伽师瓜电磁特性的试验研究

刘朝霞 唐玉荣 兰海鹏 黄新成 楚合营

(塔里木大学机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)



伽师瓜电磁特性的试验研究

刘朝霞 唐玉荣 兰海鹏 黄新成 楚合营*

(塔里木大学机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)

为探索伽师瓜电磁特性与其成熟度之间的关系，研究了不同测试频率、测试电压对伽师瓜电磁参量的影响，并对伽师瓜电磁参量的变化规律进行了分析。结果表明：在27 ℃，0. 1～100. 0 kHz信号测量范围内，伽师瓜的电阻、电感、电容、损耗角正切值皆随测试频率的逐渐增大而减小。测试电压对伽师瓜的电感、电容、损耗角正切值等参量的影响不大。并讨论了伽师瓜的平均糖度与其耗散角正切值和品质因数的关系。

伽师瓜； 电磁特性； 品质因数

伽师瓜属新疆甜瓜中的一种，因主产地在伽师县而得名，瓜皮多呈墨绿色，香甜可口肉厚汁丰，果肉中含有丰富的水、可溶性糖(如葡萄糖，果糖等)、B族复合维生素和维生素C、有机酸等，还有铁、磷、钙、钾等多种微量元素，是人体所必须的营养成分。伽师瓜所含的维生素对治疗胃病、贫血有益，微量元素铁具有促进人体造血机能的作用，钾能促进新陈代谢，预防肌肉痉挛。成熟的伽师瓜不仅生津止渴、清热消暑，同时具有化痰止咳、增强食欲、利气易便等功效，对预防冠心病、癌症等也有一定的作用。

目前对于伽师瓜的研究多集中在对其栽培、病虫害防治、采后贮藏及伽师瓜瓜子油的提取方面[1-6]。例如，郝丽娜等人[7]对伽师瓜全立架立体栽培模式进行了研究；张有林等人[8]对伽师瓜的采后贮藏方面进行了研究；白希等人[9]利用微波提取伽师瓜籽有并对其脂肪酸成分进行了分析。通过文献调研未看到有关基于伽师瓜电磁特性品质检测方面的报道。近十几年发展起来的基于电磁特性的瓜果品质无损检测技术越来越受到人们的关注[10-15]。随着伽师瓜不断走出新疆走向世界，伽师瓜的品质和保鲜已成为影响瓜农收益的主要因素。因此开展伽师瓜品质的无损检测研究对于加快伽师瓜产业的技术进步和提高瓜农的收入，具有重要的现实意义。

为了探索伽师瓜电磁特性的变化规律，本文在0. 1 kHZ～100 kHZ频段内，研究了测量电压和测试频率对其电阻、电感、电容和介质损耗角正切等影响，为伽师瓜最佳采收期的确定提供新的方法和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

伽师瓜样品：试验用的伽师瓜采摘于伽师县伽师瓜种植园中，是南疆地区优质伽师瓜主产区。整个试验期间选择大小基本一致(周长大约50 cm，长度大约30 cm)的伽师瓜为测试样品。

测量参数选择：测量范围由所用LCR数字电桥选定，测试参数包括待测样品的电阻、电感、电容、损耗角正切值和品质因数；测试时选择电压分别为0. 1 V、0. 3 V和1. 0 V；在测量频段内，选择0. 1 KHz、1. 0 KHz、10. 0 KHz、40. 0 KHz和100. 0 KHz5个测试频率。

测试装置及样品选取：介电常数测量仪为同惠2817型LCR数字电桥。测试温度为27℃，相对湿度为55%。糖度测量仪为B32T型手持式糖度检测折光仪，称重仪为ACS-30型电子计价秤。有效样品数量为200个，均为形状接近，大小均匀，无病虫害及其它损伤的新鲜伽师瓜，其中成熟样品数量为120个，未成熟样品数量为80个。

1.2 试验方法

伽师瓜的成熟期一般为八月到九月，由于伽师瓜品种，种植的时间以及当年当地的气候差异而略有变化。试验所用的伽师瓜采集于八月上旬，采摘后测量。以测量电压、测量频率为试验因素，以电容C、电阻R、电感L、损耗角正切值D、品质因数Q为考核指标，采用常规因子试验设计方法。试验均重复20次，取其平均值，并采用SAS软件和Excel软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 测试电压、测试频率对测量参数的影响

