基于电学特性的库尔勒香梨果实重量检测研究

李小龙，于世辉，靳小真，李同玺，刘扬，兰海鹏*

（1塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

（2淄博市农业机械事业服务中心，山东 淄博市 255000）

库尔勒香梨是新疆特色水果之一，因其肉质细嫩，汁多味甜被誉为“梨中珍品”[1]。库尔勒香梨种植面积常年稳定在 6×104hm2，年产量在 4×104～7×104吨[2]。目前，库尔勒香梨采后分级是以地方标准或行业标准为参考依据，以手工称重的传统方式对库尔勒香梨进行分级销售[3]，随着精细化产业的发展，对库尔勒香梨的品质提出了更高的要求，采用无损检测方法将品质检测与重量分级相结合的技术，对于推进库尔勒香梨品质无损检测的技术集成研究具有重要的指导意义。

果实重量作为采后分级的一项重要品质分级依据，在果实重量分级方面，王新亭[4]研发基于单片机的测控系统，通过链传动托盘式电子称重；ELBELTAGI R等[5]研发球形水果的高速动态称重系统；PAWLOWSKI A等[6]研发球形水果的环形分选机。果实重量分级是通过称重传感器将重量信号转变成电信号，再通过数据处理得到果实重量。同时，机械式分级装置易对库尔勒香梨造成损伤，不适于批量库尔勒香梨的重量分级。无损检测技术可降低机械分级对库尔勒香梨造成的损伤，在基于电学特性的库尔勒香梨无损检测研究方面，唐玉荣等[7]以库尔勒香梨为材料，研究得出频率在0.1 kHz条件下并联等效电容、并联等效电感、并联等效电阻、耗散因数与库尔勒香梨硬度和可溶性固形物含量有显著相关性；WANG S等[8]和ZHANG L等[9]的研究也表明果蔬的介电特性可用并联等效电感、并联等效电容、品质因数和阻抗等来表示；刘亚平等[10]以红地球葡萄为材料研究表明，测试频率0.1 kHz下，电学参数电抗X与硬度呈现显著相关性（P＜0.05）；郭文川等[11]以“砀山酥”梨为试验材料研究表明，介电谱结合LSSVM可用于无损检测梨的可溶性固形物含量（SSC）和含水率；王瑞庆等[12]利用HIOKI3532-50型LCR测量仪和自制平行板铜电极研究表明，果实阻抗、电容和电感可以作为标志红巴梨果实成熟衰老的电学指标，1 MHz为最佳测试频率。基于上述研究表明，电学特性在水果品质检测应用方面具有可行性。目前，基于电学特性的库尔勒香梨重量检测研究具有实际工程意义。

本试验以库尔勒香梨为材料，探究电学参数与果实重量的变化规律，构建库尔勒香梨电学参数与库尔勒香梨果实重量的数学模型，旨在为库尔勒香梨采后重量分级提供新方法，以期为水果产业品质分级研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料来自塔里木大学梨园。库尔勒香梨的成熟期为9月中旬[13]，本次试验库尔勒香梨的采集时间为2019年9月12日。选取形状规则、无病虫害、无机械损伤的库尔勒香梨作为试验样品。采摘后的库尔勒香梨套上泡沫网袋，并立即运回塔里木大学现代农业工程重点实验室进行试验。试验时实验室温度为25℃，相对湿度为37%。

1.2 实验仪器与设备

GWT-1型果品电学特性检测仪（塔里木大学）；JE-C30002电子天平（五鑫衡器有限责任公司）；游标卡尺（桂林量具刃具厂）等。

1.3 试验方法

通过果品电学特性检测仪获取库尔勒香梨电学参数，果品电学特性检测仪如图1所示。

试验前对果品电学特性检测仪预热1 h，设定测量电压和预紧力分别为1 V和0.5 N，测量频率为1 MHz。获取并联等效电容、品质因数、并联等效电阻、复阻抗、复阻抗相角、电抗等6个电学参数数值。测量过程中将梨横放在电极板上，使得梨的最大横径接触电极两板，依次在梨赤道上间隔120°选取三个点测量梨的电学参数，试验结果取平均值。使用SPSS Statistics 25.0软件对电学参数与果实重量进行相关性分析。

为探究库尔勒香梨电学特性随重量的变化规律，应用Origin软件对并联等效电容、品质因数、并联等效电阻、复阻抗、复阻抗相角、电抗等6个参数进行线性拟合分析，拟合方程如下：

式中：x为果实重量；y为某电学参数数值；a、b为常数。

2 结果与分析

2.1 重量与电学参数相关性分析

如表1所示，各电学参数与果实重量存在一定的相关性，电学参数与果实重量有显著的相关关系，电学参数与果实重量间的相关程度可以由相关系数的绝对值大小表现出来，其中并联等效电容的相关性最大，相关系数为0.958，复阻抗相角、电抗相关系数分别为0.791、0.706，均呈正相关；品质因数、并联等效电阻、复阻抗呈负相关，相关系数分别为-0.750、-0.738和-0.819。

表1 果实重量与电学参数的相关性

2.2 电学参数与果实重量变化规律

由图2可知，随着果实重量的增加，并联等效电容、复阻抗相角、电抗呈现递增趋势，其中并联等效电容呈线性递增；复阻抗相角和电抗先快速增加，当果实重量超过110 g左右时，随着果实重量的增加复阻抗相角和电抗增长速率减小，说明重量对复阻抗相角和电抗的影响明显减弱；并联等效电阻、品质因数和复阻抗呈现递减趋势，当重量增加到110 g左右时，随着果实重量的增加并联等效电阻、品质因数和复阻抗降低速率减小。电学参数并联等效电容、品质因数、并联等效电阻、复阻抗、电抗和复阻抗相角与重量之间变化趋势明显。现对上述电学参数进行线性拟合，R2分别为：0.9178、0.5620、0.5542、0.6708、0.4991和0.6254，其中并联等效电容的拟合程度最优，其拟合方程为：y=0.15x-8.09，故并联等效电容可作为库尔勒香梨重量检测的最优特征参数。

图2 果实重量与电学特性的关系

3 结论

本试验以库尔勒香梨为研究对象，采用相关性分析方法，对6个电学参数指标进行分析，在1 MHz频率下，库尔勒香梨果实重量与电学参数之间存在较高的相关性。果实重量对库尔勒香梨电学参数有一定的影响，并联等效电容、品质因数、并联等效电阻、复阻抗、复阻抗相角、电抗均有较高的相关性，达到显著水平(P＜0.01)。

在试验参数范围内，探究库尔勒香梨电学特性与果实重量的变化规律，随着库尔勒香梨重量的增加，电学参数并联等效电容、电抗和复阻抗相角逐渐增大，电学参数并联等效电阻、复阻抗和品质因数逐渐减小；所选取的电学参数与果实重量线性拟合中，并联等效电容的方程拟合最优，R2=0.9178，拟合方程为y=0.15x-8.09，应用并联等效电容检测库尔勒香梨果实重量具有一定的可行性。旨在为提高我国水果的综合利用率提供参考依据，同时为水果分级分选装置的研发提供理论参考。