基于電特性的新疆駿棗含水率的試驗研究

李大偉，陳　超，蘭海鵬，弋曉康

(1.塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾　843300；2.新疆阿拉爾質量技術監督局，新疆 阿拉爾　843300)

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基于電特性的新疆駿棗含水率的試驗研究

李大偉1，陳超2，蘭海鵬1，弋曉康1

(1.塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾843300；2.新疆阿拉爾質量技術監督局，新疆 阿拉爾843300)

摘要：為探究新疆地區紅棗含水率的檢測方法，運用TH2828S型LCR測量儀對紅棗電特性與含水率的變化進行測定，分析了紅棗含水率不同頻率下電特性變化，并建立紅棗含水率電特性參數模型。以整顆紅棗為試驗對象，在電源電壓1V及縱向壓力(0.1kg)下測試了低頻段(200～1 000Hz)紅棗含水率電特性參數變化規律。試驗結果表明：在含水率55.85%以下，紅棗含水率與復阻抗Z呈負相關，通過電特性參數可以實現紅棗含水率檢測。

關鍵詞：檢測方法；含水率；電特性參數；紅棗

0引言

紅棗系鼠李科植物，具有很高的營養價值和藥用價值，素有“維生素王”之美稱[1]。新疆地區地廣人稀，紅棗種植面積大，紅棗含水率的高低直接影響棗農的經濟利益。目前，基于國內外對紅棗含水率及其電特性方面的關系研究甚少，因而本文對新疆地區駿棗的電學特性進行研究，對紅棗深加工具有一定的理論指導意義。

自20世紀50年代第1篇關于谷物的介電特性[2]的研究報道以來，國內外學者對農產品的電特性進行了深層研究。1988年，日本學者加藤宏朗在10～13MHz頻率范圍內對水果研究，發現介電常數和水果內部結構有關，且測量結果和所選頻率密切相關[3]。1994年，Nelson 和Lawrence等利用電容測量法在1～5MHz頻段對單個大豆進行檢測，發現介電常數隨果蔬種類不同而不同[4]。國內研究起步相對較晚，張立彬等(1996)[5]在10～100kHz用破壞法對金帥蘋果進行測量,結果發現隨著測量頻率的增大，蘋果果肉介電常數和介質損耗因子減小，但等效阻抗增大。鮑一丹等(2006)[6]利用介電特性對不同頻率下不同含水率的大豆的損耗角正切、等效電阻、等效電容等參數進行了測量，發現大豆的最佳測試頻率是1kHz。蘭海鵬等[7]對成熟期的庫爾勒香梨進行了電學研究，結果表明：在電壓0～1V的測量范圍內，在測量頻率≤1kHz時，電感隨著香梨的成熟度增大而增大；當測試頻率≥1kHz時，電感和電容則表現出無規則波動。郭文川等[8]在1～1 000kHz范圍內對薏米的含水率、溫度、相對介電常數、頻率之間的關系進行了研究，發現相對介電常數隨著信號頻率的增大而減小，隨著測量溫度和含水率的增大而增大。

由微觀世界可知：生物組織由細胞組成，細胞由細胞內液、細胞外液及細胞膜組成。由于細胞內液和外液含水率比較高，水又是極性分子，具有導電的性能，所以可以把細胞外液和內液等效為電阻，而細胞膜的絕緣性較高，等效為電容。所以，在交變電流的作用下，細胞可以等效為電阻和電容的串聯或并聯模型，水果等生物組織呈現出一定的電學特性。基于以上理論，探究紅棗的含水率與各電參數的關聯性，可以為紅棗含水率的快速檢測提供新的思路和方法。

1試驗材料、系統與方法

1.1試驗材料

試驗用新鮮的紅棗來源于新疆阿拉爾塔里木大漠棗業基地，選用駿棗，2014年9月采摘，挑選果實新鮮、大小均勻、色澤基本一致，以及完全成熟的原料作為試驗材料；用保鮮袋封裝存儲于攝氏5℃的冰箱里，以備試驗。

