介電特性在蘋果品種識別中應用的初步探究

張偉蓮

（蘭州理工大學，730050）

中國地大物博，資源豐富，是水果生產和消費大國。但由于我國水果加工水平較低，每年因儲藏浪費掉的新鮮水果就占有重大的比重，僅僅靠內銷，解決不了這一重大問題，果農們的收入也很難得到提高[1]。因此，只有不斷增強水果加工水平，加大出口力度，才能使這一難題得以解決。然而我國在水果分選上存在很多問題，檢測能力差、識別率低、速度慢、效率低，分選出的水果達不到出口要求，這一問題急需解決。

水果，是一種生物體，是由生物組織組成的。從微觀上看，水果內部存在大量的帶電粒子，粒子相互作用，產生生物電場。水果在在其不同階段，其內部的物質與成分會發生微弱變化，生物電場分布及分布強度也會隨之改變。在宏觀表現上，水果存在內部電特性。因而水果結構、成分以及品質不同，其介電特性會存在很大差異。

本文以蘋果為例，通過對水果的介電特性的研究，探索基于介電特性的水果品種識別方法，旨在探索出一種簡單的水果品質識別方法，可有效利用介電特性對水果進行分選，從而提升水果分類自動化的進程。

1 介電特性的基本概念

水果中存在大量的電介質，可通過測量其介電特性進行品質識別。電介質是指在電場作用下具有極化能力的一種物質，在其中長期存在電場，該物質可以以電極化的方式傳遞、存貯或記錄電場的作用與影響。介電特性是指電介質材料中存在的束縛電荷對外加電場的響應特性，是電介質材料抵制外加電場在其中形成電場的能力。電磁波作用于電介質材料時，材料中就會產生電流，介電特性就是阻礙這種現象的產生的一種現象[2]。材料的介電特性源自在電介質材料中存在的電子、原子、離子的電場作用下發生的位移。顯然材料的結構不同，這些位移以及由此而引起的介電性質也不相同。

目前國內外對水果節電特性做了一定研究，并取得了一些成果。國外早在20世紀70年代就已經開始利用水果介電特性對其品質進行快速測試，目前美國、日本、歐洲等發達國家在這方面的研究已非常深入。例如，Tran 等人研究了室溫下100-10000MHz 范圍內，蘋果、桃子、梨等水果的介電特性。研究結果表明，介電常數和損耗因數存在一定的關聯。MartinE.M.E.等人研究了蘋果在真空中入不同濕度的介電特性，結果表明水分活度在0.9附近時電介質損耗機理顯著增加。[1-2]而國內在此方面的研究起步較晚，在20世紀80年代末、90年代初才有報道出現。雖起步較晚，但我國在此領域也取得了一定的進展。例如，張立彬等人采用平板電極，用破壞性方法研究了金帥蘋果切片組織的介電特性與新鮮度的關系，研究結果表明，蘋果的介電特性與新鮮度具有明顯的相關性。郭文川等人對蘋果、梨和獼猴桃介電參數的電壓特性進行了測定。結果表明：信號頻率一定時，果品介電參數跟信號電壓有關。[3]

2 品種識別檢測裝置及試驗原理

本文采用平行極板測試技術，對蘋果的介電性質進行測試[4]。此方法測試簡便，信號的獲取和處理也比較容易，是通過測試水果本身的介電參數變化，從而反映出水果的品質、種類。

2.1 平行極板技術

平行極板技術是將一薄板材料夾在兩電極之間形成電容器，利用電介質填充在電容器中時電容容量的變化而測量材料特性。應用該技術的無損檢測系統主要由電腦主機、LCR 測量儀、電極板、屏蔽網、夾持系統及數據傳輸線組成，如圖1所示。

噬菌體侵染細菌的過程分為“吸附—注入—復制合成—組裝—釋放”等步驟。對這些步驟學生十分陌生，如果只是一味地依靠教師講解，則枯燥乏味。教師可利用自制磁貼教具（圖3），使侵染過程清楚，一目了然，激發了學生的學習興趣，也突破了過程難點。

（1）主機：控制器和存儲器，可顯示試驗過程的頻率和電特性參數。

（2）智能測量儀器：試驗選用的測量儀器是一種運用計算機控制的測量儀器，可自動測量電感、電容以及阻抗等參數。實驗儀器的測量頻率范圍為12Hz-100KHz，可測數據點可達503個，精確度可達0.05%。

（3）屏蔽雙絞線：屏蔽雙絞線采用雙線的方式，每單根屏蔽線都用另外一單根屏蔽線以相反的方向環繞，從而消除電感影響。雙絞線一端接在測量儀器上，另一端接在極板上。

（4）測試容器：在測試實驗中，采用的測試箱為長方體實驗箱，是用鐵皮板制作的。該試驗箱周圍用鋁箔紙包裹，包裹嚴密，并使用一根接地線接地，從而減少外界的電磁干擾。

（5）電極：測試所用電極板是長方行電極板，利用覆銅板制作而成。在測試過程中，電極板與被測樣品始終保持平行接觸狀態。

2.2 介電特性測量的原理與步驟

介電特性測量的基本原理為：水果隨著時間的變化伴其電介質特征參數也會發生變化，這一變化可通過對介電特性參數的檢測獲得。在測試過程中，首先計算出水果的介電特性參數，然后利用測試裝置檢測水果的實際介電特性參數，并與計算參數相比較，從而實現水果品質的在線自動識別。

