溫度對(duì)胡蘿卜拉伸彈性模量的影響

楊 佳

（天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134）

胡蘿卜因含有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值而被越來(lái)越多的人所喜愛(ài)。果蔬受貯藏時(shí)間和環(huán)境溫度的影響，其品質(zhì)和質(zhì)地會(huì)發(fā)生變化[1-2]。傳統(tǒng)的低溫（4 ℃左右）儲(chǔ)運(yùn)有利于保持胡蘿卜的品質(zhì)，而較高溫度（20 ℃左右）的短期儲(chǔ)運(yùn)不僅能保證新鮮胡蘿卜的安全性和品質(zhì)，還能提高胡蘿卜的抗氧化活性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[3]。彈性模量是評(píng)價(jià)果蔬力學(xué)性能的重要指標(biāo)，研究溫度對(duì)彈性模量的影響，以及如何實(shí)現(xiàn)果蔬力學(xué)性質(zhì)的快速測(cè)量，能為果蔬存儲(chǔ)運(yùn)輸以及生物力學(xué)性質(zhì)研究等方面提供重要的技術(shù)支持[3-5]。

目前測(cè)量果蔬的彈性模量主要是接觸式測(cè)量。吳亞麗等[6]用壓痕法測(cè)定果蔬的彈性模量，建立了彈性模量與壓痕變形的數(shù)學(xué)模型。BAJEMA 等通過(guò)自制的壓力錘進(jìn)行馬鈴薯靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了溫度與馬鈴薯力學(xué)性能的關(guān)系[7-10]。由于果蔬材質(zhì)的特殊性，使用接觸式測(cè)量會(huì)嚴(yán)重影響果蔬的力學(xué)性能，因此用非接觸式技術(shù)來(lái)測(cè)量果蔬的彈性模量是非常有必要的。

數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation，DIC）方法是一種非接觸式的光測(cè)力學(xué)變形測(cè)量方法，相較于傳統(tǒng)測(cè)量方法，它具有適用范圍廣、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單和測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。目前基于數(shù)字圖像相關(guān)方法，有關(guān)溫度對(duì)果蔬彈性模量影響的研究鮮有報(bào)道。本研究基于數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)試胡蘿卜的彈性模量，探究了在胡蘿卜存儲(chǔ)環(huán)境溫度出現(xiàn)變化時(shí)，溫度對(duì)其彈性模量的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

外觀完好的新鮮胡蘿卜（購(gòu)于天津物美超市），采購(gòu)后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。用清水洗凈后，用Leica 生物組織切片機(jī)將胡蘿卜樣本切成厚度為1 mm 的切片，再由啞鈴型刀具沖壓成啞鈴試樣，試樣中間寬度為4 mm，長(zhǎng)度為50 mm，狹窄段平行長(zhǎng)度為20 mm。胡蘿卜為各向異性材料，切取胡蘿卜時(shí)應(yīng)為同一方向的取樣，其他方向切取的胡蘿卜試樣的彈性模量測(cè)試方法與本方法相同。胡蘿卜試樣如圖1 所示。在新鮮的啞鈴胡蘿卜試樣表面做黑、白兩種顏色的散斑標(biāo)記。在進(jìn)行彈性模量測(cè)試試驗(yàn)前，分別對(duì)噴斑和未噴斑的胡蘿卜啞鈴試樣做拉伸試驗(yàn)，得出的載荷-位移曲線幾乎沒(méi)有差別，驗(yàn)證了噴斑對(duì)胡蘿卜本身的力學(xué)性能影響很小，可忽略不計(jì)。

圖1 試樣形狀與尺寸

1.2 儀器與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2 所示，英國(guó)Linkam TST350 拉伸系統(tǒng)，包括冷熱臺(tái)、溫度控制器、冷卻系統(tǒng)和溫度控制軟件。冷熱臺(tái)為氣密樣品腔室，內(nèi)有溫度傳感器、力傳感器和拉伸裝置等。升溫過(guò)程為加熱帶有電阻絲的銀臺(tái)，通過(guò)熱傳導(dǎo)升溫。降溫過(guò)程是在氣密腔室先排出空氣，后通入液氮降溫。圖像采集系統(tǒng)，包括CCD（Charge Coupled Device）相機(jī)、1 ∶1的施耐德雙遠(yuǎn)心鏡頭和環(huán)形光源等。

