基于电阻抗特性稻谷含水率测定研究

俞世钢，黄仕华

（1.浙江师范大学行知学院，浙江金华321004；2.浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华321004）

水分是谷物的重要组成成分，是与蛋白质、脂类、碳水化合物、灰分等构成粮油及其制品的基本物质，是食物成分表中不可缺少的内容。众所周知，植物中含水量的高低直接影响它贮藏时间的长短和品质的优劣[1]。孙继颖等[2]分析了不同含水量大豆的抗旱性能；刘明池等[3]研究了草莓水分含量对其品质的影响。更为重要的是，植物水分含量会直接影响植物的栽培、产量的高低等。阎彩青等[4]研究了种子含水量对玉米发芽率的影响，白沙等[5]研究了水分、密度等因素对玉米产量的影响。另外，稻谷水分含量也是粮食贮藏、收购、加工、运输过程中必须测量的重要质量指标。近几十年来，粮食水分检测技术发展迅速，形成了多种水分检测方法[6-8]。总体上，粮食水分测定可分为直接法和间接法两大类[8-9]。直接法是通过干燥方法和化学方法，直接检测出粮食中的绝对含水量，检测精度高，但费时，不适于在线和现场检测。间接法是通过检测与水分有关的物理量（如物质的电导率、介电常数等），间接地测定物质的水分，一般速度较快，易实现在线检测[9-10]。目前，粮食含水率快速无损检测的发展是当今世界检测水分的主流。所谓无损检测就是在粮食保持完整的前提下，通过粮食自身的物理特点、光学特点、化学特点等对其内部水分含量进行分析，以实现检测水分含量的目的，与有损检测相比更经济快捷，这一优点使得快速无损检测在粮食含水量的检测中得到广泛应用。已有研究表明，物料的含水率与其介电常数、电导率等有密切的关系。物料的介电特性与其化学构成、组织形态、环境条件等有关，且不同物料的介电特性可综合反映其品质状态特征，从而实现部分指标的无损检测[11-12]。Nelson等[12-14]通过研究燕麦、水稻、大豆的电阻获得相关的数学模型，并对谷物和大豆的无损湿度进行检测。利用水的介电常数高于其他物料的特性，用电容法测定谷物含水率，具有操作简单、可靠、价廉的优点，且有很好的重复性和检测性。这种基于电容传感的测试方法在我国应用较广，但大多为取样测试，在线测试很少，且没有较成熟的测试系统。因此，建立适用于几种稻谷的含水量与介电常数的数学关系，为设计稻谷水分含量无损实时检测系统提供参考，以实现其水分含量的快速无损检测，具有重要的应用价值。

本试验选择4种谷物类农产品，研究稻谷不同程度含水量与介电常数的相互关系，确立稻谷低水区含水量与一定频率下介电常数的数学关系式，为设计谷物无损实时含水量检测系统提供一定的试验数据和理论参考。

1 植物组织电阻抗频率特性

所谓电阻抗频率特性就是指植物组织的电阻抗随着激励信号频率的增加而减小的现象。19世纪末，Bernstein提出了他的细胞膜理论。他认为，细胞内是导电性组织，而包围它的细胞膜在低频时是绝缘的，细胞膜外又是导电的细胞间质。当输入低频电流时，由于细胞膜在低频时是绝缘的，所以电流必须绕过细胞膜流过。然而，在输入高频电流时，细胞膜的电容特性允许电流进入细胞，这样就大大增加了细胞直接载流的能力。1910年，Hober的试验支持了这一理论。他发现，将红细胞的细胞膜破坏掉以后，血液样本的电阻大大减小，也就是说细胞内液的导电性很高，当没有细胞膜的时候，它起到重要的载流作用。

1.1 植物组织等效电路模型

植物组织的等效电路模型（图1），可看作是电阻、电容的并、串联结构。其中，Ro为细胞外液等效电阻，Rp为细胞壁、细胞膜等效电阻，Cp为细胞壁、细胞膜等效电容，Ri为细胞内液等效电阻。进一步简化后，植物组织可等效为R和C并、串联电路。在串联电路中，把2个元件看成一个假想的电阻，用复数|Z|表示其阻抗；在并联电路中，将其看作一个假想的电容，用导纳|Y|表示。|Z|，|Y|的实部分别表示串、并联电路的电阻R和电容C；虚部分别表示串、并联电路的电阻和电容[15]。农产品物料是电介质，其宏观介电特性可以用复阻抗Z或导纳Y及复介电常数ε表示。这里Z或Y是植物物料的物理常数，与其个体尺寸有关；ε反映植物物料内部物质的特性，与其个体尺寸无关，与其水分含量有直接关系。

