基于電阻抗特性稻谷含水率測定研究

俞世鋼，黃仕華

（1.浙江師范大學(xué)行知學(xué)院，浙江金華321004；2.浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江金華321004）

水分是谷物的重要組成成分，是與蛋白質(zhì)、脂類、碳水化合物、灰分等構(gòu)成糧油及其制品的基本物質(zhì)，是食物成分表中不可缺少的內(nèi)容。眾所周知，植物中含水量的高低直接影響它貯藏時(shí)間的長短和品質(zhì)的優(yōu)劣[1]。孫繼穎等[2]分析了不同含水量大豆的抗旱性能；劉明池等[3]研究了草莓水分含量對其品質(zhì)的影響。更為重要的是，植物水分含量會直接影響植物的栽培、產(chǎn)量的高低等。閻彩青等[4]研究了種子含水量對玉米發(fā)芽率的影響，白沙等[5]研究了水分、密度等因素對玉米產(chǎn)量的影響。另外，稻谷水分含量也是糧食貯藏、收購、加工、運(yùn)輸過程中必須測量的重要質(zhì)量指標(biāo)。近幾十年來，糧食水分檢測技術(shù)發(fā)展迅速，形成了多種水分檢測方法[6-8]。總體上，糧食水分測定可分為直接法和間接法兩大類[8-9]。直接法是通過干燥方法和化學(xué)方法，直接檢測出糧食中的絕對含水量，檢測精度高，但費(fèi)時(shí)，不適于在線和現(xiàn)場檢測。間接法是通過檢測與水分有關(guān)的物理量（如物質(zhì)的電導(dǎo)率、介電常數(shù)等），間接地測定物質(zhì)的水分，一般速度較快，易實(shí)現(xiàn)在線檢測[9-10]。目前，糧食含水率快速無損檢測的發(fā)展是當(dāng)今世界檢測水分的主流。所謂無損檢測就是在糧食保持完整的前提下，通過糧食自身的物理特點(diǎn)、光學(xué)特點(diǎn)、化學(xué)特點(diǎn)等對其內(nèi)部水分含量進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)檢測水分含量的目的，與有損檢測相比更經(jīng)濟(jì)快捷，這一優(yōu)點(diǎn)使得快速無損檢測在糧食含水量的檢測中得到廣泛應(yīng)用。已有研究表明，物料的含水率與其介電常數(shù)、電導(dǎo)率等有密切的關(guān)系。物料的介電特性與其化學(xué)構(gòu)成、組織形態(tài)、環(huán)境條件等有關(guān)，且不同物料的介電特性可綜合反映其品質(zhì)狀態(tài)特征，從而實(shí)現(xiàn)部分指標(biāo)的無損檢測[11-12]。Nelson等[12-14]通過研究燕麥、水稻、大豆的電阻獲得相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，并對谷物和大豆的無損濕度進(jìn)行檢測。利用水的介電常數(shù)高于其他物料的特性，用電容法測定谷物含水率，具有操作簡單、可靠、價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)，且有很好的重復(fù)性和檢測性。這種基于電容傳感的測試方法在我國應(yīng)用較廣，但大多為取樣測試，在線測試很少，且沒有較成熟的測試系統(tǒng)。因此，建立適用于幾種稻谷的含水量與介電常數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，為設(shè)計(jì)稻谷水分含量無損實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)提供參考，以實(shí)現(xiàn)其水分含量的快速無損檢測，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本試驗(yàn)選擇4種谷物類農(nóng)產(chǎn)品，研究稻谷不同程度含水量與介電常數(shù)的相互關(guān)系，確立稻谷低水區(qū)含水量與一定頻率下介電常數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，為設(shè)計(jì)谷物無損實(shí)時(shí)含水量檢測系統(tǒng)提供一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論參考。

