庫爾勒香梨電學參數檢測基礎研究

師廣強 王曉妍 趙勁飛 劉 揚 田勇浩 張存雍 吳建幫 張 宏

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾市843300）

庫爾勒香梨地處南疆，產于塔克拉瑪干沙漠邊緣，此地光照充足，沙質土壤中富含微量元素，使得香梨皮薄肉脆，甘甜爽口，香味濃郁，是非常優良的具有芳香氣味的脆肉型梨品種［1-3］。

目前普遍的估算成熟度做法主要依據目測和品嘗，通過顏色、硬度、氣味、口感等來判斷，但這種做法因人而異，會存在主觀判斷的差異而影響香梨最佳采摘時間［4-7］。根據庫爾勒香梨成熟規律采用電學特性分析成熟度的方法可以指導庫爾勒香梨成熟度的成熟情況，也為選擇最佳采摘時間提供理論依據［8-10］。

電學特性分析是香梨電參數測量的一種常用方法。由于電學特性的測定具有敏捷、迅速、易操作等優點，基于電特性的檢測技術已成為研究果蔬成熟度檢測的重要手段［11-12］。 其中，平行電極法是基于電學特性檢測果蔬電參數的一種重要方式。平行電極法采用兩個平行極板與檢測對象接觸，從而檢測該對象的電學特性，檢測結果與兩平行極板尺寸及檢測對象的夾持力有一定關系［13-16］。

基于此，本研究利用塔里木大學自主研制的測量系統測量庫爾勒香梨電學特性，通過不同夾持力和不同電極尺寸對比分析成熟期內香梨電學特性的變化情況，研究結果可為庫爾勒香梨電學特性的檢測研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1電學特性測試系統

果蔬電特性檢測的測試系統由塔里木大學自主研制，主要包括測力機構、加載電機、力傳感器、測試電橋等部分組成。試驗前通電30 min 使電極預熱以降低測量時的數據誤差，然后將準備的試驗香梨橫放在測量極板中，測量極板的夾持裝置銅質探頭直徑分別為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 。將測試香梨橫向放入測量極板中，使香梨與極板的接觸點在同一軸線上。然后一邊手動調節微型手輪，一邊觀察測力機構顯示屏的數據。當夾持力保持不變時，記錄測試電橋顯示屏上的數據。夾持力數值通過力傳感器將數據傳到測力控制器，電學特征值通過測量極板將數據傳到測試電橋。測試系統二維結構示意圖如圖1所示。

圖1 電學特性測試系統

1.2 試驗材料

試驗用庫爾勒香梨樣品采摘于新疆兵團第一師阿拉爾市塔里木大學校園內的香梨園。本試驗香梨的采集自2018年9月20日，采摘香梨形狀規則、無斑點、無病蟲害、無機械損傷。采摘后香梨立即運回實驗室進行香梨電學特性的測量，測量電壓為1 V，測量頻率為1 MHz。

1.3 試驗方法

第一組試驗：分別選取電極尺寸10 mm、電極尺寸15 mm、電極尺寸20 mm、電極尺寸25 mm、電極尺寸30 mm，在不同夾持力下進行香梨電學特性試驗，每次試驗均重復10 次，測量結果取平均值，并采用Excel軟件進行數據處理。當香梨表皮開始出現損傷試驗結束。第二組試驗：分別選取夾持力0. 5 N、夾持力1.5 N、夾持力2.5 N，在不同電極尺寸下進行香梨電學特性測試，每次試驗均重復10 次，取平均值，使用Excel 軟件對試驗數據進行處理和分析，并運用Origin2018 軟件繪制夾持力、電極尺寸與電學特性值之間的關系圖。

2 結果與分析

圖2 不同電極尺寸下夾持力與并聯等效電感之間的關系

在塔里木大學自主研制的測量系統LCR 電橋下我們測得香梨電學參數特性，可以得到串聯等效電感、并聯等效電感、并聯等效電容、串聯等效電容、品質因數、阻抗、導抗等參數。由于香梨內部組織相當于一個并聯電路，因此我們這里只分析與其相關的并聯等效電感、并聯等效電容、品質因數、阻抗。Wang S 和Zhang L 等人研究也表明果蔬的介電特性可用并聯等效電感、并聯等效電容、品質因數、阻抗等來表示［17-18］。從圖2 可以看出，隨著夾持力的增加，不同電極尺寸下測量獲得的并聯等效電感均逐漸增大，增長速率先快后慢，最后接近一條水平線，各曲線變化情況大體一致。

表1 不同電極尺寸下夾持力與并聯等效電感之間的變化

從表1 可得：當電極尺寸為10 mm 時，末值與初值的差值為1.7 mH，變異系數最小，該條曲線上的參數波動較小。當直徑為20 mm時，末值與初值的差值為1.22 mH，變異系數最大，該條曲線上的參數波動較大。所以檢測并聯等效電感使用20 mm 電極尺寸時，要更加注意控制夾持力，因為夾持力對電學特性變化影響較大。

