基于介电特性在农产品品质无损检测中的应用研究

李 博 ， 李传峰 ，任松伟 ，马 博

（1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔 843300；2.新疆维吾尔自治区现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔 843300）

无损检测（Nondestructive Determination Technology，NDT），是一种以不破坏被检测物料检测其品质的方法。运用物理学方法，被测物料受到从外部环境中给的一个激励能量，受外界环境的能量激励时，会得到一个反应物料理化特征的输入和输出能量参数的相关关系，从而可得出反应被测物料的物理、化学特性的特定参数，以此可以完成对物料品质进行有效的检验，作为评价物料的理化特性新的检测技术[1]。

农产品在贮藏与加工过程中会发生各种化学变化（含水率、糖含量、有机酸含量等变化） 和物理变化（硬度、形态、颜色等变化），最终会导致其品质的下降，减少了农民的收入。通过运用这种最新的检测技术来精确控制农产品加工和贮藏的理化特性，使农产品品质达到最佳。因此，研究利用介电特性检测的最新技术将成为今后发展的重要研究方向[2]。

1 农产品的介电特性

农产品物料在微观上作为不均匀的电介质，随着农产品采摘后内部物质的转化，生物内部不同的组织影响了农产品内部生物分子中排列电荷对外加电场的响应特性。宏观上表现为影响不同的介电特性参数。农产品的主要介电参数有相对介电常数ε'、介电损耗ε''、损耗角正切tanδ和介质的等效阻抗|Z|等[3]。

农产品物料在受到外界电场刺激时产生对外界的响应，这种响应通常采用不同介电参数来描述农产品受到电场时所表现出的不同特性。利用农产品的介电特性的检测方法，以此来用精确的相关参数表示农产品物料的含水量、新鲜度等品质的关系，可用来监测农产品的生长情况，并检测农产品贮藏过程中的保鲜程度，从而为实现物料的深加工和分级提供一种新的技术手段。因此，了解介电特性对于不同农产品的检测应用具有重要的研究意义[4]。

2 介电特性的测定方法

目前，常见介电特性的测量技术主要包括平行极板（电容器）技术、传输线技术、自由空间技术、同轴探针技术和谐振腔技术等。

人们经常利用平行极板（电容器）技术研究[5-6]种子、果品等农产品的介电特性，取得了一定的研究进展。利用被测量的农业物料填充满电极板，测得农产品物料的电容、等效的阻抗或介电损耗的介电参数。该方法的优点为原理简单、仪器成本低、测量精度较高。测量主要频率范围为100 MHz以下的低频范围。

同轴探头技术被主要应用于测量液体、含水量高的半固体材料等的接触性材料的检测方法中。主要被用来研究农产品物料的微波介电特性，且同轴探头技术的测量频率要求范围为500 MHz～110 GHz，要求被测物料为非磁性、横截面比较大且测量精度有限。因此，该方法在农产品检测中有一定的局限性，不能广泛应用[7]。

传输线技术对被测物料品的样品形状要求苛刻，且该方法的测试频率范围比较小，导致被测物料的样品制备过程比较繁杂，因此该技术方法在农产品介电特性测量中的应用具有一定的局限性，但该方法的突出优点是测量精度比同轴探头法的测量精度高。

自由空间法主要通过网络分析仪发出的特定频率变化的微波，利用仪器将微波聚集在被测物料上而进行检测。该方法现在主要用于测量小麦的相对复介电常数[8]。该方法主要优点是非接触、可以用于环境恶劣的介电参数的测定。但对于物料的样品也有一定的要求，因此导致该方法也有一定的应用局限性。

谐振腔技术相比较与其他方法测试精度比较高，但对设备的要求高，对损耗因数低的样品具有高的敏感度。在该方法测试不同几个频率下介电参数的测量时，发现该方法分析过程比较繁杂。在测试之前样品的截面尺寸，必须提前精确测量。导致该检测方法测量过程比较复杂。因此必须研究测试物料介电性的频率特性，才能更好地使用该技术[9]。

3 影响农产品介电特性的因素

测试条件（频率、电压）和农产品品质（含水率、新鲜度、含糖量和酸度）是影响农产品介电特性的主要因素。详细研究了解其影响规律特点，不断修正该检测技术的测量条件，探索其在农产品品质检测中的应用前景。