1 植物組織電阻抗頻率特性

所謂電阻抗頻率特性就是指植物組織的電阻抗隨著激勵信號頻率的增加而減小的現(xiàn)象。19世紀(jì)末，Bernstein提出了他的細(xì)胞膜理論。他認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)是導(dǎo)電性組織，而包圍它的細(xì)胞膜在低頻時(shí)是絕緣的，細(xì)胞膜外又是導(dǎo)電的細(xì)胞間質(zhì)。當(dāng)輸入低頻電流時(shí)，由于細(xì)胞膜在低頻時(shí)是絕緣的，所以電流必須繞過細(xì)胞膜流過。然而，在輸入高頻電流時(shí)，細(xì)胞膜的電容特性允許電流進(jìn)入細(xì)胞，這樣就大大增加了細(xì)胞直接載流的能力。1910年，Hober的試驗(yàn)支持了這一理論。他發(fā)現(xiàn)，將紅細(xì)胞的細(xì)胞膜破壞掉以后，血液樣本的電阻大大減小，也就是說細(xì)胞內(nèi)液的導(dǎo)電性很高，當(dāng)沒有細(xì)胞膜的時(shí)候，它起到重要的載流作用。

1.1 植物組織等效電路模型

植物組織的等效電路模型（圖1），可看作是電阻、電容的并、串聯(lián)結(jié)構(gòu)。其中，Ro為細(xì)胞外液等效電阻，Rp為細(xì)胞壁、細(xì)胞膜等效電阻，Cp為細(xì)胞壁、細(xì)胞膜等效電容，Ri為細(xì)胞內(nèi)液等效電阻。進(jìn)一步簡化后，植物組織可等效為R和C并、串聯(lián)電路。在串聯(lián)電路中，把2個(gè)元件看成一個(gè)假想的電阻，用復(fù)數(shù)|Z|表示其阻抗；在并聯(lián)電路中，將其看作一個(gè)假想的電容，用導(dǎo)納|Y|表示。|Z|，|Y|的實(shí)部分別表示串、并聯(lián)電路的電阻R和電容C；虛部分別表示串、并聯(lián)電路的電阻和電容[15]。農(nóng)產(chǎn)品物料是電介質(zhì)，其宏觀介電特性可以用復(fù)阻抗Z或?qū)Ъ{Y及復(fù)介電常數(shù)ε表示。這里Z或Y是植物物料的物理常數(shù)，與其個(gè)體尺寸有關(guān)；ε反映植物物料內(nèi)部物質(zhì)的特性，與其個(gè)體尺寸無關(guān)，與其水分含量有直接關(guān)系。

1.2 稻谷電導(dǎo)-頻率特性測試

以不同頻率對樣品進(jìn)行測試，其電導(dǎo)-頻率特性如圖2所示。由圖2可知，電導(dǎo)隨激勵頻率的增加而增加，當(dāng)激勵頻率為1 MHz時(shí)，電導(dǎo)明顯增加，與Bernstein提出的細(xì)胞膜理論相符合。

1.3 稻谷的電容-頻率特性

當(dāng)?shù)皖l的時(shí)候，植物細(xì)胞分子極化，包括分子骨架形變的極化、原子極化和電子位移極化，在外場作用下形成了電荷的積累，相當(dāng)于電容的介質(zhì)中有更多額外電荷層的產(chǎn)生，因此電容增大；而在高頻時(shí)，分子骨架極化跟不上電流方向的變化，只有原子極化和電子位移極化，電容小。因此，在低頻的時(shí)候，電容值比較大；在高頻的時(shí)候，電容值就減少。樣品兩優(yōu)倍九的電容-頻率特性如圖3所示。

由于細(xì)胞膜在低頻時(shí)是絕緣的，組織的電阻抗與激勵信號頻率間直接相關(guān)。由圖3可知，低頻時(shí)，谷粒本身的電容值隨偏置電壓的改變而改變，將對測試引入一定的誤差；高頻部分電容值相對較穩(wěn)定。所以，試驗(yàn)需要采用穩(wěn)定的激勵頻率測試。本研究采用1 MHz作為測試頻率。