1.2 稻谷电导-频率特性测试

以不同频率对样品进行测试，其电导-频率特性如图2所示。由图2可知，电导随激励频率的增加而增加，当激励频率为1 MHz时，电导明显增加，与Bernstein提出的细胞膜理论相符合。

1.3 稻谷的电容-频率特性

当低频的时候，植物细胞分子极化，包括分子骨架形变的极化、原子极化和电子位移极化，在外场作用下形成了电荷的积累，相当于电容的介质中有更多额外电荷层的产生，因此电容增大；而在高频时，分子骨架极化跟不上电流方向的变化，只有原子极化和电子位移极化，电容小。因此，在低频的时候，电容值比较大；在高频的时候，电容值就减少。样品两优倍九的电容-频率特性如图3所示。

由于细胞膜在低频时是绝缘的，组织的电阻抗与激励信号频率间直接相关。由图3可知，低频时，谷粒本身的电容值随偏置电压的改变而改变，将对测试引入一定的误差；高频部分电容值相对较稳定。所以，试验需要采用稳定的激励频率测试。本研究采用1 MHz作为测试频率。

2 试验材料与仪器

2.1 供试水稻品种

供试水稻品种为：中嘉早32、中浙优1号、两优倍九、秀水09，均由中国水稻研究所提供。

2.2 试验仪器

试验所用仪器包括：电热鼓风恒温干燥箱（101A-3，杭州蓝田化验仪器厂）；水分测量仪（PM4115，澳大利亚KETT电学实验有限公司）；电子天平（FA2004，上海衡平仪器仪表厂）；LCR精密测试仪（4284A，美国安捷伦公司）。

2.3 电容传感器设计

由于所测的粮食为颗粒形状，其装入容器存在许多空隙，因而其介电常数较小，但其传感器板的有效面积不能太小，因此本系统采用同轴的圆筒形电容式传感器。另一目的是它的电极是非对称的，即内电极被外电极所包络，这样可以十分有效地抑制体感应。圆筒形电容式传感器的结构如图4所示。

性能良好的筒状结构应满足以下条件：（1）电极厚度应该足够小，从而能够有效地减弱电容器的边缘效应。（2）几何对称，两筒状电极的内外圆度应一致同轴，以保证良好的梯度均匀性。

将被测量粮食放入传感器两极板间的介质空间，由于粮食含水量的不同，从而使电容传感器的介电常数发生变化，即引起电容值变化，通过测试粮食电容值即得出其水分含量。

式中，ε0为物质的真空介电常数；εr为物质的相对介电常数；C为电容值。

2.4 测试原理图

3 试验内容

测试稻谷水分含量对介电特性的影响。

3.1 试验步骤

取一定量的稻谷样品，用干燥法测定含水量，并将其装满圆筒形电容器测定电容值，根据有关公式计算出介电常数，作出介电常数随水分含量变化的曲线。

3.2 稻谷含水量与介电常数关系曲线的标定方法

3.2.2 稻谷不同含水量相对应的介电常数 根据测定的电容值和有关公式计算。供试样品分别为两优倍九、秀水09、中嘉早32、中浙优1号。

由4个品种的含水量与介电常数特性曲线（图6～9）可知，含水量与介电常数基本呈指数关系，即含水量越高，介电常数也越大，二者呈指数相关，而且各个品种的相关性相差不大，所以可以认为含水量与介电常数的特性关系与品种差异关系不大。在此基础上，把4个品种的含水量与介电常数综合在一起，做出的关系曲线如图10所示。

由图10可知，稻谷含水量与介电常数的特性曲线呈指数关系，关系式为εr=1.451 98e10.861w，W为稻谷含水量，相关系数为0.933 4。

4 小结

近20年来，粮食水分的检测技术迅速发展，检测方法层出不穷。但快速、准确、适应性强始终是水分检测仪的研制目标。本试验采用电容传感原理测定了部分谷物含水量与介电常数的特性曲线，相关系数达0.933 4，为设计制作粮食水分无损检测系统提供有价值的理论依据和实验基础，从而用于粮食仓储行业快速检测粮堆粮食水分含量，并与其监控系统配套实现粮仓自动化检测监控。所以，在特定的检测条件下，用测定电容的方法检测农产品的水分含量，使用介电参数进行农产品水分含量的无损检测是可行的。

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