3.1 测试条件对介电特性的影响

农产品的介电特性主要受到频率、电压、外界环境的温度和湿度的影响。

3.1.1 频率和电压的影响

在测试频率条件影响下，高频率环境条件导致介电特性的差异主要原因在于自由水的松弛，影响生物组织内部电荷移动；低频率的条件环境下，导致介电特性差异主要原因在于比较于束缚水的松弛，导致生物组织内部离子传导的降低[10]。相比于频率的测试条件，电压不同也会影响介电参数值的变化。

袁子惠等人[11]研究了芒果的相对介电常数在100～20 000 Hz频率范围内的变化基本呈线性相关。在温度一定时，随着测试频率的增大，得出了介电损耗因数不断减小。孔繁荣等人[12]研究了苹果在20～4 500 MHz频率范围内的参数变化。随着频率的增加，介电损耗因数先减小后增大，介电常数减小，介电常数最小值出现在频率为2 000 MHz。Ikediala J N等人[13]研究了30 MHz～3 GHz频率范围内4个品种苹果介的介电参数变化，得出了不同频率电参数的影响规律，随着频率的增加，影响介电常数值在不断减小，并且在频率为 915 MHz，介质损耗因数最小。郭文川[10]研究了在5～150 kHz低频下水果介电参数值的变化规律，随着频率的增大，电容值不断减小，并对不同水果（苹果、梨和猕猴桃） 的介电参数在不同电压的影响下进行了测定。得出在频率一定时，这几种水果的介电参数值会受到信号电压的影响而变化，得到了信号电压的检测临界值。得到了电压影响介电参数值的规律，当测量电压大于临界电压值时；随测量电压的增加而电容值减小，损耗角正切值增大。当测量电压小于该临界电压值时；电容和损耗角正切值不再发生变化。结果表明，不同果品的测定电压临界值是不一样的，从而为提出了介电特性检测水果种类的新方法奠定了理论基础。

3.1.2 环境温度的影响

测试环境温度主要影响生物组织内带电粒子的运动快慢，从而影响对农产品内部品质（营养成分）的检测。另一方面，环境温度也会影响农产品表面水分的运动状态，影响介电参数测定的精确度。

Sipahioglu O等人[14]分析研究了在2.45 GHz，5～130℃条件下15种果蔬介电特性参数的影响变化规律。得到在特定的频率下，温度大的升高，介质损耗因数先升高后降低，果蔬的介电常数减小。王瑞庆等人[15]利用平行极板方法研究了在100 Hz～3.98 MHz频率范围内，在0～40℃内测定了火柿果实介电参数的规律特性。火柿果实介电参数的变化明显（p＜0.01），两者之间呈线性相关关系，得出了决定的系数R2分别为0.995，0.992，0.995。杜光源等人[16]研究了嘎拉苹果从0℃升温至温度（25℃）条件下苹果介电参数的变化规律。得出了在测试的24个不同的频率影响下，阻抗、电容值的介电参数值变化都随着温度的升高而减小，Cs值随着温度的升高而增大。

3.2 农产品品质对介电特性的影响

农产品的品质（含水率、新鲜度、含糖量和酸度）是影响农产品介电特性又一个主要因素。深入研究了解其影响规律，为探索农产品的品质、快速检测的新方法奠定理论基础。

3.2.1 含水率的影响

农产品物料的含水率是影响农产品介电特性的一个重要因素，是反映农产品新鲜程度的重要指标，也是农产品分级重要的参考指标[10]。

Nelson S O[17]研究测定了3种新鲜洋葱的介电常数和介质损耗因数的值，并用这些数据很好地模拟了洋葱含水率的值。并得出含水率的不同对洋葱的介电特参数值的影响规律。Feng H等人[18]对苹果的介电常数和介质损耗因子在4.0%～87.5%含水率范围内进行研究；在高含水率（23%～70%） 时，自由水是生物组织离子运动的主要影响因素；在含水率下降（约4%）时，物料中束缚水是生物体组织离子运动的主要影响因素。并得出了随着含水率的减小，介电常数和损耗因数的也随之减小。Kraszewski A W等人[19]利用不同频域和时域下对农产品含水率的测定，得到了关于农产品的介电特性检测技术中含水率对介电特性影响的结论。郝晓莉等人[20]对水稻、玉米和大豆3种农产品物料的含水率进行了检测研究，得到了物料的含水率对介电参数的相关关系。这些都说明农产品的介电常数和损耗因数主要依赖于物料的含水率。

3.2.2 新鲜度的影响

农产品物料采摘后最主要的代谢过程是呼吸作用。在呼吸作用下会消耗自身的有机物，使淀粉、多糖等有机化合物逐步被分解为二氧化碳、水或其他小分子物质。分解后产生的有机化合物质、水及其他分解后的小分子物质都可以导致果品内部空间电荷的排布变化，在外界电场的作用下，影响农产品的介电参数值的变化。

