基于電學特性的庫爾勒香梨振動損傷檢測

于世輝，唐玉榮，牛希躍，李小龍，王佳麗，張宏 ，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南疆特色農產品深加工兵團重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300）

庫爾勒香梨是新疆特色水果之一，以色澤悅目、皮薄肉細、酥脆爽口而馳名中外［1］。截止2019年底，新疆庫爾勒香梨總產量達到100×104t以上［2］。因香梨自身屬性等原因，香梨從采摘到上市銷售等過程中易遭受不同程度的振動損傷，每年因振動損傷造成的果實損失率在15%～45%左右［3］。若香梨在入庫貯藏前遭受振動損傷，則易遭受細菌等微生物的侵襲而發生變質腐爛，迫使香梨貯藏期縮短；若香梨在運輸銷售過程中遭受振動損傷，則嚴重影響香梨的口感品質，極大降低香梨的貨架期和商品價值。因此對香梨進行振動損傷檢測，在入庫貯藏或者上市銷售之前及時將振動損傷的香梨剔除，可有效減少因振動損傷造成的經濟損失，對于增加香梨產業經濟效益具有重要理論指導意義和實踐價值。

在果實振動損傷方面，吳瓊等［4］研究發現果實經歷長途運輸后會發生形變、營養成分比例降低、風味口感改變，還會加速果實的后熟軟化以及乙烯釋放速率；劉春娣［5］發現振動對果實生理生化指標有不同程度的影響，振動后的儲藏階段對果實的各項生理活性指標均呈先升后降的趨勢；李曉娟［6］研究發現以相同的加速度進行振動時,振動頻率越小，鴨梨越容易產生損傷；MEHDI K等［7］發現對“Shahroudi”品種的杏子發生最嚴重傷害的頻率和持續時間分別為17 Hz和30 min；ZHOU J F等［8］研究發現振動頻率對果實整體損傷百分率影響較大，14 Hz的損傷百分率最低，為47.1%，同時高強度機械沖擊持續時間越短，對果實的損傷程度越高。關于果實振動方面的研究主要集中在振動對果實損傷影響規律的探究，現亟需一種科學有效的檢測技術實現對庫爾勒香梨振動損傷的檢測。目前主要應用高光譜成像、紅外熱成像、磁核共振和電特性等技術檢測水果損傷，對檢測的信息參數進行處理分析，與受損后水果褐變幾何尺寸建立數學關系從而實現水果損傷程度的快速測量［9-12］。庫爾勒香梨皮薄肉細，果肉多汁，其內部存在大量帶電粒子，有利于發揮電學特性檢測技術快速、靈敏、操作方便的優點。屠鵬等［13］基于介電特性技術預測貯藏期蘋果損傷體積，得到相對介電常數與損傷體積關系的預測模型；唐燕等［14］、郭文川等［15］、陳志遠［16］研究了多種水果損傷后電學參數變化規律，發現無損傷與有損傷果實的電學參數變化規律存在明顯區別，不同機械損傷形式對電學參數的影響規律也不同。基于上述研究表明，電學特性在水果損傷檢測應用方面具有可行性，然而基于電學特性對香梨振動損傷檢測方面的研究鮮有報道。

本研究以不同成熟度的庫爾勒香梨為試驗材料，探究不同振動頻率下振動時間與振動損傷面積的變化規律，采用電學特性檢測系統裝置對不同振動頻率下的損傷香梨進行電學參數的獲取，構建電學參數與香梨振動損傷面積的數學模型，篩選出最佳表征香梨振動損傷的電學參數，以期為香梨的振動損傷程度量化研究提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

庫爾勒香梨樣品采自新疆生產建設兵團第一師阿拉爾市十團十連常規管理梨園，該地區是南疆優質香梨生產基地。截止2019年，樹齡12年。選取特征為形狀大小相似、無畸形、無隱性損傷、無病蟲害、色澤均勻的庫爾勒香梨作為試驗樣品。采摘過程中佩戴手套進行采摘，采摘時間為2019年9月1日—2019年9月29日，每隔4 d對庫爾勒香梨進行一次采摘，共計8次，成熟度依次記為H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8。每次采摘450顆庫爾勒香梨，共計采摘3 600顆庫爾勒香梨。

