基于介電特性在農產品品質無損檢測中的應用研究

李 博 ， 李傳峰 ，任松偉 ，馬 博

（1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區現代農業工程重點實驗室，新疆阿拉爾 843300）

無損檢測（Nondestructive Determination Technology，NDT），是一種以不破壞被檢測物料檢測其品質的方法。運用物理學方法，被測物料受到從外部環境中給的一個激勵能量，受外界環境的能量激勵時，會得到一個反應物料理化特征的輸入和輸出能量參數的相關關系，從而可得出反應被測物料的物理、化學特性的特定參數，以此可以完成對物料品質進行有效的檢驗，作為評價物料的理化特性新的檢測技術[1]。

農產品在貯藏與加工過程中會發生各種化學變化（含水率、糖含量、有機酸含量等變化） 和物理變化（硬度、形態、顏色等變化），最終會導致其品質的下降，減少了農民的收入。通過運用這種最新的檢測技術來精確控制農產品加工和貯藏的理化特性，使農產品品質達到最佳。因此，研究利用介電特性檢測的最新技術將成為今后發展的重要研究方向[2]。

1 農產品的介電特性

農產品物料在微觀上作為不均勻的電介質，隨著農產品采摘后內部物質的轉化，生物內部不同的組織影響了農產品內部生物分子中排列電荷對外加電場的響應特性。宏觀上表現為影響不同的介電特性參數。農產品的主要介電參數有相對介電常數ε'、介電損耗ε''、損耗角正切tanδ和介質的等效阻抗|Z|等[3]。

農產品物料在受到外界電場刺激時產生對外界的響應，這種響應通常采用不同介電參數來描述農產品受到電場時所表現出的不同特性。利用農產品的介電特性的檢測方法，以此來用精確的相關參數表示農產品物料的含水量、新鮮度等品質的關系，可用來監測農產品的生長情況，并檢測農產品貯藏過程中的保鮮程度，從而為實現物料的深加工和分級提供一種新的技術手段。因此，了解介電特性對于不同農產品的檢測應用具有重要的研究意義[4]。

2 介電特性的測定方法

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

人們經常利用平行極板（電容器）技術研究[5-6]種子、果品等農產品的介電特性，取得了一定的研究進展。利用被測量的農業物料填充滿電極板，測得農產品物料的電容、等效的阻抗或介電損耗的介電參數。該方法的優點為原理簡單、儀器成本低、測量精度較高。測量主要頻率范圍為100 MHz以下的低頻范圍。

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

傳輸線技術對被測物料品的樣品形狀要求苛刻，且該方法的測試頻率范圍比較小，導致被測物料的樣品制備過程比較繁雜，因此該技術方法在農產品介電特性測量中的應用具有一定的局限性，但該方法的突出優點是測量精度比同軸探頭法的測量精度高。

自由空間法主要通過網絡分析儀發出的特定頻率變化的微波，利用儀器將微波聚集在被測物料上而進行檢測。該方法現在主要用于測量小麥的相對復介電常數[8]。該方法主要優點是非接觸、可以用于環境惡劣的介電參數的測定。但對于物料的樣品也有一定的要求，因此導致該方法也有一定的應用局限性。

諧振腔技術相比較與其他方法測試精度比較高，但對設備的要求高，對損耗因數低的樣品具有高的敏感度。在該方法測試不同幾個頻率下介電參數的測量時，發現該方法分析過程比較繁雜。在測試之前樣品的截面尺寸，必須提前精確測量。導致該檢測方法測量過程比較復雜。因此必須研究測試物料介電性的頻率特性，才能更好地使用該技術[9]。

3 影響農產品介電特性的因素

測試條件（頻率、電壓）和農產品品質（含水率、新鮮度、含糖量和酸度）是影響農產品介電特性的主要因素。詳細研究了解其影響規律特點，不斷修正該檢測技術的測量條件，探索其在農產品品質檢測中的應用前景。