用SAS软件对所有试验数据进行统计分析，考察测量参数与测试电压、频率之间的依赖关系。如表1给出了当测试电压(U)分别为0. 1 V、0. 3 V和1. 0 V时，测量参数电感(L)、电容C、损耗角正切值D、电阻R和品质因数Q随测试频率(K)的变化规律。从表1给出的试验数据可以看出：测量电压对样品的测量参数影响不明显，而频率对测量参数的影响却十分显著。

2.2 不同测试频率对电学参数的影响

图1 给出了当测试压为0. 1 V时，测试频率与伽师瓜的电磁参数之间的关系。从图1可以看出伽师瓜的电感(图1-a)、电容(图1-b)、损耗角正切值(图1-c)和电阻(图1-d)都随频率的增大而逐渐减小。伽师瓜作为瓜果的一种，微观上分析，其内部存在着大量带电粒子，从而形成生物电场。生物电场的分布和强度会随着伽师瓜的生长、成熟、腐败等生物化学变化中物质和能量的转换而变化，宏观上通过外界激励下伽师瓜宏观介电参数的变化来分析。试验结果表明，频率变大时，测量信号的能量增强，伽师瓜对激励的敏感性减弱，同时对带电粒子的束缚能力变弱，电感和电容都逐渐减小。随着测试频率的增加，波长逐渐变短，两测量电极间约束在伽师瓜内部的电磁波逐渐增多，导致伽师瓜的导电性能显著增强，电阻逐渐减小。随着电容、电阻和电感减小，耗散角正切值亦随之减小。

表1 测试电压分别为0. 1 V、0. 3 V和1. 0 V时的测试结果

图1 当测量电压为0．1V时，测量频率与伽师瓜的电学参数之间的关系

2.3 伽师瓜的耗散角正切值和品质因数与其平均糖度的关系

瓜果的平均糖度是衡量瓜果成熟度的一个重要指标。国外主要依据瓜果的平均糖度对其进行品质分级，而不是依据瓜果的大小。因此研究伽师瓜平均糖度与耗散角正切值、品质因数的关系对研究伽师瓜的品质具有重要意义。当测试电压为0. 1 V，频率为10 KHz时，伽师瓜耗散角正切值与平均糖度的关系如图2所示。耗散角正切值通常为材料的耗散因数与介电常数之比，它表示材料与微波的耦合能力，耗散角正切值越大，材料与微波的耦合能力就越强。从图2可以看出，伽师瓜耗散角正切值随着伽师瓜的平均糖度呈整体减小趋势。但是，当伽师瓜的平均糖度大于11%时，伽师瓜耗散角正切值出现震荡。这主要是成熟后的伽师瓜，影响耗散角正切值的因素变多，比如伽师瓜之间的硬度梯度，糖度梯度，金属离子的含量，大小和含水率等[16]。当电压一定时，耗散角正切值随测量频率的增大而减小，如图1(c)所示。当频率增加时，耗散角正切值较小，也就是微波与伽师瓜的耦合能力减弱，这正好解释电阻，电容和电感为什么也随测量频率的增加而减小。随着测量频率的增加微波与伽师瓜耦合能力减弱，其导电性就会大大增强，因此电阻和电感会减小，导电性增强，材料的储能性能也就减小，导致电容也随之减小。。

图2 伽师瓜耗散角正切值与平均糖度的关系图3 伽师瓜品质因数与平均糖度的关系

品质因数是衡量材料电磁学特性的又一个重要参数。品质因数通常表示一个储能器件、谐振电路中所储能量与每周期损耗能量之比。从图3给出的伽师瓜品质因数与平均糖度的关系可以看出，伽师瓜品质因数与平均糖度是非线性的，但随着平均糖度的增大总体上呈增加趋势。综合图2伽师瓜耗散角正切值与平均糖度的关系，可以得出这样的结论：随着伽师瓜平均糖度的增加，伽师瓜每周期损耗的能量减小的速度比所储能量减小的速度快。

3 结论

在测量范围内，测试电压对伽师瓜各项参数的影响均不显著；各个电磁参数的变化主要依赖于测量频率；在测试电压下，样品的电容、电感、损耗角正切值和电阻均随着测量频率的逐渐变大而变小。这种减小的主要原因是随着测量频率的增加，微波与伽师瓜的耦合能力减弱，从而导致其导电性增强，储能性也随之减弱。但从伽师瓜耗散角正切值、品质因数与平糖度的关系分析发现，伽师瓜每周期损耗的能量减小的速度比所储能量减小的速度快。由于伽师瓜耗散角正切值、品质因数与平糖度呈非线性关系，所以不能将伽师瓜耗散角正切值与品质因数作为衡量伽师瓜成熟度的重要参数。

[1] 马刘峰，茹仙古丽. 新疆伽师瓜嫁接栽培技术[J]. 农业科技通信, 2009, 10(10):202-202.