介電特性測量步驟主要有以下三個：儀器校正，參數設置，數據記錄與保存。

2.2.1 儀器校正

因為儀器的測量誤差都是隨著時間的增加而增加的，儀器校正是測試工作中顯得非常重要。為確保實驗儀器的高精確度，在進行測試之前應首先對其進行校正，減小并避免系統誤差。儀器校正的第一個步驟就是將測試儀器與測試夾具按照規定要求進行正確連接，開機預熱一段時間后再對儀器進行校正，因為測試儀器剛開啟，很多儀器還都沒有達到正常工作狀態，測試結果很有偏差。

儀器校正有兩部分：短路校正和開路校正。短路校正是為了消除儀器的殘余阻抗，而在測試裝置短路的前提下進行校正的。開路校正則是為了補償高阻抗的測量，將測試夾具的兩端開路進行校正的。

2.2.2 參數設置

介電特性的測量參數主要有以下三個：偏壓設置、測試平均值設置、自動測量設置、等效電路設置、速度設置、頻率設置和測量數據顯示設置。

①偏壓設置

測試電壓偏置使用儀器內部偏置，外部偏置電壓設為0，設置測量電壓為1V。

②測試平均值設置

為確保測試所得數據的可靠穩定性，在儀器的測量中，測試儀器可顯示多次測量數據的平均值。測量次數的設定是根據經驗選取的。如果次數選取過多，耗時較長；如果次數選擇較少，數據的精確性又會受到很大影響。根據本實驗室以往測試經驗，將測量次數的設定為12次，這樣既保證了較高的數據精度，時間消耗也較少。

③自動測量設置

該智能 LCR 測試儀有兩種測量方式：手動測量和自動測量。為方便進行，我們采用自動測試的方式進行測試。

圖1 平行極板技術檢測裝置

④等效電路設置

測試中電路連接方式為串聯電路，故將測試裝置的等效電路模型設置為串聯電路。

⑤速度設置

該測試儀器測量速度有慢速、中速、快速三種。為確保測試精確度，我們將測量速度設置為慢速，這樣可以時測試的精準度得到很大提升。

⑥測量數據輸出

該測試儀器測量結果顯示形式有三種：絕對值、Delta值和Delta%值。測試儀器進行一次測試可獲得兩個數據：其分辨率分別為5位和4位，我們將數據輸出形式設置為輸出實際值。

⑦測試頻率設置

測試用儀器的測試頻率范圍為12Hz-100KHz，測量方式為點測量，故每次使用該儀器進行測量時，都要輸入測試頻率。我們選用的頻率范圍為1KHz-100KHz。

3 試驗

蘋果品種選用紅富士蘋果和紅星蘋果，每個蘋果樣品購買后在測試進行以前首先在實驗室放置12小時，使蘋果的溫度與實驗室溫度基本保持一致。準備工作完成后，開始進行相應的介電特性測量，測量頻率為1KHz～100KHz。為保證測試精度，每完成一次測試都要對測試裝置重新進行校正和參數設置。在每次測試中，電極板與樣品中軸平行并保持接觸，每個樣品重復進行試驗10次，測出結果求出平均值。

4 結論

4.1 紅富士蘋果的相對介電常數較大，平均約為130左右，而紅星蘋果，相對介電常數則較小，平均約為110左右，固可用相對介電常數的差異區分蘋果品種。本文規定：當相對介電常數大于120時，被測樣品為紅富士蘋果，當介電常數小于120時，被測樣品為紅星蘋果。分別取20個紅富士蘋果和紅星蘋果對該方法進行驗證，結果表明，該方法對兩種果品的識別率分別為92%和94%，平均識別率為93%。

4.2 蘋果的阻抗與施加信號的頻率有關，因此利用蘋果的阻抗這一參數不能作為評價指標評價蘋果品質。

4.3 相對介電常數與蘋果的品質識別程度有很大的相關性，可用于評價蘋果的內部品質。

5 展望

由試驗結果可知，利用介電特性檢測方法進行品種識別在技術和原理上都是可行的，其應用前景十分廣闊。但不同的水果存在很大差異，外形尺寸，內部成分等等都各不相同，同種水果和在不同階段其內部生理變化也極其復雜，這使得識別的精度和效率難以大幅度提升，一些客官因素如溫度、濕度等條件，也會對試驗結果產生一定影響，識別率很難大幅度提升，故應對測試系統、機械系統以及軟件系統進行不斷完善，從硬件和軟件上提升測試水平。

[1]郭文川.果蔬介電特性研究綜述[J].農業工程學報，2007，23（5）：284-289.

[2]沈江潔，黃森，張院民等.基于果品介電特性的無損檢測技術研究進展[J].農機化研究，2011，33（5）：16-19.DOI：10.3969/j.issn.1003-188X.2011.05.004.

[3]郭文川，朱新華，王轉衛等.基于介電特性的果品種類識別試驗[J].農業機械學報，2005，36（7）：158-160.DOI：10.3969/j.issn.1000-1298.2005.07.041.

[4]胥芳，計時鳴，張立彬等.水果電特性的無損檢測在水果分選中的應用[J].農業機械學報，2002，33（2）：53-56，60.DOI：10.3969/j.issn.1000-1298.2002.02.016.