3.1 測試條件對介電特性的影響

農產品的介電特性主要受到頻率、電壓、外界環境的溫度和濕度的影響。

3.1.1 頻率和電壓的影響

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

袁子惠等人[11]研究了芒果的相對介電常數在100～20 000 Hz頻率范圍內的變化基本呈線性相關。在溫度一定時，隨著測試頻率的增大，得出了介電損耗因數不斷減小。孔繁榮等人[12]研究了蘋果在20～4 500 MHz頻率范圍內的參數變化。隨著頻率的增加，介電損耗因數先減小后增大，介電常數減小，介電常數最小值出現在頻率為2 000 MHz。Ikediala J N等人[13]研究了30 MHz～3 GHz頻率范圍內4個品種蘋果介的介電參數變化，得出了不同頻率電參數的影響規律，隨著頻率的增加，影響介電常數值在不斷減小，并且在頻率為 915 MHz，介質損耗因數最小。郭文川[10]研究了在5～150 kHz低頻下水果介電參數值的變化規律，隨著頻率的增大，電容值不斷減小，并對不同水果（蘋果、梨和獼猴桃） 的介電參數在不同電壓的影響下進行了測定。得出在頻率一定時，這幾種水果的介電參數值會受到信號電壓的影響而變化，得到了信號電壓的檢測臨界值。得到了電壓影響介電參數值的規律，當測量電壓大于臨界電壓值時；隨測量電壓的增加而電容值減小，損耗角正切值增大。當測量電壓小于該臨界電壓值時；電容和損耗角正切值不再發生變化。結果表明，不同果品的測定電壓臨界值是不一樣的，從而為提出了介電特性檢測水果種類的新方法奠定了理論基礎。

3.1.2 環境溫度的影響

測試環境溫度主要影響生物組織內帶電粒子的運動快慢，從而影響對農產品內部品質（營養成分）的檢測。另一方面，環境溫度也會影響農產品表面水分的運動狀態，影響介電參數測定的精確度。

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的影響變化規律。得到在特定的頻率下，溫度大的升高，介質損耗因數先升高后降低，果蔬的介電常數減小。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，在0～40℃內測定了火柿果實介電參數的規律特性。火柿果實介電參數的變化明顯（p＜0.01），兩者之間呈線性相關關系，得出了決定的系數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的變化規律。得出了在測試的24個不同的頻率影響下，阻抗、電容值的介電參數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 農產品品質對介電特性的影響

農產品的品質（含水率、新鮮度、含糖量和酸度）是影響農產品介電特性又一個主要因素。深入研究了解其影響規律，為探索農產品的品質、快速檢測的新方法奠定理論基礎。

3.2.1 含水率的影響

農產品物料的含水率是影響農產品介電特性的一個重要因素，是反映農產品新鮮程度的重要指標，也是農產品分級重要的參考指標[10]。

Nelson S O[17]研究測定了3種新鮮洋蔥的介電常數和介質損耗因數的值，并用這些數據很好地模擬了洋蔥含水率的值。并得出含水率的不同對洋蔥的介電特參數值的影響規律。Feng H等人[18]對蘋果的介電常數和介質損耗因子在4.0%～87.5%含水率范圍內進行研究；在高含水率（23%～70%） 時，自由水是生物組織離子運動的主要影響因素；在含水率下降（約4%）時，物料中束縛水是生物體組織離子運動的主要影響因素。并得出了隨著含水率的減小，介電常數和損耗因數的也隨之減小。Kraszewski A W等人[19]利用不同頻域和時域下對農產品含水率的測定，得到了關于農產品的介電特性檢測技術中含水率對介電特性影響的結論。郝曉莉等人[20]對水稻、玉米和大豆3種農產品物料的含水率進行了檢測研究，得到了物料的含水率對介電參數的相關關系。這些都說明農產品的介電常數和損耗因數主要依賴于物料的含水率。

3.2.2 新鮮度的影響

農產品物料采摘后最主要的代謝過程是呼吸作用。在呼吸作用下會消耗自身的有機物，使淀粉、多糖等有機化合物逐步被分解為二氧化碳、水或其他小分子物質。分解后產生的有機化合物質、水及其他分解后的小分子物質都可以導致果品內部空間電荷的排布變化，在外界電場的作用下，影響農產品的介電參數值的變化。