2 試驗(yàn)材料與儀器

2.1 供試水稻品種

供試水稻品種為：中嘉早32、中浙優(yōu)1號、兩優(yōu)倍九、秀水09，均由中國水稻研究所提供。

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用儀器包括：電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱（101A-3，杭州藍(lán)田化驗(yàn)儀器廠）；水分測量儀（PM4115，澳大利亞KETT電學(xué)實(shí)驗(yàn)有限公司）；電子天平（FA2004，上海衡平儀器儀表廠）；LCR精密測試儀（4284A，美國安捷倫公司）。

2.3 電容傳感器設(shè)計(jì)

由于所測的糧食為顆粒形狀，其裝入容器存在許多空隙，因而其介電常數(shù)較小，但其傳感器板的有效面積不能太小，因此本系統(tǒng)采用同軸的圓筒形電容式傳感器。另一目的是它的電極是非對稱的，即內(nèi)電極被外電極所包絡(luò)，這樣可以十分有效地抑制體感應(yīng)。圓筒形電容式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

性能良好的筒狀結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下條件：（1）電極厚度應(yīng)該足夠小，從而能夠有效地減弱電容器的邊緣效應(yīng)。（2）幾何對稱，兩筒狀電極的內(nèi)外圓度應(yīng)一致同軸，以保證良好的梯度均勻性。

將被測量糧食放入傳感器兩極板間的介質(zhì)空間，由于糧食含水量的不同，從而使電容傳感器的介電常數(shù)發(fā)生變化，即引起電容值變化，通過測試糧食電容值即得出其水分含量。

式中，ε0為物質(zhì)的真空介電常數(shù)；εr為物質(zhì)的相對介電常數(shù)；C為電容值。

2.4 測試原理圖

3 試驗(yàn)內(nèi)容

測試稻谷水分含量對介電特性的影響。

3.1 試驗(yàn)步驟

取一定量的稻谷樣品，用干燥法測定含水量，并將其裝滿圓筒形電容器測定電容值，根據(jù)有關(guān)公式計(jì)算出介電常數(shù)，作出介電常數(shù)隨水分含量變化的曲線。

3.2 稻谷含水量與介電常數(shù)關(guān)系曲線的標(biāo)定方法

3.2.2 稻谷不同含水量相對應(yīng)的介電常數(shù) 根據(jù)測定的電容值和有關(guān)公式計(jì)算。供試樣品分別為兩優(yōu)倍九、秀水09、中嘉早32、中浙優(yōu)1號。

由4個(gè)品種的含水量與介電常數(shù)特性曲線（圖6～9）可知，含水量與介電常數(shù)基本呈指數(shù)關(guān)系，即含水量越高，介電常數(shù)也越大，二者呈指數(shù)相關(guān)，而且各個(gè)品種的相關(guān)性相差不大，所以可以認(rèn)為含水量與介電常數(shù)的特性關(guān)系與品種差異關(guān)系不大。在此基礎(chǔ)上，把4個(gè)品種的含水量與介電常數(shù)綜合在一起，做出的關(guān)系曲線如圖10所示。

由圖10可知，稻谷含水量與介電常數(shù)的特性曲線呈指數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為εr=1.451 98e10.861w，W為稻谷含水量，相關(guān)系數(shù)為0.933 4。

4 小結(jié)

近20年來，糧食水分的檢測技術(shù)迅速發(fā)展，檢測方法層出不窮。但快速、準(zhǔn)確、適應(yīng)性強(qiáng)始終是水分檢測儀的研制目標(biāo)。本試驗(yàn)采用電容傳感原理測定了部分谷物含水量與介電常數(shù)的特性曲線，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.933 4，為設(shè)計(jì)制作糧食水分無損檢測系統(tǒng)提供有價(jià)值的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，從而用于糧食倉儲行業(yè)快速檢測糧堆糧食水分含量，并與其監(jiān)控系統(tǒng)配套實(shí)現(xiàn)糧倉自動化檢測監(jiān)控。所以，在特定的檢測條件下，用測定電容的方法檢測農(nóng)產(chǎn)品的水分含量，使用介電參數(shù)進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品水分含量的無損檢測是可行的。

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