1.2試驗系統

本試驗采用接觸式無損檢測方法，采用紅棗的縱向直徑直接接觸上下平行銅板(銅板直徑均為10mm)的接觸方式，測試系統為TH2828S型LCR測量儀。夾持紅棗的夾具通過雙絞屏蔽線與電極板連接，兩電極板之間的間距可以通過旋轉屏蔽箱外縱向螺桿進行調節；當兩極板間放入紅棗，兩極板與紅棗之間的夾持力度可以通過GWT-1型果品物理特性檢測儀進行檢測，最后測得的數據通過LCR上的顯示屏直接顯示出。其它儀器設備：先行者CP3102型電子天平(精度為±0.01g)；TH2828S型LCR測量儀；GWT-1型果品物理特性檢測儀；GZX-9140MBE型電熱鼓風干燥箱。電特性試驗系統如圖1所示。

圖1　電特性實驗系統圖

1.3試驗方法

取大小適中，質量為32.10g的單粒紅棗，測量條件為空氣濕度30% ，溫度20℃。設定測試電壓為1V，縱向夾持力0.1kg，測量在電源頻率(200、400、600、800、1 000Hz)、濕基含水率(61.99%、55.85%、48.26%、39.96%、28.78%)下紅棗的9個電參數的變化值，每組電參數測試3次取平均值作為試驗的測量值。采用EXCEL和origin8.5.1軟件對試驗的各個參數進行分析，得出含水率在不同測試條件下與電參數之間的關聯性。

2數據處理與分析

測試因子水平編碼表及表考核指標編碼表，如表1和表2所示。

表1　測試因子水平編碼表

2.1紅棗電學特性的判定

結合圖2和圖3中電抗X和阻抗角θ的變化可知：在夾持力度0.1kg下，紅棗的電抗X均在0值以下，由X=Xc+Xl(其中，Xc<0)的關系知紅棗呈容性的電學模型。同時從圖3可以看出：阻抗角θ一直處于0°以下，根據公式tanθ=X/R，驗證了紅棗呈容性的電學模型。

表2　考核指標編碼表

圖2　不同頻率下紅棗的電抗X隨含水率變化曲線

圖3　不同頻率下紅棗的阻抗角θ

2.2紅棗電學模型的確立

從圖4可以看出：當紅棗含水率在55.85%時的復阻抗幾乎為0的條件下，假設紅棗模型為電阻和電容并聯模型。從圖5和圖6中可以看出：并聯等效電阻Rp和串聯等效電阻Rs均趨于0，并聯模型中電容被短接。在并聯等壓分流的情況下由公式U=I·Xc可知：當流過電容的電流為0，并聯容抗值趨于無窮，與圖4中此時復阻抗Z接近于0不符；當電阻和電容的串聯模型時，電源電壓不變，串聯等效電阻值在含水率為55.85%時趨于0，由于復阻抗也趨于0，那么串聯等效容抗必趨于0。根據容抗公式Xc=1/WC可知,此時串聯等效電容值會比較大，與圖7中所測量的串聯等效電容值相符合，可以得出紅棗模型為電阻和電容的串聯模型。

圖5　不同頻率下紅棗的并聯等效電阻Rp隨含水率變化曲線

圖6　不同頻率下紅棗的串聯等效電阻Rs隨含水率變化曲線

圖7　不同頻率下紅棗的串聯等效電容Cs隨含水率變化曲線

2.3電參數與含水率關系的確定

分析串聯模型中即圖4、圖6和圖7中的復阻抗Z、串聯等效電阻Rs、串聯等效電容Cs與含水率的關系。

由圖6可知：當含水率大于55.85%時，各頻率下的串聯等效電阻Rs隨著含水率的減少而降低，當含水率小于55.85%時，各頻率下串聯等效電阻Rs隨著含水率的減小趨于平緩，可以得出串聯等效電阻Rs和含水率的相關性不大。

圖7中各頻率下的串聯等效電容Cs在含水率48.26%～61.99%之間呈無規則變化，而在48.26%以下幾乎重合成一條直線，波動趨近于0。原因是影響電容值的主要是紅棗自由水中的極性分子，隨著紅棗含水率的下降，極性分子越來越少，導致串聯等效電容Cs在含水率48%以下時最終趨向于0。 由此可知：串聯等效電容Cs和含水率的相關性不大。