Kato K[21]研究了在 10～13 MHz的頻率范圍內，對不同新鮮度水果的介電特性參數進行了測試試驗，結果表明，不新鮮水果的介電常數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）電極方法測定了蘋果在未破壞下的介電參數值，并用破壞性方法研究了在 100～100 kHz的測試頻率段內的蘋果切片組織，得出了蘋果的貯藏時間越長，阻抗值越大，相對介電常數和介質損耗因數越小。通過用PC計算機及自主開發的水果介電特性無損檢測軟件、結合LCR測試儀，在線測定了不同內部品質蘋果的介電特性參數值的變化規律。

關于新鮮度對介電特性檢測方法的影響，目前介電特性的研究對采摘后的農產品物料，取得了一定的研究進展，但研究對象主要集中于芒果、桃、梨、蘋果等主要的果品中[10]。而在不同階段對與不同農產品物料的品質的差異研究較少，需要不斷加強該方面的研究。

3.2.3 糖度和酸度的影響

農產品的介電特性參數變化除了受上述因素的影響外，還受到農產品中的主要內部營養成分（糖度、酸度）的影響，人們也在研究探索介電特性參數與內部營養成分（糖度、酸度）之間的定量關系。

Kato K[23]通過對西瓜等果品的試驗研究，得出介電參數與含糖量之間的相關關系。利用交流電導率，對于柑橘和番茄汁中的營養成分（有機酸、含糖量）的測定，得出了并確立它們之間的相關測定理論。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和介質損耗因子分別與可溶性固形物含量（SSC）的關系。在它們有關描繪的復平面圖中，當介電常數和介質損耗因子分別除以可溶性固形物含量（SSC）時，它們之間具有很高相關性。部分專家研究以LCR測試儀在 90 kHz下對寧夏靈武長棗內部品質檢測的結果表明，串聯等效電阻隨糖度增加呈下降趨勢，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性。有研究人員研究了以蘋果汁的濃度系數為目的，得到蘋果的糖度，測定了等效電阻與等效電容的介電參數，得出了糖度與等效電阻與等效電容之間的關系。郭文川[10]研究了哈密瓜的介電特性及其與內部糖度含量的相關關系，得到了在1.8 GHz頻率下哈密瓜汁的介電參數值（損耗角正切介電參數值、介電常數值）與糖度有較好的相關性，這些研究都為利用介電特性檢測糖度的新型儀器開發提供了理論基礎。

4 結語

近年來，該介電性檢測技術經過不斷研究，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新技術，為實現農產品品質的快速檢測提供了實際應用的可能，發現了該方法用于農產品的加工分選、貯藏運輸方面具有非常廣闊的應用前景。而不同農產品品質間的個體差異和主要成分的差異對介電特性參數的影響也是顯而易見的，因此加強不同農產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方法相結合起來，使得農產品品質能更加快速準確、科學的檢測，這些問題都有待人們進一步深入研究。

新疆特色農產品關于介電特性的無損檢測技術的研究應用較少。研究用于測試桃、芒果、蘋果等的農產品介電特性無損檢測技術，是否能夠準確檢測新疆特色農產品需要進一步研究，并不斷修正其測量條件、測試的環境因素，從而為精確建立新疆紅棗的介電特性參數與品質的關系。通過探索利用無損檢測方法測定新疆紅棗的介電特性參數值，同時利用非破壞性檢測方法測定新疆紅棗的內部化學品質（含水率、糖度、酸度），并建立起介電特性參數與其內部品質之間的數學模型，為新疆紅棗品質的確定、采后清選分級和貯藏的介電特性無損檢測做精確研究。下一步，將充分利用已經取得成果，針對特定農產品的介電特性檢測系統的設計、測量頻率的選擇、農產品介電特性與其內部品質之間數學模型的建立，從而達到測量農產品的介電特性參數來判斷其內部品質，并利用品質的不同來對農產品進行分級的處理，使該技術更好地應用到農產品的無損檢測中，并提高我國農產品貯藏和加工處理能力，促進我國農產品深加工現代化的能力。