南疆溫185核桃的基礎電學特性

郝中誠　張宏　蘭海鵬等

摘要：以南疆溫185核桃為研究對象，應用基于LCR數字電橋的農業物料電學特性檢測系統，分別在不同的測試頻率和測試電壓下研究電學指標的變化規律，應用Excel和Origin軟件對試驗數據進行分析處理。結果表明，在測量參數范圍內，測試頻率和測試電壓對溫185核桃的電學特性影響顯著；并聯等效電路和串聯等效電路的等效形式對電學特性影響不顯著；適合于溫185核桃的基礎測量條件為頻率處于0.5～1.0 kHz之間、電壓處于0.5～1.0 V之間。研究結果可為核桃電學特性的相關研究提供參考。

關鍵詞：核桃；電壓；頻率；電學特性

中圖分類號： S664.101 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0391-03

素有“長壽果”之稱的溫185核桃是南疆林果業主要特產之一，目前，核桃的品質檢測工序尚無專業的技術和設備，破壞性的人工抽檢是核桃加工企業的主要應用方式，一定程度上消減了核桃的經濟價值。核桃自身的物性特征與基于電學特性的無損檢測技術具有較高的匹配特性，測試頻率和測試電壓等基礎測量參數的選取是闡明核桃電學特性的首要問題，更是該技術在核桃檢測加工中能否應用的瓶頸。針對溫185核桃研究其電學特性檢測的基礎測量參數具有重要的理論意義和實踐價值。

在農業物料電學特性的研究方面，國內外學者的研究涉及較多的品種，如早期的Dunlap等應用18 kHz～5 MHz頻段的電容測量法對胡蘿卜進行了測量研究，研究結果表明，介電常數和電導率隨含水率的不同而變化顯著，且試驗受到如測試頻率、溫度、密度等諸多因素的影響，胡蘿卜的含水率在6%～8%時，介電常數以及電導率變化不顯著，而當含水率較高時，介電常數會迅速升高[1]。Tulasidas等在2.45 GHz下對葡萄的電學特性進行了試驗，結果表明，隨著含水率的下降，葡萄的耗散因數和介電常數都隨之下降，在高溫和低含水率時，介電常數有明顯的變化[2]。針對含水率相對較低的農產品，電學特性應用較廣泛。Nelson等采用1～5 MHz頻段的電容測量法對美洲山核桃進行了研究，得出在某一頻段內山核桃的介電常數隨頻率的增加而均勻減小的結論[3-6]。郭文川等在板栗等農業物料電學特性的無損檢測技術研究上作出了突出貢獻[7-9]。而針對于南疆溫185核桃電學特性的探討尚處于空白階段，研究其基礎測量參數的變化規律，對基于電學特性無損檢測手段的應用具有重要的意義。

本研究以溫185核桃為對象，研究不同的測試頻率和電壓對核桃電學特性的影響規律，旨在明確適合于溫185核桃的基礎電學測量參數的應用范圍，為核桃電學特性的研究提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

核桃樣品：試驗采用含水率為5%～7%、果徑為45～50 mm 的南疆溫185薄皮核桃，剔除有機械損傷及病蟲害的核桃。

1.2 設備

高頻LCR數字電橋測量儀（TH2828S，常州市優高電子科技有限公司）；游標卡尺（0.02 mm，桂林量具刃具廠）；電熱鼓風干燥箱（GZX-9140MBE，上海博迅實業有限公司醫療設備廠）等。

1.3 試驗方法

試驗溫度控制在25 ℃，相對濕度控制在55%；使用電熱鼓風干燥箱把樣品的含水率控制在5%～7%；為減小外部環境的干擾，用直徑為10 mm的2個銅質探頭作為夾持裝置，同時精確控制對核桃的夾持力，測量系統原理見圖1。

