基于電學特性的庫爾勒香梨果實重量檢測研究

李小龍，于世輝，靳小真，李同璽，劉揚，蘭海鵬*

（1塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

（2淄博市農業機械事業服務中心，山東 淄博市 255000）

庫爾勒香梨是新疆特色水果之一，因其肉質細嫩，汁多味甜被譽為“梨中珍品”[1]。庫爾勒香梨種植面積常年穩定在 6×104hm2，年產量在 4×104～7×104噸[2]。目前，庫爾勒香梨采后分級是以地方標準或行業標準為參考依據，以手工稱重的傳統方式對庫爾勒香梨進行分級銷售[3]，隨著精細化產業的發展，對庫爾勒香梨的品質提出了更高的要求，采用無損檢測方法將品質檢測與重量分級相結合的技術，對于推進庫爾勒香梨品質無損檢測的技術集成研究具有重要的指導意義。

果實重量作為采后分級的一項重要品質分級依據，在果實重量分級方面，王新亭[4]研發基于單片機的測控系統，通過鏈傳動托盤式電子稱重；ELBELTAGI R等[5]研發球形水果的高速動態稱重系統；PAWLOWSKI A等[6]研發球形水果的環形分選機。果實重量分級是通過稱重傳感器將重量信號轉變成電信號，再通過數據處理得到果實重量。同時，機械式分級裝置易對庫爾勒香梨造成損傷，不適于批量庫爾勒香梨的重量分級。無損檢測技術可降低機械分級對庫爾勒香梨造成的損傷，在基于電學特性的庫爾勒香梨無損檢測研究方面，唐玉榮等[7]以庫爾勒香梨為材料，研究得出頻率在0.1 kHz條件下并聯等效電容、并聯等效電感、并聯等效電阻、耗散因數與庫爾勒香梨硬度和可溶性固形物含量有顯著相關性；WANG S等[8]和ZHANG L等[9]的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、品質因數和阻抗等來表示；劉亞平等[10]以紅地球葡萄為材料研究表明，測試頻率0.1 kHz下，電學參數電抗X與硬度呈現顯著相關性（P＜0.05）；郭文川等[11]以“碭山酥”梨為試驗材料研究表明，介電譜結合LSSVM可用于無損檢測梨的可溶性固形物含量（SSC）和含水率；王瑞慶等[12]利用HIOKI3532-50型LCR測量儀和自制平行板銅電極研究表明，果實阻抗、電容和電感可以作為標志紅巴梨果實成熟衰老的電學指標，1 MHz為最佳測試頻率。基于上述研究表明，電學特性在水果品質檢測應用方面具有可行性。目前，基于電學特性的庫爾勒香梨重量檢測研究具有實際工程意義。

本試驗以庫爾勒香梨為材料，探究電學參數與果實重量的變化規律，構建庫爾勒香梨電學參數與庫爾勒香梨果實重量的數學模型，旨在為庫爾勒香梨采后重量分級提供新方法，以期為水果產業品質分級研究提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料來自塔里木大學梨園。庫爾勒香梨的成熟期為9月中旬[13]，本次試驗庫爾勒香梨的采集時間為2019年9月12日。選取形狀規則、無病蟲害、無機械損傷的庫爾勒香梨作為試驗樣品。采摘后的庫爾勒香梨套上泡沫網袋，并立即運回塔里木大學現代農業工程重點實驗室進行試驗。試驗時實驗室溫度為25℃，相對濕度為37%。

1.2 實驗儀器與設備

GWT-1型果品電學特性檢測儀（塔里木大學）；JE-C30002電子天平（五鑫衡器有限責任公司）；游標卡尺（桂林量具刃具廠）等。

1.3 試驗方法

通過果品電學特性檢測儀獲取庫爾勒香梨電學參數，果品電學特性檢測儀如圖1所示。

試驗前對果品電學特性檢測儀預熱1 h，設定測量電壓和預緊力分別為1 V和0.5 N，測量頻率為1 MHz。獲取并聯等效電容、品質因數、并聯等效電阻、復阻抗、復阻抗相角、電抗等6個電學參數數值。測量過程中將梨橫放在電極板上，使得梨的最大橫徑接觸電極兩板，依次在梨赤道上間隔120°選取三個點測量梨的電學參數，試驗結果取平均值。使用SPSS Statistics 25.0軟件對電學參數與果實重量進行相關性分析。

為探究庫爾勒香梨電學特性隨重量的變化規律，應用Origin軟件對并聯等效電容、品質因數、并聯等效電阻、復阻抗、復阻抗相角、電抗等6個參數進行線性擬合分析，擬合方程如下：

式中：x為果實重量；y為某電學參數數值；a、b為常數。

2 結果與分析

2.1 重量與電學參數相關性分析

如表1所示，各電學參數與果實重量存在一定的相關性，電學參數與果實重量有顯著的相關關系，電學參數與果實重量間的相關程度可以由相關系數的絕對值大小表現出來，其中并聯等效電容的相關性最大，相關系數為0.958，復阻抗相角、電抗相關系數分別為0.791、0.706，均呈正相關；品質因數、并聯等效電阻、復阻抗呈負相關，相關系數分別為-0.750、-0.738和-0.819。

表1 果實重量與電學參數的相關性

2.2 電學參數與果實重量變化規律

由圖2可知，隨著果實重量的增加，并聯等效電容、復阻抗相角、電抗呈現遞增趨勢，其中并聯等效電容呈線性遞增；復阻抗相角和電抗先快速增加，當果實重量超過110 g左右時，隨著果實重量的增加復阻抗相角和電抗增長速率減小，說明重量對復阻抗相角和電抗的影響明顯減弱；并聯等效電阻、品質因數和復阻抗呈現遞減趨勢，當重量增加到110 g左右時，隨著果實重量的增加并聯等效電阻、品質因數和復阻抗降低速率減小。電學參數并聯等效電容、品質因數、并聯等效電阻、復阻抗、電抗和復阻抗相角與重量之間變化趨勢明顯。現對上述電學參數進行線性擬合，R2分別為：0.9178、0.5620、0.5542、0.6708、0.4991和0.6254，其中并聯等效電容的擬合程度最優，其擬合方程為：y=0.15x-8.09，故并聯等效電容可作為庫爾勒香梨重量檢測的最優特征參數。

圖2 果實重量與電學特性的關系

3 結論

本試驗以庫爾勒香梨為研究對象，采用相關性分析方法，對6個電學參數指標進行分析，在1 MHz頻率下，庫爾勒香梨果實重量與電學參數之間存在較高的相關性。果實重量對庫爾勒香梨電學參數有一定的影響，并聯等效電容、品質因數、并聯等效電阻、復阻抗、復阻抗相角、電抗均有較高的相關性，達到顯著水平(P＜0.01)。

在試驗參數范圍內，探究庫爾勒香梨電學特性與果實重量的變化規律，隨著庫爾勒香梨重量的增加，電學參數并聯等效電容、電抗和復阻抗相角逐漸增大，電學參數并聯等效電阻、復阻抗和品質因數逐漸減小；所選取的電學參數與果實重量線性擬合中，并聯等效電容的方程擬合最優，R2=0.9178，擬合方程為y=0.15x-8.09，應用并聯等效電容檢測庫爾勒香梨果實重量具有一定的可行性。旨在為提高我國水果的綜合利用率提供參考依據，同時為水果分級分選裝置的研發提供理論參考。