法將品質(zhì)檢測與重量分級相結(jié)合的技術(shù)，對于推進庫爾勒香梨品質(zhì)無損檢測的技術(shù)集成研究具有重要的指導意義。

果實重量作為采后分級的一項重要品質(zhì)分級依據(jù)，在果實重量分級方面，王新亭[4]研發(fā)基于單片機的測控系統(tǒng)，通過鏈傳動托盤式電子稱重；ELBELTAGI R等[5]研發(fā)球形水果的高速動態(tài)稱重系統(tǒng)；PAWLOWSKI A等[6]研發(fā)球形水果的環(huán)形分選機。果實重量分級是通過稱重傳感器將重量信號轉(zhuǎn)變成電信號，再通過數(shù)據(jù)處理得到果實重量。同時，機械式分級裝置易對庫爾勒香梨造成損傷，不適于批量庫爾勒香梨的重量分級。無損檢測技術(shù)可降低機械分級對庫爾勒香梨造成的損傷，在基于電學特性的庫爾勒香梨無損檢測研究方面，唐玉榮等[7]以庫爾勒香梨為材料，研究得出頻率在0.1 kHz條件下并聯(lián)等效電容、并聯(lián)等效電感、并聯(lián)等效電阻、耗散因數(shù)與庫爾勒香梨硬度和可溶性固形物含量有顯著相關(guān)性；WANG S等[8]和ZHANG L等[9]的研究也表明果蔬的介電特性可用并聯(lián)等效電感、并聯(lián)等效電容、品質(zhì)因數(shù)和阻抗等來表示；劉亞平等[10]以紅地球葡萄為材料研究表明，測試頻率0.1 kHz下，電學參數(shù)電抗X與硬度呈現(xiàn)顯著相關(guān)性（P＜0.05）；郭文川等[11]以“碭山酥”梨為試驗材料研究表明，介電譜結(jié)合LSSVM可用于無損檢測梨的可溶性固形物含量（SSC）和含水率；王瑞慶等[12]利用HIOKI3532-50型LCR測量儀和自制平行板銅電極研究表明，果實阻抗、電容和電感可以作為標志紅巴梨果實成熟衰老的電學指標，1 MHz為最佳測試頻率?；谏鲜鲅芯勘砻?，電學特性在水果品質(zhì)檢測應用方面具有可行性。目前，基于電學特性的庫爾勒香梨重量檢測研究具有實際工程意義。

本試驗以庫爾勒香梨為材料，探究電學參數(shù)與果實重量的變化規(guī)律，構(gòu)建庫爾勒香梨電學參數(shù)與庫爾勒香梨果實重量的數(shù)學模型，旨在為庫爾勒香梨采后重量分級提供新方法，以期為水果產(chǎn)業(yè)品質(zhì)分級研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料來自塔里木大學梨園。庫爾勒香梨的成熟期為9月中旬[13]，本次試驗庫爾勒香梨的采集時間為2019年9月12日。選取形狀規(guī)則、無病蟲害、無機械損傷的庫爾勒香梨作為試驗樣品。采摘后的庫爾勒香梨套上泡沫網(wǎng)袋，并立即運回塔里木大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室進行試驗。試驗時實驗室溫度為25℃，相對濕度為37%。

1.2 實驗儀器與設備

GWT-1型果品電學特性檢測儀（塔里木大學）；JE-C30002電子天平（五鑫衡器有限責任公司）；游標卡尺（桂林量具刃具廠）等。

1.3 試驗方法

通過果品電學特性檢測儀獲取庫爾勒香梨電學參數(shù)，果品電學特性檢測儀如圖1所示。

試驗前對果品電學特性檢測儀預熱1 h，設定測量電壓和預緊力分別為1 V和0.5 N，測量頻率為1 MHz。獲取并聯(lián)等效電容、品質(zhì)因數(shù)、并聯(lián)等效電阻、復阻抗、復阻抗相角、電抗等6個電學參數(shù)數(shù)值。測量過程中將梨橫放在電極板上，使得梨的最大橫徑接觸電極兩板，依次在梨赤道上間隔120°選取三個點測量梨的電學參數(shù)，試驗結(jié)果取平均值。使用SPSS Statistics 25.0軟件對電學參數(shù)與果實重量進行相關(guān)性分析。