結合圖2、表1 分析可得：在電極尺寸分別在10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 下，隨著夾持力的增加，并聯等效電感分別達到-0. 42 mH、-0. 2 mH、-0. 1 mH、-0. 08 mH、-0. 09 mH 后果皮開始破裂。破裂時的夾持力分別為3.5 N、6 N、8 N、12 N、13 N。

圖3 不同電極尺寸下夾持力與并聯等效電容之間的關系

從圖3 可以看出：隨著夾持力的增加，不同電極尺寸下測量獲得的并聯等效電容逐漸減小，減小速率先快后慢，最后接近一條水平線，各曲線變化情況大體一致。

表2 不同電極尺寸下夾持力與并聯等效電容之間的變化

從表2 可得：當電極尺寸為10 mm 時，末值與初值差值為-1.12 PF，變異系數最小，該條曲線上的參數波動不大。當電極尺寸為25 mm時，末值與初值差值為-1.08 PF，變異系數最大，該條曲線上的參數波動較大。所以檢測并聯等效電容使用25 mm 電極尺寸時，要更加注意控制夾持力，因為夾持力對電學特性變化影響較大。

結合圖3、表2 分析可得：在電極尺寸分別在10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 下，隨著夾持力的增加，并聯等效電容分別達到0. 76 PF、0. 55 PF、0.33 PF、0.28 PF、0.24 PF 后果皮開始破裂。破裂時的夾持力分別為3.5 N、6 N、8 N、12 N、13 N。

圖4 不同電極尺寸下夾持力與品質因數之間的關系

從圖4 可以看出：隨著夾持力的增加，不同電極尺寸下測量獲得的品質因數逐漸減小，減小速率先快后慢，最后接近一條水平線，各曲線變化情況大體一致。

表3 不同電極尺寸下夾持力與品質因數之間的變化

從表3 可得：當電極尺寸為10 mm 時，末值與初值差值為-5. 64，變異系數最小，該條曲線上的參數波動不大。當電極尺寸為25 mm時，末值與初值差值為-6.22，變異系數最大，該條曲線上的參數波動較大。 所以檢測品質因數使用25 mm 電極尺寸時，要更加注意控制夾持力，因為夾持力對電學特性變化影響較大

結合圖4、表3 分析可得：在電極尺寸分別在10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 下，隨著夾持力的增加，品質因數分別達到3.45、2.27、1.64、1.47、1. 79 后果皮開始破裂。破裂時的夾持力分別為3.5 N、6 N、8 N、12 N、13 N。

圖5 不同電極尺寸下夾持力與阻抗之間的關系

從圖5可以看出：隨著夾持力的增加，不同電極尺寸下測量獲得的阻抗逐漸減小，減小速率先快后慢，最后接近一條水平線，各曲線變化情況大體一致。

表4 不同電極尺寸下夾持力與阻抗之間的數值關系

從表4 可得：當電極尺寸為20 mm 時，末值與初值差值為-7.63 KΩ，變異系數最小，該條曲線上的參數波動不大。當電極尺寸為10 mm時，末值與初值差值為-11.21 KΩ，變異系數最大，該條曲線上的參數波動較大。 所以檢測阻抗使用10 mm 電極尺寸時，要更加注意控制夾持力，因為夾持力對電學特性變化影響較大。

結合圖5、表4 分析可得：在電極尺寸分別在10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 下，隨著夾持力的增加，阻抗分別達到2. 51 KΩ、1 KΩ、0. 47 KΩ、0. 49 KΩ、0. 48 KΩ 后果皮開始破裂。破裂時的夾持力分別為3.5 N、6 N、8 N、12 N、13 N。

圖6 不同夾持力下電極尺寸與并聯等效電感之間的關系

綜上所述：同電極尺寸下的香梨在變化夾持力進行測量電學特性時，香梨電學特性有一個極限值區域，如果超過該極限值區域，此梨可能為損傷香梨，因為香梨損傷后電解質溢出，改變了香梨的電學特性。

從圖6 可以看出：香梨在不同夾持力下，隨著電極尺寸的增加，并聯等效電感逐漸增大。多條曲線對比分析，在同一電極尺寸下夾持力越大并聯等效電感越大。通過對比圖2發現，夾持力對并聯等效電感影響比電極尺寸對并聯等效電感的影響更顯著。

