伽師瓜電磁特性的試驗研究

劉朝霞 唐玉榮 蘭海鵬 黃新成 楚合營

(塔里木大學機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)

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伽師瓜電磁特性的試驗研究

劉朝霞 唐玉榮 蘭海鵬 黃新成 楚合營*

(塔里木大學機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)

為探索伽師瓜電磁特性與其成熟度之間的關系，研究了不同測試頻率、測試電壓對伽師瓜電磁參量的影響，并對伽師瓜電磁參量的變化規律進行了分析。結果表明：在27 ℃，0. 1～100. 0 kHz信號測量范圍內，伽師瓜的電阻、電感、電容、損耗角正切值皆隨測試頻率的逐漸增大而減小。測試電壓對伽師瓜的電感、電容、損耗角正切值等參量的影響不大。并討論了伽師瓜的平均糖度與其耗散角正切值和品質因數的關系。

伽師瓜； 電磁特性； 品質因數

伽師瓜屬新疆甜瓜中的一種，因主產地在伽師縣而得名，瓜皮多呈墨綠色，香甜可口肉厚汁豐，果肉中含有豐富的水、可溶性糖(如葡萄糖，果糖等)、B族復合維生素和維生素C、有機酸等，還有鐵、磷、鈣、鉀等多種微量元素，是人體所必須的營養成分。伽師瓜所含的維生素對治療胃病、貧血有益，微量元素鐵具有促進人體造血機能的作用，鉀能促進新陳代謝，預防肌肉痙攣。成熟的伽師瓜不僅生津止渴、清熱消暑，同時具有化痰止咳、增強食欲、利氣易便等功效，對預防冠心病、癌癥等也有一定的作用。

目前對于伽師瓜的研究多集中在對其栽培、病蟲害防治、采后貯藏及伽師瓜瓜子油的提取方面[1-6]。例如，郝麗娜等人[7]對伽師瓜全立架立體栽培模式進行了研究；張有林等人[8]對伽師瓜的采后貯藏方面進行了研究；白希等人[9]利用微波提取伽師瓜籽有并對其脂肪酸成分進行了分析。通過文獻調研未看到有關基于伽師瓜電磁特性品質檢測方面的報道。近十幾年發展起來的基于電磁特性的瓜果品質無損檢測技術越來越受到人們的關注[10-15]。隨著伽師瓜不斷走出新疆走向世界，伽師瓜的品質和保鮮已成為影響瓜農收益的主要因素。因此開展伽師瓜品質的無損檢測研究對于加快伽師瓜產業的技術進步和提高瓜農的收入，具有重要的現實意義。

為了探索伽師瓜電磁特性的變化規律，本文在0. 1 kHZ～100 kHZ頻段內，研究了測量電壓和測試頻率對其電阻、電感、電容和介質損耗角正切等影響，為伽師瓜最佳采收期的確定提供新的方法和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

伽師瓜樣品：試驗用的伽師瓜采摘于伽師縣伽師瓜種植園中，是南疆地區優質伽師瓜主產區。整個試驗期間選擇大小基本一致(周長大約50 cm，長度大約30 cm)的伽師瓜為測試樣品。

測量參數選擇：測量范圍由所用LCR數字電橋選定，測試參數包括待測樣品的電阻、電感、電容、損耗角正切值和品質因數；測試時選擇電壓分別為0. 1 V、0. 3 V和1. 0 V；在測量頻段內，選擇0. 1 KHz、1. 0 KHz、10. 0 KHz、40. 0 KHz和100. 0 KHz5個測試頻率。

測試裝置及樣品選取：介電常數測量儀為同惠2817型LCR數字電橋。測試溫度為27℃，相對濕度為55%。糖度測量儀為B32T型手持式糖度檢測折光儀，稱重儀為ACS-30型電子計價秤。有效樣品數量為200個，均為形狀接近，大小均勻，無病蟲害及其它損傷的新鮮伽師瓜，其中成熟樣品數量為120個，未成熟樣品數量為80個。

1.2 試驗方法

伽師瓜的成熟期一般為八月到九月，由于伽師瓜品種，種植的時間以及當年當地的氣候差異而略有變化。試驗所用的伽師瓜采集于八月上旬，采摘后測量。以測量電壓、測量頻率為試驗因素，以電容C、電阻R、電感L、損耗角正切值D、品質因數Q為考核指標，采用常規因子試驗設計方法。試驗均重復20次，取其平均值，并采用SAS軟件和Excel軟件進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 測試電壓、測試頻率對測量參數的影響

用SAS軟件對所有試驗數據進行統計分析，考察測量參數與測試電壓、頻率之間的依賴關系。如表1給出了當測試電壓(U)分別為0. 1 V、0. 3 V和1. 0 V時，測量參數電感(L)、電容C、損耗角正切值D、電阻R和品質因數Q隨測試頻率(K)的變化規律。從表1給出的試驗數據可以看出：測量電壓對樣品的測量參數影響不明顯，而頻率對測量參數的影響卻十分顯著。