試劑：戊二醛（分析純，天津歐博凱化工有限公司）、丙酮（分析純，天津市致遠化學試劑有限公司）、無水乙醇（分析純，天津市北聯精細化學品開發有限公司）。

1.2 振動損傷試驗

選用振動損傷試驗臺對香梨進行振動，參考胡洋［17］和孫驪等［18］的方法，將香梨放置于自制的四面紙板圍擋中，香梨與圍擋間隙距離為1 mm左右，四面圍擋被緊固在試驗臺上，如圖1所示。

圖1 振動損傷試驗臺

依據肖越等［19］和曾媛媛等［20］的相關試驗研究，試驗臺轉速選取120 r/min、180 r/min、240 r/min，得到三種速度下對應的振動頻率分別為2 Hz、3 Hz、4 Hz。每個轉速下對應的振動時間為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h。每組選取30顆香梨進行振動損傷試驗。當完成每個香梨振動損傷試驗后立即進行電學參數的測量，記錄試驗數據，試驗結果取平均值。

1.3 電學參數檢測系統

電學參數使用自制的電學參數檢測裝置進行測定（圖2），使用前將LCR測試電橋預熱1 h，隨后進行調零操作以減少誤差。在測試電壓為1 V和測試頻率為1 MHz的條件下測定電學參數。研究發現電學參數Cp和Rp對水果損傷比較敏感，常作為評價水果損傷程度的電學參數指標［21-23］。電學參數Cp反映的是在給定電位差下的電荷儲藏量，一般來說電荷在電場中會受力而移動，當導體之間有了介質則去阻礙電荷移動從而使電荷累積在導體上，從而造成電荷的累積儲存［24］。電學參數Rp是相對一定頻率的交變信號來說的，在交變電場中除了電阻會阻礙電流以外電容及電感也會阻礙電流的流動，因而它是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和［23-24］。故本研究選取電學參數Cp和Rp來研究與香梨振動損傷面積的關系。

圖2 電學參數檢測系統裝置

1.4 香梨損傷面積的測量

將損傷后的水果在常溫環境放置24 h以上使受損部位充分褐變，測量褐變部位的面積、體積或深度作為損傷程度的度量［25］。香梨表面損傷面積可用肉眼識別，有助于損傷程度的判斷，所以采用損傷面積法進行香梨損傷程度量化評價。測量損傷區域的長半軸a和短半軸b，如圖3所示。每組試驗結果為30顆香梨損傷面積的平均值。損傷面積采用吳杰等［26］的測量方法進行計算，如式(1)所示：

圖3 庫爾勒香梨損傷面積測量示意圖

式（1）中S為香梨振動損傷面積，mm2；a為橢圓損傷區域長半軸，mm；b為橢圓損傷區域短半軸，mm。

此外，香梨在高頻率、長時間的振動下，香梨表面則會出現繞表面一周的帶狀損傷，測量其幅寬與香梨的周長，將損傷面積近似為長方形，損傷面積周長為長方形的長，損傷面積幅寬為長方形的寬，由此計算出香梨損傷面積，計算方程式為：

式（2）中S為香梨振動損傷面積，mm2；C為香梨表面周長，mm；b為香梨損傷的寬度，mm。

1.5 庫爾勒香梨掃描電子顯微鏡試驗

1.5.1 樣品制作

選取庫爾勒香梨皮下果肉組織，每顆香梨選取一處損傷部位作為樣品。使用手術刀將庫爾勒香梨表皮去除，選取厚度為1 mm，長和寬為1 cm的正方體皮下果肉組織樣品放入戊二醛溶液中，將放置有香梨樣品的戊二醛溶液存放在4℃冰箱，待24 h之后進行后續試驗。

1.5.2 梯度脫水

30%乙醇，浸泡香梨樣品40 min；50%乙醇，浸泡香梨樣品40 min；70%乙醇，浸泡香梨樣品40 min；90%乙醇，浸泡香梨樣品40 min；95%乙醇，浸泡香梨樣品40 min；100%乙醇，浸泡香梨樣品40 min；100%乙醇，浸泡香梨樣品40 min；100%乙醇和100%丙酮以1：1的比例進行混合，浸泡香梨樣品40 min；100%丙酮，浸泡香梨樣品40 min；100%丙酮，浸泡香梨樣品40 min。