表5 不同夾持力下電極尺寸與并聯等效電感之間的數值關系

從表5可得：當夾持力為2.5 N時，末值與初值差值為-0.14 mH，變異系數最小，該條曲線上的參數波動不大。當夾持力為0.5 N 時，末值與初值差值為-1. 55 mH，變異系數最大，該條曲線上的參數波動較大。所以當夾持力為0.5 N 時，要更加注意控制電極尺寸，因為電極尺寸對電學特性變化影響較大。

結合圖6、表5分析可得：在夾持力分別為0.5 N、1. 5 N、2. 5 N 下，隨著電極尺寸的增加，并聯等效電感分別達到-1.13 mH、-0.67 mH、-0.46 mH 后果皮開始破裂。

圖7 不同夾持力下電極尺寸與并聯等效電容之間的關系

從圖7 可以看出：香梨在不同夾持力下，隨著電極尺寸的增加，并聯等效電容逐漸減小。多條曲線對比分析，在同一電極尺寸下夾持力越大并聯等效電容越小。通過與圖3 對比發現夾持力對并聯等效電容的影響比電極尺寸對并聯等效電容的影響更顯著。

表6 不同夾持力下電極尺寸與并聯等效電容之間的數值關系

從表6可得，當夾持力為2.5 N時，末值與初值差值為0. 18 PF，變異系數最小，該條曲線上的參數波動不大。當夾持力為0.5 N 時，末值與初值差值為0.49 PF，變異系數最大，該條曲線上的參數波動較大。所以，當夾持力為0.5 N 時，要更加注意控制電極尺寸，因為電極尺寸對電學特性變化影響較大。

結合圖7、表6分析可得：在夾持力分別為0.5 N、1. 5 N、2. 5 N 下，隨著電極尺寸的增加，并聯等效電感分別達到1.39 PF、0.95 PF、0.74 PF后果皮開始破裂。

圖8 不同夾持力下電極尺寸與品質因數之間的關系

從圖8 可以看出：香梨在不同夾持力下，隨著電極尺寸的增加，品質因數逐漸減小。多條曲線對比分析，在同一電極尺寸下夾持力越大品質因數越小。通過與圖4 對比發現夾持力對品質因數的影響比電極尺寸對品質因數的影響更顯著。

表7 不同夾持力下電極尺寸與品質因數之間的變化

從表7可得：當夾持力為0.5 N時，末值與初值差值為0.84，變異系數最小，該條曲線上的參數波動不大。當夾持力為1.5 N 時，末值與初值差值為1.07，變異系數最大，該條曲線上的參數波動較大。所以當夾持力為1.5 N 時，要更加注意控制電極尺寸，因為電極尺寸對電學特性變化影響較大。

結合圖8、表7分析可得：在夾持力分別為0.5 N、1. 5 N、2. 5 N 下，隨著電極尺寸的增加，品質因數分別達到5.67、2.70、1.85后果皮開始破裂。

圖9 不同夾持力下電極尺寸與阻抗之間的關系

從圖9 可以看出：香梨在不同夾持力下，隨著電極尺寸的增加，阻抗逐漸減小。多條曲線對比分析，在同一電極尺寸下夾持力越大阻抗越小。通過與圖5 對比發現夾持力對阻抗的影響比電極尺寸對阻抗的影響更顯著。

表8 不同夾持力下電極尺寸與阻抗之間的變化

從表8可得：當夾持力為2.5 N時，末值與初值差值為0.83 KΩ，變異系數最小，該條曲線上的參數波動不大。當夾持力為0.5 N 時，末值與初值差值為3.6 KΩ，變異系數最大，該條曲線上的參數波動較大。所以當夾持力為0. 5 N 時，要更加注意控制電極尺寸，因為電極尺寸對電學特性變化影響較大。

結合圖9、表8分析可得：在夾持力分別為0.5 N、1. 5 N、2. 5 N 下，隨著電極尺寸的增加，并聯等效電感分別達到8.04 KΩ、4.07 KΩ、2.74 KΩ 后果皮開始破裂。

綜上所述：同夾持力下的香梨在變化電極尺寸進行測量電學特性時，香梨電學特性有一個極限值區域，如果超過該極限值區域，此梨可能為損傷香梨，因為香梨損傷后電解質溢出，改變了香梨的電學特性。

3 結論

本研究結果表明：隨著夾持力的增加，不同電極尺寸下測量獲得的并聯等效電感逐漸增大、增大速率先快后慢。并聯等效電容、品質因數、阻抗均逐漸減小，減小速率先快后慢，各曲線變化情況大體一致。不同電極尺寸下隨著夾持力的增大，并聯等效電感逐漸增大。并聯等效電容、品質因數、阻抗逐漸減小，各曲線變化情況大體一致。綜合分析：夾持力和電極尺寸的變化對香梨電學特性有一定的影響，而夾持力對電學特性的影響比較顯著。研究結果可為庫爾勒香梨電學特性的檢測研究提供理論依據。