圖4中各頻率下的復阻抗Z在含水率55.85～61.99%范圍內隨著含水率的降低而減少，呈正相關性，當含水率小于55.85%時復阻抗Z隨著含水率的降低而增大，可以得出復阻抗和紅棗含水率有很強的負相關性。

2.4頻率對復阻抗Z的影響

由圖4可知：當紅棗含水率大于55.85%時，頻率對一定含水率下的復阻抗Z影響不明顯；當紅棗含水率小于55.85%時，隨著頻率的升高，復阻抗Z呈現下降趨勢。這是由于頻率升高，紅棗中的極性分子的變化跟不上外加電場的變化，最終導致電容C的下降。由公式Xc=1/WC和Z=R+Xc驗證可知，試驗結果與理論分析一致。

3結論

運用TH2828S型LCR測量儀對紅棗電特性與含水率的變化進行測定，結果表明：紅棗的電學模型符合為電阻和電容串聯模型；紅棗的復阻抗Z與含水率的關聯性較大，在頻率1 000Hz以內，可以用復阻抗來檢驗紅棗的含水率，即在含水率55.85%以下，復阻抗隨著含水率的減少而增大；頻率會對復阻抗Z有一定的影響，且在含水率55.85%以下，復阻抗Z隨著電源頻率的升高而呈下降趨勢。本研究可為進一步研究紅棗的電學特性提供一定的借鑒和參考，并為紅棗含水率的快速檢測奠定了理論基礎。

參考文獻：

[1]弋曉康，吳文福，崔何磊，等.紅棗熱風干燥特性的單因素試驗研究[J].農機化研究，2012，34(10):148-151.

[2]Nelson S O，Lawrence K C.RF impedance and DC conductance determination of moisture in individual soy beans[J].Transactions of the ASAE，1994，37(1): 179-182.

[3]加藤宏朗，高周波.ィンヒタンスにょる農產物の非破壞鮮度判定(第1報、第2報)[J].農業機械學會志，1989，51(5):55-61.

[4]Nelson S O，Soderholm LH，Yung F D.Determining the dielectric properties of grain[J].Agricultural Engineering，1953，34(9):608-610.

[5]張立彬，胥芳，周國君，等.蘋果的介電特性與新鮮度的關系研究[J].農業工程學報，1996，12(3): 186-190.

[6]鮑一丹，朱哲燕.基于介電特性的大豆含水率測量研究[J].中國食品學報，2006，6(2):95-98.

[7]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，2014，36(7):178-181.

[8]郭文川，王婧，劉馳.基于介電特性的薏米含水率檢測方法[J].農業機械學報，2012(3):113-117.

Experimental Research on the Electrical Characteristics of Xinjiang Junzao Moisture

Li Dawei1, Chen Chao2, Lan Haipeng1,Yi Xiaokang1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Tarin University,Alar 843300,China; 2.Xinjiang Alar Bureau of Quality and Technical Super Vision, Alar 843300,China)

Abstract：To explore the detection of moisture in Xinjiang jujube, paper uses TH2828S type LCR meter changes in the electrical properties of dates and water content were measured to analyze the different electrical characteristics change dates moisture frequency, and the establishment of the moisture content of electricity dates characteristic parameters of the model. Dates with whole pieces of test subjects, the power supply voltage 1V and longitudinal pressure (0.1kg) tested the low frequency (200Hz ～ 1000Hz) dates moisture variation of electrical parameters, test results show that: the moisture content of 55.85% or less, dates water content and the complex impedance Z is negatively correlated electrical parameters can be achieved by dates moisture detection.

Key words：detection; moisture content; electrical parameter

文章編號：1003-188X(2016)07-0212-04

中圖分類號：S125

文獻標識碼：A

作者簡介：李大偉(1987-)，男，山西長治人，碩士研究生，(E-mail)6647341@163.com。通訊作者：弋曉康(1976-)，男，陜西華縣人，副教授，博士，(E-mail)yxkcn@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(31260288)

收稿日期：2015-06-26