南疆温185核桃的基础电学特性

郝中诚　张宏　兰海鹏等

摘要：以南疆温185核桃为研究对象，应用基于LCR数字电桥的农业物料电学特性检测系统，分别在不同的测试频率和测试电压下研究电学指标的变化规律，应用Excel和Origin软件对试验数据进行分析处理。结果表明，在测量参数范围内，测试频率和测试电压对温185核桃的电学特性影响显著；并联等效电路和串联等效电路的等效形式对电学特性影响不显著；适合于温185核桃的基础测量条件为频率处于0.5～1.0 kHz之间、电压处于0.5～1.0 V之间。研究结果可为核桃电学特性的相关研究提供参考。

关键词：核桃；电压；频率；电学特性

中图分类号： S664.101 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）04-0391-03

素有“长寿果”之称的温185核桃是南疆林果业主要特产之一，目前，核桃的品质检测工序尚无专业的技术和设备，破坏性的人工抽检是核桃加工企业的主要应用方式，一定程度上消减了核桃的经济价值。核桃自身的物性特征与基于电学特性的无损检测技术具有较高的匹配特性，测试频率和测试电压等基础测量参数的选取是阐明核桃电学特性的首要问题，更是该技术在核桃检测加工中能否应用的瓶颈。针对温185核桃研究其电学特性检测的基础测量参数具有重要的理论意义和实践价值。

在农业物料电学特性的研究方面，国内外学者的研究涉及较多的品种，如早期的Dunlap等应用18 kHz～5 MHz频段的电容测量法对胡萝卜进行了测量研究，研究结果表明，介电常数和电导率随含水率的不同而变化显著，且试验受到如测试频率、温度、密度等诸多因素的影响，胡萝卜的含水率在6%～8%时，介电常数以及电导率变化不显著，而当含水率较高时，介电常数会迅速升高[1]。Tulasidas等在2.45 GHz下对葡萄的电学特性进行了试验，结果表明，随着含水率的下降，葡萄的耗散因数和介电常数都随之下降，在高温和低含水率时，介电常数有明显的变化[2]。针对含水率相对较低的农产品，电学特性应用较广泛。Nelson等采用1～5 MHz频段的电容测量法对美洲山核桃进行了研究，得出在某一频段内山核桃的介电常数随频率的增加而均匀减小的结论[3-6]。郭文川等在板栗等农业物料电学特性的无损检测技术研究上作出了突出贡献[7-9]。而针对于南疆温185核桃电学特性的探讨尚处于空白阶段，研究其基础测量参数的变化规律，对基于电学特性无损检测手段的应用具有重要的意义。

本研究以温185核桃为对象，研究不同的测试频率和电压对核桃电学特性的影响规律，旨在明确适合于温185核桃的基础电学测量参数的应用范围，为核桃电学特性的研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

核桃样品：试验采用含水率为5%～7%、果径为45～50 mm 的南疆温185薄皮核桃，剔除有机械损伤及病虫害的核桃。

1.2 设备

高频LCR数字电桥测量仪（TH2828S，常州市优高电子科技有限公司）；游标卡尺（0.02 mm，桂林量具刃具厂）；电热鼓风干燥箱（GZX-9140MBE，上海博迅实业有限公司医疗设备厂）等。

1.3 试验方法

试验溫度控制在25 ℃，相对湿度控制在55%；使用电热鼓风干燥箱把样品的含水率控制在5%～7%；为减小外部环境的干扰，用直径为10 mm的2个铜质探头作为夹持装置，同时精确控制对核桃的夹持力，测量系统原理见图1。

1.4 频率、电压的测量

使用高频LCR数字电桥对核桃进行测试频率、测试电压2个参数的测量，以Cp、Cs、Q、R、D为考核指标，采用单因素试验的设计方法[10]，试验的因素水平编码见表1，考核指标见表2。

1.5 数据处理

试验重复10次取平均值，采用Excel软件和Origin软件对数据进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 测试频率与电学参数的关系

在测试电压为1.0 V时，核桃的电学特性参数与测试频率之间的关系见图2。结果表明，频率小于0.5 kHz时各参数急剧变化，而频率超过1.0 kHz以后图形趋于平稳。频率小于 0.5 kHz时，测试电压对Cp、Cs、D、R等参数的影响极不稳定，受到了外在因素的强烈干扰，当频率超过1.0 kHz以后则对这些参数的影响不显著，当频率在0.5～1.0 kHz之间时对这些参数的影响稳定且显著。

2.2 测试电压与电学参数的关系

当测试频率为1.0 kHz时，核桃的电学特性参数与测试电压之间的关系见图3。当电压小于0.5 V时图形各参数急剧变化，而当电压超过1.0 V以后各参数变化趋于平稳。表明电压小于0.5 V时，测试电压对Cp、Cs、Q、R等参数的影响极不稳定，受到了外在因素的强烈干扰，而当电压超过1.0 V以后则对这些参数影响不显著。

3 结论

在测量参数范围内，当频率处于0.5～1.0 kHz之间时对Cp、Cs、D、R等参数的影响稳定且显著，而频率低于0.5 kHz时对这些参数的影响不规律，超过1.0 kHz以后则对这些参数的影响不显著。电压处于0.5～1.0 V之间时对Cp、Cs、Q、R等参数的影响稳定且显著， 而电压低于0.5 V时对这些参数的影响不规律，超过1.0 V以后对这些参数的影响不显著。

适合于温185核桃的基础测量条件为频率处于0.5～10 kHz之间、电压处于0.5～1.0 V之间。此试验结果可为核桃电学特性的研究方法提供参考。

参考文献：

[1]Dunlap J R，Makower B. Radio-frequency dielectric properties of dehydrated carrots application to moisture determination by electrical methods[J]. The Journal of Physical Chemistry，1945，49（6）：601-622.

[2]Tulasidas T N，Raghavan G S V，vau de Voort F，et al. Dielectric properties of grapes and sugar solutions at 2.45 GHz[J]. The Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy，1995，30（2）：117-123.

[3]Nelson S O，Guo W C，Trabelsi S，et al. Dielectric properties of watermelons for quality sensing[J]. Measurement Science and Technology，2007，18：1887-1892.

[4]Guo W C，Nelson S O，Trabelsi S，et al. 10～1 800 MHz dielectric properties of fresh apples during storage[J]. Journal of Food Engineering，2007，83（4）：562-569.

[5]Nelson S O. RF impedance sensing for moisture content in individual dates[J]. Transactions of the ASAR，2007，37（3）：887-891.

[6]郭文川，朱新华，郭康权. 果品内在品质无损检测技术的研究进展[J]. 农业工程学报，2001，17（5）：1-5.

[7]郭文川，郭康权，王乃信. 電激励信号的频率和电压对果品电特性的影响[J]. 农业工程学报，2004，20（2）：62-65.

[8]郭文川，Stuart O N，Samir T，等. 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.

[9]郭文川，朱新华. 国外农产品及食品介电特性测量技术及应用[J]. 农业工程学报，2009，25（2）：308-312.

[10][ZK（]兰海鹏，唐玉荣，刘文亮，等.成熟期基库尔勒香梨电学特性研究[J]. 农机化研究，2014（7）：178-181.