Kato K[21]研究了在 10～13 MHz的频率范围内，对不同新鲜度水果的介电特性参数进行了测试试验，结果表明，不新鲜水果的介电常数值及介电损耗因子值低于新鲜的水果。张立彬等人[22]采用平板（电容）电极方法测定了苹果在未破坏下的介电参数值，并用破坏性方法研究了在 100～100 kHz的测试频率段内的苹果切片组织，得出了苹果的贮藏时间越长，阻抗值越大，相对介电常数和介质损耗因数越小。通过用PC计算机及自主开发的水果介电特性无损检测软件、结合LCR测试仪，在线测定了不同内部品质苹果的介电特性参数值的变化规律。

关于新鲜度对介电特性检测方法的影响，目前介电特性的研究对采摘后的农产品物料，取得了一定的研究进展，但研究对象主要集中于芒果、桃、梨、苹果等主要的果品中[10]。而在不同阶段对与不同农产品物料的品质的差异研究较少，需要不断加强该方面的研究。

3.2.3 糖度和酸度的影响

农产品的介电特性参数变化除了受上述因素的影响外，还受到农产品中的主要内部营养成分（糖度、酸度）的影响，人们也在研究探索介电特性参数与内部营养成分（糖度、酸度）之间的定量关系。

Kato K[23]通过对西瓜等果品的试验研究，得出介电参数与含糖量之间的相关关系。利用交流电导率，对于柑橘和番茄汁中的营养成分（有机酸、含糖量）的测定，得出了并确立它们之间的相关测定理论。马晓明等人[24]研究了10 MHz～1.8 GHz频率下，得出了蜜瓜果肉的介电常数和介质损耗因子分别与可溶性固形物含量（SSC）的关系。在它们有关描绘的复平面图中，当介电常数和介质损耗因子分别除以可溶性固形物含量（SSC）时，它们之间具有很高相关性。部分专家研究以LCR测试仪在 90 kHz下对宁夏灵武长枣内部品质检测的结果表明，串联等效电阻随糖度增加呈下降趋势，随糖度增高而速率变化逐渐放缓，并利用曲线拟合回归方法，分析得到了R2=0.561 9，说明糖度与等效电阻与等效电容之间存在的相关性。有研究人员研究了以苹果汁的浓度系数为目的，得到苹果的糖度，测定了等效电阻与等效电容的介电参数，得出了糖度与等效电阻与等效电容之间的关系。郭文川[10]研究了哈密瓜的介电特性及其与内部糖度含量的相关关系，得到了在1.8 GHz频率下哈密瓜汁的介电参数值（损耗角正切介电参数值、介电常数值）与糖度有较好的相关性，这些研究都为利用介电特性检测糖度的新型仪器开发提供了理论基础。

4 结语

近年来，该介电性检测技术经过不断研究，取得了很多富有成效的成果，都得到了基于介电特性的无损检测新技术，为实现农产品品质的快速检测提供了实际应用的可能，发现了该方法用于农产品的加工分选、贮藏运输方面具有非常广阔的应用前景。而不同农产品品质间的个体差异和主要成分的差异对介电特性参数的影响也是显而易见的，因此加强不同农产品介电性的研究需要投入更大的精力，如何将这一方法与其他无损检测方法相结合起来，使得农产品品质能更加快速准确、科学的检测，这些问题都有待人们进一步深入研究。

新疆特色农产品关于介电特性的无损检测技术的研究应用较少。研究用于测试桃、芒果、苹果等的农产品介电特性无损检测技术，是否能够准确检测新疆特色农产品需要进一步研究，并不断修正其测量条件、测试的环境因素，从而为精确建立新疆红枣的介电特性参数与品质的关系。通过探索利用无损检测方法测定新疆红枣的介电特性参数值，同时利用非破坏性检测方法测定新疆红枣的内部化学品质（含水率、糖度、酸度），并建立起介电特性参数与其内部品质之间的数学模型，为新疆红枣品质的确定、采后清选分级和贮藏的介电特性无损检测做精确研究。下一步，将充分利用已经取得成果，针对特定农产品的介电特性检测系统的设计、测量频率的选择、农产品介电特性与其内部品质之间数学模型的建立，从而达到测量农产品的介电特性参数来判断其内部品质，并利用品质的不同来对农产品进行分级的处理，使该技术更好地应用到农产品的无损检测中，并提高我国农产品贮藏和加工处理能力，促进我国农产品深加工现代化的能力。