1.5.3 CO2置換丙酮

使用臨界點干燥儀對選取的香梨樣品進行干燥，至干燥儀停止即結束對香梨樣品丙酮的置換，實現CO2對丙酮的置換。

1.5.4 噴金

使用離子濺射儀對干燥完的香梨樣品進行鍍膜，使香梨樣品表面得到厚度均勻的鍍膜材料，以便觀察。

1.5.5 掃描電子顯微鏡觀察

對不同振動損傷程度的庫爾勒香梨樣品進行掃描電子顯微鏡觀察并保存樣品組織結構圖片。

1.6 數據處理

采用Microsoft Office Excel 2007進行試驗數據處理和分析，采用Origin 2018軟件進行繪圖和擬合處理分析。

2 結果與分析

2.1 香梨振動損傷面積的量化

如圖4所示，在2 Hz振動頻率下，低成熟度香梨振動1 h后果實未出現顯性損傷。不同成熟度香梨振動2 h后表皮均出現輕微損傷，振動時間小于4 h的香梨損傷面積增長速率緩慢，當香梨振動5 h，果皮果肉均產生損傷，其損傷面積明顯高于振動4 h產生的損傷面積，且成熟度越高損傷面積增長變化趨勢越明顯。因為香梨處于低頻振動條件下，前期細胞組織完整，伴隨著長時間的振動會對細胞組織產生損傷，當超過細胞組織所能承受范圍內的載荷閾值后，香梨逐漸軟化，損傷面積隨之增大。在3 Hz振動頻率下，隨著振動時間的延長，香梨表面出現的損傷面積逐漸增大。振動1～2 h之間時香梨損傷面積增長速率較快，在振動2 h之后香梨損傷面積緩慢增加。在4 Hz振動頻率下，隨著振動時間的延長，香梨出現大面積損傷。當振動4 h之后，損傷面積增長速率較之前變化較小，是因為當香梨在4 Hz振動頻率振動4 h時，香梨大部分表面已經出現損傷，隨著振動時間的延長，主要增加的是香梨損傷深度。

圖4 不同振動頻率下香梨損傷面積隨振動時間變化規律

在相同振動時間和振動頻率下，香梨振動損傷面積均隨成熟度的增大而增大。同一振動頻率下，隨著振動時間延長香梨損傷面積不斷增加，隨著振動時間的增加，香梨遭受振動載荷作用次數增多，所以振動時間越長香梨損傷面積越大。同一振動時間下，振動頻率越大香梨損傷面積越大，隨著振動頻率增加，振動加速度變大，在單位時間內受到的載荷作用次數增多，所以振動頻率越高香梨損傷面積越大。

2.2 香梨振動損傷面積量化模型的構建

2.2.1 電學參數Cp與振動損傷面積量化模型的構建

如圖5所示，不同成熟度下香梨的電學參數Cp與振動損傷面積變化規律較為明顯。在2 Hz振動頻率下，電學參數Cp與振動損傷面積呈現出遞增的變化趨勢，振動4 h后，電學參數Cp與損傷面積呈現出急劇增長的變化趨勢；在3 Hz振動頻率下，振動1 h與振動2 h的電學參數Cp與振動損傷面積的變化波動幅度較大，增長速率較快，振動2 h后電學參數Cp與損傷面積呈現出波動式增長變化規律；在4 Hz振動頻率下，電學參數Cp與損傷面積呈現出“平緩—快速—平緩”的遞增變化趨勢，不同成熟度下的電學參數Cp與損傷面積的關系曲線稀疏程度呈現“緊密—稀疏—緊密”的變化趨勢。