1.4 頻率、電壓的測量

使用高頻LCR數字電橋對核桃進行測試頻率、測試電壓2個參數的測量，以Cp、Cs、Q、R、D為考核指標，采用單因素試驗的設計方法[10]，試驗的因素水平編碼見表1，考核指標見表2。

1.5 數據處理

試驗重復10次取平均值，采用Excel軟件和Origin軟件對數據進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 測試頻率與電學參數的關系

在測試電壓為1.0 V時，核桃的電學特性參數與測試頻率之間的關系見圖2。結果表明，頻率小于0.5 kHz時各參數急劇變化，而頻率超過1.0 kHz以后圖形趨于平穩。頻率小于 0.5 kHz時，測試電壓對Cp、Cs、D、R等參數的影響極不穩定，受到了外在因素的強烈干擾，當頻率超過1.0 kHz以后則對這些參數的影響不顯著，當頻率在0.5～1.0 kHz之間時對這些參數的影響穩定且顯著。

2.2 測試電壓與電學參數的關系

當測試頻率為1.0 kHz時，核桃的電學特性參數與測試電壓之間的關系見圖3。當電壓小于0.5 V時圖形各參數急劇變化，而當電壓超過1.0 V以后各參數變化趨于平穩。表明電壓小于0.5 V時，測試電壓對Cp、Cs、Q、R等參數的影響極不穩定，受到了外在因素的強烈干擾，而當電壓超過1.0 V以后則對這些參數影響不顯著。

3 結論

在測量參數范圍內，當頻率處于0.5～1.0 kHz之間時對Cp、Cs、D、R等參數的影響穩定且顯著，而頻率低于0.5 kHz時對這些參數的影響不規律，超過1.0 kHz以后則對這些參數的影響不顯著。電壓處于0.5～1.0 V之間時對Cp、Cs、Q、R等參數的影響穩定且顯著， 而電壓低于0.5 V時對這些參數的影響不規律，超過1.0 V以后對這些參數的影響不顯著。

適合于溫185核桃的基礎測量條件為頻率處于0.5～10 kHz之間、電壓處于0.5～1.0 V之間。此試驗結果可為核桃電學特性的研究方法提供參考。

參考文獻：

[1]Dunlap J R，Makower B. Radio-frequency dielectric properties of dehydrated carrots application to moisture determination by electrical methods[J]. The Journal of Physical Chemistry，1945，49（6）：601-622.

[2]Tulasidas T N，Raghavan G S V，vau de Voort F，et al. Dielectric properties of grapes and sugar solutions at 2.45 GHz[J]. The Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy，1995，30（2）：117-123.

[3]Nelson S O，Guo W C，Trabelsi S，et al. Dielectric properties of watermelons for quality sensing[J]. Measurement Science and Technology，2007，18：1887-1892.

[4]Guo W C，Nelson S O，Trabelsi S，et al. 10～1 800 MHz dielectric properties of fresh apples during storage[J]. Journal of Food Engineering，2007，83（4）：562-569.

[5]Nelson S O. RF impedance sensing for moisture content in individual dates[J]. Transactions of the ASAR，2007，37（3）：887-891.

[6]郭文川，朱新華，郭康權. 果品內在品質無損檢測技術的研究進展[J]. 農業工程學報，2001，17（5）：1-5.

[7]郭文川，郭康權，王乃信. 電激勵信號的頻率和電壓對果品電特性的影響[J]. 農業工程學報，2004，20（2）：62-65.

[8]郭文川，Stuart O N，Samir T，等. 蜜瓜和西瓜果汁的射頻介電特性及其與糖度的關系[J]. 農業工程學報，2008，24（5）：289-292.

[9]郭文川，朱新華. 國外農產品及食品介電特性測量技術及應用[J]. 農業工程學報，2009，25（2）：308-312.

[10][ZK（]蘭海鵬，唐玉榮，劉文亮，等.成熟期基庫爾勒香梨電學特性研究[J]. 農機化研究，2014（7）：178-181.