基于电特性的新疆骏枣含水率的试验研究

李大伟，陈　超，兰海鹏，弋晓康

(1.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔　843300；2.新疆阿拉尔质量技术监督局，新疆 阿拉尔　843300)



基于电特性的新疆骏枣含水率的试验研究

李大伟1，陈超2，兰海鹏1，弋晓康1

(1.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔843300；2.新疆阿拉尔质量技术监督局，新疆 阿拉尔843300)

摘要：为探究新疆地区红枣含水率的检测方法，运用TH2828S型LCR测量仪对红枣电特性与含水率的变化进行测定，分析了红枣含水率不同频率下电特性变化，并建立红枣含水率电特性参数模型。以整颗红枣为试验对象，在电源电压1V及纵向压力(0.1kg)下测试了低频段(200～1 000Hz)红枣含水率电特性参数变化规律。试验结果表明：在含水率55.85%以下，红枣含水率与复阻抗Z呈负相关，通过电特性参数可以实现红枣含水率检测。

关键词：检测方法；含水率；电特性参数；红枣

0引言

红枣系鼠李科植物，具有很高的营养价值和药用价值，素有“维生素王”之美称[1]。新疆地区地广人稀，红枣种植面积大，红枣含水率的高低直接影响枣农的经济利益。目前，基于国内外对红枣含水率及其电特性方面的关系研究甚少，因而本文对新疆地区骏枣的电学特性进行研究，对红枣深加工具有一定的理论指导意义。

自20世纪50年代第1篇关于谷物的介电特性[2]的研究报道以来，国内外学者对农产品的电特性进行了深层研究。1988年，日本学者加藤宏朗在10～13MHz频率范围内对水果研究，发现介电常数和水果内部结构有关，且测量结果和所选频率密切相关[3]。1994年，Nelson 和Lawrence等利用电容测量法在1～5MHz频段对单个大豆进行检测，发现介电常数随果蔬种类不同而不同[4]。国内研究起步相对较晚，张立彬等(1996)[5]在10～100kHz用破坏法对金帅苹果进行测量,结果发现随着测量频率的增大，苹果果肉介电常数和介质损耗因子减小，但等效阻抗增大。鲍一丹等(2006)[6]利用介电特性对不同频率下不同含水率的大豆的损耗角正切、等效电阻、等效电容等参数进行了测量，发现大豆的最佳测试频率是1kHz。兰海鹏等[7]对成熟期的库尔勒香梨进行了电学研究，结果表明：在电压0～1V的测量范围内，在测量频率≤1kHz时，电感随着香梨的成熟度增大而增大；当测试频率≥1kHz时，电感和电容则表现出无规则波动。郭文川等[8]在1～1 000kHz范围内对薏米的含水率、温度、相对介电常数、频率之间的关系进行了研究，发现相对介电常数随着信号频率的增大而减小，随着测量温度和含水率的增大而增大。

由微观世界可知：生物组织由细胞组成，细胞由细胞内液、细胞外液及细胞膜组成。由于细胞内液和外液含水率比较高，水又是极性分子，具有导电的性能，所以可以把细胞外液和内液等效为电阻，而细胞膜的绝缘性较高，等效为电容。所以，在交变电流的作用下，细胞可以等效为电阻和电容的串联或并联模型，水果等生物组织呈现出一定的电学特性。基于以上理论，探究红枣的含水率与各电参数的关联性，可以为红枣含水率的快速检测提供新的思路和方法。

1试验材料、系统与方法

1.1试验材料

试验用新鲜的红枣来源于新疆阿拉尔塔里木大漠枣业基地，选用骏枣，2014年9月采摘，挑选果实新鲜、大小均匀、色泽基本一致，以及完全成熟的原料作为试验材料；用保鲜袋封装存储于摄氏5℃的冰箱里，以备试验。