2.2 不同測試頻率對電學參數的影響

圖1 給出了當測試壓為0. 1 V時，測試頻率與伽師瓜的電磁參數之間的關系。從圖1可以看出伽師瓜的電感(圖1-a)、電容(圖1-b)、損耗角正切值(圖1-c)和電阻(圖1-d)都隨頻率的增大而逐漸減小。伽師瓜作為瓜果的一種，微觀上分析，其內部存在著大量帶電粒子，從而形成生物電場。生物電場的分布和強度會隨著伽師瓜的生長、成熟、腐敗等生物化學變化中物質和能量的轉換而變化，宏觀上通過外界激勵下伽師瓜宏觀介電參數的變化來分析。試驗結果表明，頻率變大時，測量信號的能量增強，伽師瓜對激勵的敏感性減弱，同時對帶電粒子的束縛能力變弱，電感和電容都逐漸減小。隨著測試頻率的增加，波長逐漸變短，兩測量電極間約束在伽師瓜內部的電磁波逐漸增多，導致伽師瓜的導電性能顯著增強，電阻逐漸減小。隨著電容、電阻和電感減小，耗散角正切值亦隨之減小。

表1 測試電壓分別為0. 1 V、0. 3 V和1. 0 V時的測試結果

圖1 當測量電壓為0．1V時，測量頻率與伽師瓜的電學參數之間的關系

2.3 伽師瓜的耗散角正切值和品質因數與其平均糖度的關系

瓜果的平均糖度是衡量瓜果成熟度的一個重要指標。國外主要依據瓜果的平均糖度對其進行品質分級，而不是依據瓜果的大小。因此研究伽師瓜平均糖度與耗散角正切值、品質因數的關系對研究伽師瓜的品質具有重要意義。當測試電壓為0. 1 V，頻率為10 KHz時，伽師瓜耗散角正切值與平均糖度的關系如圖2所示。耗散角正切值通常為材料的耗散因數與介電常數之比，它表示材料與微波的耦合能力，耗散角正切值越大，材料與微波的耦合能力就越強。從圖2可以看出，伽師瓜耗散角正切值隨著伽師瓜的平均糖度呈整體減小趨勢。但是，當伽師瓜的平均糖度大于11%時，伽師瓜耗散角正切值出現震蕩。這主要是成熟后的伽師瓜，影響耗散角正切值的因素變多，比如伽師瓜之間的硬度梯度，糖度梯度，金屬離子的含量，大小和含水率等[16]。當電壓一定時，耗散角正切值隨測量頻率的增大而減小，如圖1(c)所示。當頻率增加時，耗散角正切值較小，也就是微波與伽師瓜的耦合能力減弱，這正好解釋電阻，電容和電感為什么也隨測量頻率的增加而減小。隨著測量頻率的增加微波與伽師瓜耦合能力減弱，其導電性就會大大增強，因此電阻和電感會減小，導電性增強，材料的儲能性能也就減小，導致電容也隨之減小。。

圖2 伽師瓜耗散角正切值與平均糖度的關系圖3 伽師瓜品質因數與平均糖度的關系

品質因數是衡量材料電磁學特性的又一個重要參數。品質因數通常表示一個儲能器件、諧振電路中所儲能量與每周期損耗能量之比。從圖3給出的伽師瓜品質因數與平均糖度的關系可以看出，伽師瓜品質因數與平均糖度是非線性的，但隨著平均糖度的增大總體上呈增加趨勢。綜合圖2伽師瓜耗散角正切值與平均糖度的關系，可以得出這樣的結論：隨著伽師瓜平均糖度的增加，伽師瓜每周期損耗的能量減小的速度比所儲能量減小的速度快。

3 結論

在測量范圍內，測試電壓對伽師瓜各項參數的影響均不顯著；各個電磁參數的變化主要依賴于測量頻率；在測試電壓下，樣品的電容、電感、損耗角正切值和電阻均隨著測量頻率的逐漸變大而變小。這種減小的主要原因是隨著測量頻率的增加，微波與伽師瓜的耦合能力減弱，從而導致其導電性增強，儲能性也隨之減弱。但從伽師瓜耗散角正切值、品質因數與平糖度的關系分析發現，伽師瓜每周期損耗的能量減小的速度比所儲能量減小的速度快。由于伽師瓜耗散角正切值、品質因數與平糖度呈非線性關系，所以不能將伽師瓜耗散角正切值與品質因數作為衡量伽師瓜成熟度的重要參數。

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Experimental Study on the Electromagnetic Properties of JiaShi Melon

Liu Zhaoxia Tang Yurong Lan Haipeng Huang Xincheng Chu Heying*

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Tarim University, Alar, XinJiang 843300)

To explore the relationship between Jiashi melon electromagnetic characteristics and maturity, the electromagnetic characteristics of Jiashi melon were studied by different test frequency and voltage, and the Jiashi melon electromagnetic parameters change rules are analyzed. The results showed that the resistance, inductance, capacitance, loss tangent values of Jiashi melon with the test frequency gradually decreases at 27℃, 0.1-100.0kHz signal measurement range. Test voltage has little impact on inductance，capacitance and loss angle tangent value parameters of Jiashi melon. And discusses the relationship between Jiashi melon average sugar degree and dissipative angle tangent value and quality factor.

Jiashi melon; Electromagnetic properties; Quality factor

2014-06-30

劉朝霞(1981-)，女，講師，在讀博士，主要從事農產品加工及檢測。 E-mail：124621423@qq.com

*為通訊作者 E-mail:37790811@qq.com

1009-0568(2015)01-0097-05

G237.5

A

10.3969/j.issn.1009-0568.2015.01.017