基于LCR测试仪的“大变小”籽瓜果皮电学参数分析

雷绍良， 孙晨歌， 韩 晶， 王延梯， 许家源， 黄晓鹏*

(1.甘肃农业大学农学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃兰州 730070；3.甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

籽用西瓜，简称籽瓜，又叫打瓜，属于葫芦科，是一年生草本植物，其具有多种营养价值和药用价值[1]。籽瓜主要种植于西北部地区，是当地较为重要的经济作物，播种面积较大[2-3]。在实际生产活动中，机械化收获、搬运和运输都可能会造成籽瓜的各种机械损伤。依靠于果蔬电学特性的无损检测技术可以测定果蔬的品质和机械损伤程度[4]，因此可以利用籽瓜的电学特性来测定籽瓜的品质以及衡量籽瓜的机械损伤程度，并以此来为籽瓜生产线中的分级筛选机械提供理论依据。已有大量研究人员对果蔬的电学特性做了相关研究，王瑞庆等[5]研究发现影响果实电特性测试的因素主要有测试频率和温度。唐玉荣等[6]研究发现测试频率对待测材料的电学参数有极显著影响。目前已有研究人员发现火柿[7]、红巴梨[8]果实的阻抗和电感随测试频率的升高而单调递减。嘎拉苹果[9]果实的并联等效电容、并联等效电感和并联等效电阻随测定频率的升高而一直减小。杜光源等[10]发现秦光二号油桃的多个电参数值随频率的变化呈现有规律的变化。李腾飞[11]发现在特定测试频率范围内，亚特猕猴桃的电抗、并联等效电感和并联等效电阻均随频率的升高而一直下降。

可见关于各种蔬菜、水果的电学特性相关研究成果较多，为这些蔬果在储存运输过程中防止损伤、保持质量提供了较多的理论支撑。籽瓜作为一种重要的水果，在生产、加工以及储存运输方面也有相关的理论需求，但关于籽瓜的电学特性理论研究相关报道较少。因此，本研究采用平行板电极法对市场中较重要的大变小籽瓜品种果皮在163.28～8 000 kHz间49个频率点下的阻抗、电导等8个电学特性进行了测试，旨在探明其随频率变化而变化的规律，同时分析了大变小籽瓜果皮阻抗、电导等8个电学特性的相关性。以期为籽瓜无损检测技术和籽瓜生产线中的分级筛选机械提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

实验选用的“大变小”籽瓜均采自甘肃省白银市靖远县，成熟期在八月初到八月中下旬。选取大小形状基本一致、达到商品成熟阶段、无病虫害的籽瓜，当天运回实验室，表面清洗干净后低温保存，用以实验测定数据。

1.2 仪器设备

IM3536型LCR测试仪。

1.3 方法

实验设计6个组，每组“大变小”籽瓜9个，依次标清序号。

1.3.1 制取样品

制备果皮样品：用水果刀从大变小籽瓜瓜梗部、中上部、赤道部、中下部、瓜脐部五个测试部位分别切取厚约3 cm瓜片，之后将其制作成高1 cm，底面积3 cm2的圆柱形果皮样品。依次标清实验组号、序号。

制备果肉样品：用水果刀垂直于轴向，从大变小籽瓜瓜梗部、中上部、赤道部、中下部、瓜脐部5个部位切取厚约3 cm的瓜片，之后在各个瓜片的圆心部位取厚1 cm、直径3 cm的圆柱形果肉样品。依次标清每个样品的实验组号、序号。

1.3.2 测定数据

进行试验前，将LCR测试仪预热2小时，之后进行手动调零。将待测籽瓜样品放在平行板同电极间，平行板电极放在防干扰箱里。之后用计算机收集163.28～8 000 kHz 间49个频率点下的电学特性阻抗、电导、品质因数、并联等效电容、并联等效电感、并联等效电阻、电抗、损耗因子8个电学特性，每个样品测三次，求平均值。

1.3.3 数据分析

使用Excel2016、Origin2019、SPSS25进行数据分析、图像绘制和回归分析。

2 结果与分析

2.1 阻抗、电导的频率特性

从图1可见，在163.28～8 000 kHz频率范围内，大变小籽瓜果皮的阻抗随着频率的增大单调递减。频率低于489.81 kHz时，大变小籽瓜果皮的阻抗随频率的增加而减小的幅度较大，当频率大于489.81 kHz，大变小籽瓜果皮的阻抗随频率的增加而减小的幅度较为缓慢。同样由图1和图2可知大变小籽瓜果皮的电导随频率增大而变化的规律。其电导随频率的增大而单调递增。