1.2试验系统

本试验采用接触式无损检测方法，采用红枣的纵向直径直接接触上下平行铜板(铜板直径均为10mm)的接触方式，测试系统为TH2828S型LCR测量仪。夹持红枣的夹具通过双绞屏蔽线与电极板连接，两电极板之间的间距可以通过旋转屏蔽箱外纵向螺杆进行调节；当两极板间放入红枣，两极板与红枣之间的夹持力度可以通过GWT-1型果品物理特性检测仪进行检测，最后测得的数据通过LCR上的显示屏直接显示出。其它仪器设备：先行者CP3102型电子天平(精度为±0.01g)；TH2828S型LCR测量仪；GWT-1型果品物理特性检测仪；GZX-9140MBE型电热鼓风干燥箱。电特性试验系统如图1所示。

图1　电特性实验系统图

1.3试验方法

取大小适中，质量为32.10g的单粒红枣，测量条件为空气湿度30% ，温度20℃。设定测试电压为1V，纵向夹持力0.1kg，测量在电源频率(200、400、600、800、1 000Hz)、湿基含水率(61.99%、55.85%、48.26%、39.96%、28.78%)下红枣的9个电参数的变化值，每组电参数测试3次取平均值作为试验的测量值。采用EXCEL和origin8.5.1软件对试验的各个参数进行分析，得出含水率在不同测试条件下与电参数之间的关联性。

2数据处理与分析

测试因子水平编码表及表考核指标编码表，如表1和表2所示。

表1　测试因子水平编码表

2.1红枣电学特性的判定

结合图2和图3中电抗X和阻抗角θ的变化可知：在夹持力度0.1kg下，红枣的电抗X均在0值以下，由X=Xc+Xl(其中，Xc<0)的关系知红枣呈容性的电学模型。同时从图3可以看出：阻抗角θ一直处于0°以下，根据公式tanθ=X/R，验证了红枣呈容性的电学模型。

表2　考核指标编码表

图2　不同频率下红枣的电抗X随含水率变化曲线

图3　不同频率下红枣的阻抗角θ

2.2红枣电学模型的确立

从图4可以看出：当红枣含水率在55.85%时的复阻抗几乎为0的条件下，假设红枣模型为电阻和电容并联模型。从图5和图6中可以看出：并联等效电阻Rp和串联等效电阻Rs均趋于0，并联模型中电容被短接。在并联等压分流的情况下由公式U=I·Xc可知：当流过电容的电流为0，并联容抗值趋于无穷，与图4中此时复阻抗Z接近于0不符；当电阻和电容的串联模型时，电源电压不变，串联等效电阻值在含水率为55.85%时趋于0，由于复阻抗也趋于0，那么串联等效容抗必趋于0。根据容抗公式Xc=1/WC可知,此时串联等效电容值会比较大，与图7中所测量的串联等效电容值相符合，可以得出红枣模型为电阻和电容的串联模型。

图5　不同频率下红枣的并联等效电阻Rp随含水率变化曲线

图6　不同频率下红枣的串联等效电阻Rs随含水率变化曲线

图7　不同频率下红枣的串联等效电容Cs随含水率变化曲线

2.3电参数与含水率关系的确定

分析串联模型中即图4、图6和图7中的复阻抗Z、串联等效电阻Rs、串联等效电容Cs与含水率的关系。

由图6可知：当含水率大于55.85%时，各频率下的串联等效电阻Rs随着含水率的减少而降低，当含水率小于55.85%时，各频率下串联等效电阻Rs随着含水率的减小趋于平缓，可以得出串联等效电阻Rs和含水率的相关性不大。

图7中各频率下的串联等效电容Cs在含水率48.26%～61.99%之间呈无规则变化，而在48.26%以下几乎重合成一条直线，波动趋近于0。原因是影响电容值的主要是红枣自由水中的极性分子，随着红枣含水率的下降，极性分子越来越少，导致串联等效电容Cs在含水率48%以下时最终趋向于0。 由此可知：串联等效电容Cs和含水率的相关性不大。