為探究庫爾勒香梨電學特性隨重量的變化規(guī)律，應用Origin軟件對并聯(lián)等效電容、品質(zhì)因數(shù)、并聯(lián)等效電阻、復阻抗、復阻抗相角、電抗等6個參數(shù)進行線性擬合分析，擬合方程如下：

式中：x為果實重量；y為某電學參數(shù)數(shù)值；a、b為常數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 重量與電學參數(shù)相關(guān)性分析

如表1所示，各電學參數(shù)與果實重量存在一定的相關(guān)性，電學參數(shù)與果實重量有顯著的相關(guān)關(guān)系，電學參數(shù)與果實重量間的相關(guān)程度可以由相關(guān)系數(shù)的絕對值大小表現(xiàn)出來，其中并聯(lián)等效電容的相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為0.958，復阻抗相角、電抗相關(guān)系數(shù)分別為0.791、0.706，均呈正相關(guān)；品質(zhì)因數(shù)、并聯(lián)等效電阻、復阻抗呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.750、-0.738和-0.819。

表1 果實重量與電學參數(shù)的相關(guān)性

2.2 電學參數(shù)與果實重量變化規(guī)律

由圖2可知，隨著果實重量的增加，并聯(lián)等效電容、復阻抗相角、電抗呈現(xiàn)遞增趨勢，其中并聯(lián)等效電容呈線性遞增；復阻抗相角和電抗先快速增加，當果實重量超過110 g左右時，隨著果實重量的增加復阻抗相角和電抗增長速率減小，說明重量對復阻抗相角和電抗的影響明顯減弱；并聯(lián)等效電阻、品質(zhì)因數(shù)和復阻抗呈現(xiàn)遞減趨勢，當重量增加到110 g左右時，隨著果實重量的增加并聯(lián)等效電阻、品質(zhì)因數(shù)和復阻抗降低速率減小。電學參數(shù)并聯(lián)等效電容、品質(zhì)因數(shù)、并聯(lián)等效電阻、復阻抗、電抗和復阻抗相角與重量之間變化趨勢明顯。現(xiàn)對上述電學參數(shù)進行線性擬合，R2分別為：0.9178、0.5620、0.5542、0.6708、0.4991和0.6254，其中并聯(lián)等效電容的擬合程度最優(yōu)，其擬合方程為：y=0.15x-8.09，故并聯(lián)等效電容可作為庫爾勒香梨重量檢測的最優(yōu)特征參數(shù)。

圖2 果實重量與電學特性的關(guān)系

3 結(jié)論

本試驗以庫爾勒香梨為研究對象，采用相關(guān)性分析方法，對6個電學參數(shù)指標進行分析，在1 MHz頻率下，庫爾勒香梨果實重量與電學參數(shù)之間存在較高的相關(guān)性。果實重量對庫爾勒香梨電學參數(shù)有一定的影響，并聯(lián)等效電容、品質(zhì)因數(shù)、并聯(lián)等效電阻、復阻抗、復阻抗相角、電抗均有較高的相關(guān)性，達到顯著水平(P＜0.01)。

在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，探究庫爾勒香梨電學特性與果實重量的變化規(guī)律，隨著庫爾勒香梨重量的增加，電學參數(shù)并聯(lián)等效電容、電抗和復阻抗相角逐漸增大，電學參數(shù)并聯(lián)等效電阻、復阻抗和品質(zhì)因數(shù)逐漸減?。凰x取的電學參數(shù)與果實重量線性擬合中，并聯(lián)等效電容的方程擬合最優(yōu)，R2=0.9178，擬合方程為y=0.15x-8.09，應用并聯(lián)等效電容檢測庫爾勒香梨果實重量具有一定的可行性。旨在為提高我國水果的綜合利用率提供參考依據(jù)，同時為水果分級分選裝置的研發(fā)提供理論參考。