圖5 不同振動頻率下并聯等效電容與振動損傷面積關系曲線

為了構建不同頻率下電學參數與香梨損傷面積間關系的數學模型，對試驗數據做擬合分析，得到數學模型方程式為：

式（3）中S為振動損傷面積，mm2；V為損傷香梨的電學參數；a、b、c為常數。

電學參數Cp與振動損傷面積的數學模型如表1～3所示。在2 Hz、3 Hz和4 Hz振動頻率下，電學參數Cp與損傷面積的變化規律均符合方程式（3），數學模型擬合度良好。在2 Hz振動頻率下，香梨成熟度為H1和H5的數學模型R2分別為0.952 5和0.956 7，數學模型擬合效果較優。在3 Hz振動頻率下，在香梨成熟度為H6和H7時，電學參數Cp值與損傷面積的數學模型擬合效果較優，R2分別為0.994 1和0.996 5，擬合效果較其它成熟度較為良好。在4 Hz振動頻率下，香梨成熟度為H5時，電學參數Cp值與損傷面積擬合方程的R2為0.971 8，擬合效果較優。各振動頻率下的電學參數Cp與振動損傷面積的數學模型擬合度較好，電學參數Cp可用于量化香梨振動損傷面積，所構建的數學模型可量化不同成熟度香梨的振動損傷面積。

表1 2 Hz振動頻率下并聯等效電容與振動損傷面積的數學模型

2.2.2 電學參數Rp與振動損傷面積量化模型的構建

如圖6所示，不同成熟度下香梨的電學參數Rp與損傷面積變化規律較為明顯。在2 Hz振動頻率下，電學參數Rp與振動損傷面積呈現出遞減的變化趨勢。當香梨成熟度低于H3時，電學參數Rp與損傷面積的曲線變化范圍較小，當香梨成熟度高于H3時，香梨電學參數與損傷面積的曲線變化范圍逐漸增大；在3 Hz振動頻率下，不同成熟度香梨的電學參數與損傷面積的變化曲線波動較大，但整體呈現出隨著香梨損傷面積的增加，電學參數Rp值逐漸減小的變化趨勢；在4 Hz振動頻率下，隨著振動損傷面積的增加，電學參數Rp值呈現出降低的變化趨勢，在香梨整個成熟期內，隨著損傷面積的增加，電學參數Rp的變化波動幅度逐漸縮小，趨向于0 kΩ。

圖6 并聯等效電阻與損傷面積關系曲線

表2 3 Hz振動頻率下并聯等效電容與振動損傷面積的數學模型

表3 4 Hz振動頻率下并聯等效電容與振動損傷面積的數學模型

電學參數Rp與振動損傷面積的數學模型如表4～6所示。3種振動頻率下的香梨電學參數與損傷面積的變化規律均符合方程式（3），數學模型擬合度良好。在2 Hz振動頻率下，當成熟度為H4時，其數學模型R2為0.996 7，數學模型擬合效果最優；在3 Hz振動頻率下，在成熟度為H1時，電學參數Rp值與損傷面積的數學模型擬合效果最優，R2為0.997 1，擬合效果較其它成熟度較為良好；在4 Hz振動頻率下，成熟度為H2時，電學參數Rp值與損傷面積擬合方程R2為0.994 3，擬合度較優。各振動頻率下電學參數Rp與振動損傷面積的數學模型擬合度較好，R2值均大于0.839 8，電學參數Rp能夠較好的量化評價損傷面積，所構建的數學模型可量化不同成熟度香梨的振動損傷面積。

表4 2 Hz振動頻率下并聯等效電阻與振動損傷面積的數學模型

表5 3 Hz振動頻率下并聯等效電阻與振動損傷面積的數學模型

表6 4 Hz振動頻率下并聯等效電阻與振動損傷面積的數學模型

2.3 香梨振動損傷微觀組織結構

為揭示香梨振動損傷機制，對振動損傷香梨微觀組織結構進行掃描電子顯微鏡試驗。如圖7（a）所示為正常香梨果肉組織微觀結構圖，圖7（b）為在振動頻率3 Hz、振動時間2 h條件下的損傷香梨微觀組織結構圖。可以看出振動損傷果肉發生輕微塌縮和折疊，果肉組織較為平整，符合平淺形特征。當香梨遭受振動損傷時，香梨損傷前后電學參數值變化較大，這是因為隨著振動頻率的增大香梨受損嚴重，香梨遭受損傷后，細胞膜破損，離子通透性增加，同時膠體結合水變成自由水，電流阻力減小，損傷香梨在給定電位差下的電荷儲藏量大于無損傷香梨，因此與無損傷香梨相比，損傷后香梨的電學參數Cp增加、Rp減小［26-29］。當振動頻率較小和振動時間較短時，對香梨的破壞性較小，細胞膜破裂程度較輕，香梨損傷面積較小。此時自由水和電解質溢出較少，電學參數與損傷面積的曲線變化規律較為平緩。但隨著振動頻率的增大和振動時間的延長，香梨遭受的載荷強度逐漸增強，香梨自身承受載荷的能力不斷下降，導致香梨損傷面積快速增加，細胞膜破裂嚴重，自由水和電解質溢出增多，表現為電學參數與損傷面積關系曲線變化速率急增。