图4中各频率下的复阻抗Z在含水率55.85～61.99%范围内随着含水率的降低而减少，呈正相关性，当含水率小于55.85%时复阻抗Z随着含水率的降低而增大，可以得出复阻抗和红枣含水率有很强的负相关性。

2.4频率对复阻抗Z的影响

由图4可知：当红枣含水率大于55.85%时，频率对一定含水率下的复阻抗Z影响不明显；当红枣含水率小于55.85%时，随着频率的升高，复阻抗Z呈现下降趋势。这是由于频率升高，红枣中的极性分子的变化跟不上外加电场的变化，最终导致电容C的下降。由公式Xc=1/WC和Z=R+Xc验证可知，试验结果与理论分析一致。

3结论

运用TH2828S型LCR测量仪对红枣电特性与含水率的变化进行测定，结果表明：红枣的电学模型符合为电阻和电容串联模型；红枣的复阻抗Z与含水率的关联性较大，在频率1 000Hz以内，可以用复阻抗来检验红枣的含水率，即在含水率55.85%以下，复阻抗随着含水率的减少而增大；频率会对复阻抗Z有一定的影响，且在含水率55.85%以下，复阻抗Z随着电源频率的升高而呈下降趋势。本研究可为进一步研究红枣的电学特性提供一定的借鉴和参考，并为红枣含水率的快速检测奠定了理论基础。

参考文献：

[1]弋晓康，吴文福，崔何磊，等.红枣热风干燥特性的单因素试验研究[J].农机化研究，2012，34(10):148-151.

[2]Nelson S O，Lawrence K C.RF impedance and DC conductance determination of moisture in individual soy beans[J].Transactions of the ASAE，1994，37(1): 179-182.

[3]加藤宏朗，高周波.ィンヒタンスにょる农产物の非破坏鲜度判定(第1报、第2报)[J].农业机械学会志，1989，51(5):55-61.

[4]Nelson S O，Soderholm LH，Yung F D.Determining the dielectric properties of grain[J].Agricultural Engineering，1953，34(9):608-610.

[5]张立彬，胥芳，周国君，等.苹果的介电特性与新鲜度的关系研究[J].农业工程学报，1996，12(3): 186-190.

[6]鲍一丹，朱哲燕.基于介电特性的大豆含水率测量研究[J].中国食品学报，2006，6(2):95-98.

[7]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，2014，36(7):178-181.

[8]郭文川，王婧，刘驰.基于介电特性的薏米含水率检测方法[J].农业机械学报，2012(3):113-117.

Experimental Research on the Electrical Characteristics of Xinjiang Junzao Moisture

Li Dawei1, Chen Chao2, Lan Haipeng1,Yi Xiaokang1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Tarin University,Alar 843300,China; 2.Xinjiang Alar Bureau of Quality and Technical Super Vision, Alar 843300,China)

Abstract：To explore the detection of moisture in Xinjiang jujube, paper uses TH2828S type LCR meter changes in the electrical properties of dates and water content were measured to analyze the different electrical characteristics change dates moisture frequency, and the establishment of the moisture content of electricity dates characteristic parameters of the model. Dates with whole pieces of test subjects, the power supply voltage 1V and longitudinal pressure (0.1kg) tested the low frequency (200Hz ～ 1000Hz) dates moisture variation of electrical parameters, test results show that: the moisture content of 55.85% or less, dates water content and the complex impedance Z is negatively correlated electrical parameters can be achieved by dates moisture detection.

Key words：detection; moisture content; electrical parameter

文章编号：1003-188X(2016)07-0212-04

中图分类号：S125

文献标识码：A

作者简介：李大伟(1987-)，男，山西长治人，硕士研究生，(E-mail)6647341@163.com。通讯作者：弋晓康(1976-)，男，陕西华县人，副教授，博士，(E-mail)yxkcn@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(31260288)

收稿日期：2015-06-26