圖2 數(shù)字圖像相關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)方法

將噴斑后的胡蘿卜啞鈴試樣裝到冷熱臺(tái)上，并用夾具固定。檢查密封條安裝無(wú)誤后蓋上腔蓋，形成密閉腔室。調(diào)節(jié)CCD 相機(jī)、遠(yuǎn)心鏡頭和冷熱臺(tái)三者的相對(duì)位置，調(diào)節(jié)光源，使CCD 相機(jī)通過(guò)遠(yuǎn)心鏡頭后能采集到清晰的胡蘿卜拉伸圖像，圖像幀頻為1 幀/s。在開(kāi)始拉伸前對(duì)胡蘿卜試樣施加一定的預(yù)緊力，設(shè)置拉伸速率為10 mm/min，拉伸臺(tái)采集載荷位移信息為每秒采集一次。同時(shí)觸發(fā)拉伸和圖像采集按鈕，保證采集到的圖片與拉伸載荷位移參數(shù)一一對(duì)應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，打開(kāi)冷熱臺(tái)腔蓋，觀察胡蘿卜試樣的斷裂位置，在試樣平行段斷裂試驗(yàn)有效。

利用美國(guó)CSI 公司的Vic-2D 軟件將采集到的胡蘿卜拉伸圖像做DIC 計(jì)算。選定分析區(qū)域，設(shè)置子區(qū)的大小為41 像素×41 像素，步長(zhǎng)為1，對(duì)每一張圖片作相關(guān)分析計(jì)算。在計(jì)算后的參考圖像上選擇相等的6 條虛擬引伸計(jì)作為標(biāo)距。每條引伸計(jì)的間隔相同，得到該圖片的平均線應(yīng)變?chǔ)拧Ｓ美煜到y(tǒng)測(cè)得此時(shí)的力值F，胡蘿卜啞鈴試樣橫截面積S為4 mm2，可計(jì)算出試樣的應(yīng)力σ，以線應(yīng)變?chǔ)艦闄M坐標(biāo)，應(yīng)力σ為縱坐標(biāo)，繪制σ-ε曲線，通過(guò)對(duì)曲線彈性段進(jìn)行線性擬合后的斜率即為彈性模量E。

為探究存儲(chǔ)環(huán)境出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，溫度對(duì)胡蘿卜彈性模量的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了升溫范圍為0 ～30 ℃，降溫范圍為0 ～-25 ℃，每間隔5 ℃保持10 min 后開(kāi)始拉伸并采集圖像，每個(gè)溫度下重復(fù)測(cè)5 組試驗(yàn)得到彈性模量，最終取其平均值為胡蘿卜在該溫度下的E。

2 結(jié)果與分析

在冷熱臺(tái)氣密腔內(nèi)，改變胡蘿卜啞鈴試樣所處的環(huán)境溫度，溫度穩(wěn)定并保持10 min 后采集胡蘿卜拉伸過(guò)程中的圖像，利用采集到的圖像在Vic-2D 軟件中進(jìn)行DIC 計(jì)算分析，最終得到不同環(huán)境溫度下胡蘿卜的彈性模量E。分別繪制胡蘿卜彈性模量E隨溫度T的變化曲線，能更加直觀地觀察二者的關(guān)系，如圖2 所示。

由圖3 可知，當(dāng)存儲(chǔ)環(huán)境溫度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，胡蘿卜的彈性模量也在發(fā)生變化。如圖3（a）所示，升溫至20 ℃過(guò)程中，胡蘿卜的彈性模量E隨著溫度T的升高而增大，但從20 ℃升溫至25 ℃過(guò)程中，胡蘿卜的彈性模量E突然減小，當(dāng)溫度T繼續(xù)升高到30 ℃的過(guò)程中，其彈性模量E又出現(xiàn)微幅上升，胡蘿卜在25 ℃時(shí)彈性模量E出現(xiàn)拐點(diǎn)。如圖3（b）所示，降溫至-10 ℃過(guò)程中，胡蘿卜的彈性模量E隨著溫度T的降低而緩慢增大，當(dāng)溫度降為-20 ℃時(shí)胡蘿卜彈性模量達(dá)到最大值，此時(shí)，胡蘿卜已失去品質(zhì)保證，溫度由-20 ℃降為-25 ℃過(guò)程中，彈性模量又急劇減小。

圖3 溫度變化過(guò)程胡蘿卜彈性模量E 和溫度T 的關(guān)系

3 結(jié)論

本文以胡蘿卜為研究對(duì)象，基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，提出了測(cè)試胡蘿卜啞鈴試樣拉伸彈性模量的方法，探究了在存儲(chǔ)環(huán)境溫度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，溫度對(duì)胡蘿卜拉伸彈性模量的影響，研究了胡蘿卜彈性模量E隨溫度T變化的關(guān)系。本研究測(cè)試方法也可探究其他果蔬在存儲(chǔ)環(huán)境出現(xiàn)溫度變化時(shí)對(duì)其力學(xué)性能的影響。