圖7 香梨微觀組織結構圖

2.4 篩選最優電學參數

為了選取最優預測模型，利用RMSE和線性回歸直線的R2均值對模型的預測性能進行評價。RMSE計算如下：

式（4）中N為樣本總數；K1為數學模型R2值；K2為數學模型R2均值。

為篩選出最優檢測振動損傷的電學參數，現將不同振動頻率下對應的8種不同成熟度的數學模型進行R2均值處理和RMSE計算。由表7可知，電學參數Rp在2 Hz振動頻率下的數學模型R2均值最高，電學參數Rp的RMSE與電學參數Cp的RMSE相比，差值僅為0.013 0，故在2 Hz振動頻率下，電學參數Rp對振動損傷的檢測效果最優；在3 Hz振動頻率下，電學參數Rp的數學模型R2均值最高，其RMSE與電學參數Cp的RMSE相比，僅相差0.003 4，故電學參數Rp對3 Hz振動頻率下的振動損傷檢測程度最優；在4 Hz振動頻率下，電學參數Rp的數學模型R2均值最高，其RMSE與電學參數Cp的RMSE相比，僅相差0.007 9，故電學參數Rp對4 Hz頻率下的振動損傷檢測程度最優。綜上，電學參數Rp在2～4 Hz振動頻率下的香梨損傷檢測效果最優，電學參數Cp的R2均值也均在0.899 5以上，也可用于香梨振動損傷量化評價電學參數指標。

表7 各電學參數數學模型R2均值和RMSE統計表

3 討論與結論

香梨機械損傷主要取決于香梨自身屬性和外界載荷作用，成熟度作為香梨自身屬性，對果實損傷程度影響顯著。有學者認為成熟度與機械強度負相關，成熟度較大的果實易損傷［30］，也有學者認為成熟度與機械損傷敏感度負相關，成熟度較小的果實易損傷［30］。因此探究不同成熟度下香梨損傷是本試驗探究的前提條件。本研究通過試驗發現的振動損傷規律與李曉娟［6］進行的振動模擬試驗研究結果一致。證明振動頻率、振動時間以及成熟度對香梨損傷影響較大，在實際運輸過程中，應考慮上述影響因素，將香梨損傷率降到最低。

庫爾勒香梨果皮薄，果肉多汁，其內部存在大量帶電粒子，香梨遭受振動損傷時，果肉發生輕微塌縮和折疊，內部物質和能量轉換發生一系列變化，影響了生物電場的分布和強度，宏觀上表現為電學特性發生改變，有利于發揮電特性檢測技術快速、靈敏、操作方便的優點。本研究結果發現，隨著振動頻率的增大，香梨損傷前后電學參數變化較大，與無損香梨相比，損傷后的香梨電學參數Cp呈現增加、Rp呈現降低的變化趨勢，與唐燕等［14］、郭文川等［15］、陳志遠等［16］研究水果損傷后電學參數變化的規律一致，發現無損傷與有損傷果實的電學參數變化規律存在明顯區別。

綜上，在相同成熟度和振動頻率下，香梨振動損傷面積均隨振動時間的延長而增大。在相同振動時間和成熟度下，香梨振動損傷面積均隨振動頻率的增大而增大。在相同振動時間和振動頻率下，香梨振動損傷面積均隨成熟度的增加而增大。隨著振動頻率的增加，香梨損傷前后的電學參數Cp、Rp變化較大，與無損傷香梨相比，損傷后的香梨電學參數Cp呈現增加的變化趨勢，而Rp呈現減小的變化趨勢。在2 Hz、3 Hz和4 Hz振動頻率下，電學參數Cp、Rp與損傷面積數學模型均符合二次函數，所構建的電學參數與損傷面積的數學模型能夠有效量化香梨振動損傷面積，其中電學參數Rp能夠較好的量化評價2～4 Hz振動頻率下的香梨損傷面積。研究結果可為庫爾勒香梨振動損傷量化提供理論指導。