[2] 王坚, 单春会, 童军茂, 等. 新疆伽师瓜采后贮藏中病原菌的筛选与初步鉴定[J]. 石河子大学学报(自然科学版), 2012, 30(4): 518-521.

[3] 唐军, 王强, 白希, 等. 超声辅助提取伽师瓜籽油工艺及其脂肪酸成分研究[J]. 新疆大学学报(自然科学版), 2011, 28(2): 226-229.

[4] 车凤斌, 艾尔麦克, 李萍, 等. 伽师瓜贮藏温度试验小结. 新疆农业科学, 2010, 47(1): 98 -103.

[5] 张 阳, 张润光, 张有林, 等. 气调贮藏对新疆伽师瓜采后生理及贮藏品质的影响[J]. 农业工程学报, 2011, 27(1): 383-388.

[6] 孔庆军, 任雪艳, 祝建波. 新疆伽师瓜高效再生系统建立及抗真菌病基因转化[J]. 西北农业学报, 2008, 17(2): 207-211.

[7] 郝丽娜, 盛建东,陈波浪, 等. 南疆全立架立体栽培伽师瓜施肥现状调查研究[J]. 农学学报, 2012, 2(04): 29-33.

[8] 张有林, 张润光, 孙刚, 等. 伽师瓜采后生理、贮期病害及贮藏保鲜技术[J]. 中国农业科学, 2010, 43(6): 1220-1228.

[9] 白希, 杨洁, 唐军, 等. 新疆伽师瓜籽油提取及脂肪酸成分分析[J]. 新疆农业科学, 2010, 47(11): 2140 -2144.

[10] 唐燕, 杜光源, 张继澍. 猕猴桃电特性与生理特性关系研究[J]. 农业机械学报, 2012, 43(3): 97-102.

[11] 唐燕, 杜光源, 张继澍. 桃的介电特性和品质关系[J]. 食品科学, 2012, 33(9): 68-71.

[12] 郭文川, 商亮, 王铭海, 等. 基于介电频谱的采后苹果可溶性固形物含量无损检测[J]. 农业机械学报, 2013, 44(009): 132-137.

[13] 郭文川, Stuart O. Nelson, Samir Trabelsi, Stanley J. Kays. 哈蜜瓜和西瓜果汁的射频介电特性及其与糖度的关系[J]. 农业工程学报, 2008, 24(5): 289-292.

[14] 郭文川, 朱新华, 郭康权. 采后苹果电特性与生理特性的关系及其应用[J]. 农业工程学报, 2005, 21(7): 143-146.

[15] 唐玉荣, 安静, 刘文亮, 等. 库尔勒香梨电学特性试验研究[J]. 塔里木大学学报, 2003, 25(2): 43-47.

[16] 王颖，郭玉明. 农业物料介电特性的测试及影响[J]. 农产品加工，2010,119(2):82-87.

Experimental Study on the Electromagnetic Properties of JiaShi Melon

Liu Zhaoxia Tang Yurong Lan Haipeng Huang Xincheng Chu Heying*

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Tarim University, Alar, XinJiang 843300)

To explore the relationship between Jiashi melon electromagnetic characteristics and maturity, the electromagnetic characteristics of Jiashi melon were studied by different test frequency and voltage, and the Jiashi melon electromagnetic parameters change rules are analyzed. The results showed that the resistance, inductance, capacitance, loss tangent values of Jiashi melon with the test frequency gradually decreases at 27℃, 0.1-100.0kHz signal measurement range. Test voltage has little impact on inductance，capacitance and loss angle tangent value parameters of Jiashi melon. And discusses the relationship between Jiashi melon average sugar degree and dissipative angle tangent value and quality factor.

Jiashi melon; Electromagnetic properties; Quality factor

2014-06-30

刘朝霞(1981-)，女，讲师，在读博士，主要从事农产品加工及检测。 E-mail：124621423@qq.com

*为通讯作者 E-mail:37790811@qq.com

1009-0568(2015)01-0097-05

G237.5

A

10.3969/j.issn.1009-0568.2015.01.017