图1 阻抗随着频率的变化

图2 电导随频率的变化

2.2 品质因数、并联等效电阻的频率特性

由图3可见，大变小籽瓜果皮的品质因数随频率的增大而单调递减，并且其减小幅度在1 500 kHz之前较大，在1 500 kHz之后其减小较缓慢。在图4中，频率小于1 000 kHz，大变小籽瓜果皮的并联等效电阻随频率的增大而单调递减的幅度较大，而频率大于1 000 kHz时，其随频率的增大单调递减的幅度较为缓慢。整个测试频率范围内，大变小籽瓜的并联等效电阻是同频率的增大而单调递减的。

图3 品质因数随频率的变化

图4 并联等效电阻随频率的变化

2.3 并联等效电感、电抗的频率特性

图5是大变小籽瓜果皮的并联等效电感随频率变化的图。由图可知在750 kHz之前大变小籽瓜果皮的并联等效电感随频率增加而递增幅度较大，当频率大于750 kHz时，其随频率增加而单调递增的幅度非常平缓。在整个测试频率范围之内，其随频率的增加而单调递增。图6中，大变小籽瓜果皮的电抗随频率的增加呈单调递增趋势，其中800 kHz为一个临界点，在其之前大变小籽瓜果皮电抗随频率的增加而递增的程度较大，在其之后大变小籽瓜果皮电抗随频率的增加而递增的幅度较缓慢。

图5 并联等效电感随频率的变化

图6 电抗随频率的变化

2.4 并联等效电容、损耗因子的频率特性

由图7可知，在测试的频率范围之内，大变小籽瓜果皮的并联等效电容随频率的增加单调递减。大变小籽瓜的并联等效电容在2 250 kHz之前随频率的增加而减小的程度较大，在其之后随频率的增加而减小的程度较平缓。由图8可见，在整个测试频率范围内，大变小籽瓜果皮的损耗因子随着测试频率的升高先减小后一直增加，且其损耗因子最低值1.164对应的频率为653.07 kHz。

图7 并联等效电容随频率的变化

图8 损耗因子随频率的变化

2.5 电学参数相关性分析

表1显示的是大变小籽瓜果皮电学特性之间的相关性分析。相关性分析可以衡量两个变量因素的相关密切程度。由表1可知，大变小籽瓜果皮的阻抗与品质因数、并联等效电容、并联等效电阻均呈正相关，且均达到极显著水平，与电导、并联等效电感、电抗、损耗因子均呈负相关，都达到了极显著水平；大变小籽瓜果皮的电导与并联等效电感、电抗均呈极显著正相关，与损耗因子呈显著正相关，与品质因数、并联等效电容、并联等效电阻均呈极显著负相关；大变小籽瓜果皮的品质因数与并联等效电容、并联等效电阻均呈正相关关系，且均达到极显著水平，与并联等效电感、损耗因子均呈极显著负相关，与电抗呈显著负相关；大变小籽瓜果皮的并联等效电容与并联等效电阻呈正相关，达极显著水平，与并联等效电感、电抗和损耗因子呈负相关关系，且均达到极显著水平；大变小籽瓜果皮的并联等效电感与并联等效电阻呈极显著负相关，与电抗呈极显著正相关，与损耗因子呈显著正相关；大变小籽瓜果皮的并联等效电阻与电抗和损耗因子均呈负相关，均达到极显著水平；大变小籽瓜果皮的电抗与损耗因子呈正相关，达极显著水平。

表1 大变小籽瓜果皮电学特性之间的相关性

3 讨论

本研究利用平行板电极法在163.28～8 000 kHz间49个频率点对大变小籽瓜果皮的阻抗、电导等8个电学特性下进行了测试，发现了其随频率的变化而变化的规律。分析了大变小籽瓜果皮阻抗、电导等8个电学特性的相关性。本研究发现在测试频率范围内，大变小籽瓜果皮的阻抗随频率的增大而一直减小，其电导随频率的增大一直增大。张莉[12]研究发现随着测试频率提高，火柿的阻抗一直下降而电导一直升高。王瑞庆等[13]发现红巴梨的阻抗随着测试频率的提高而递减。兰州百合的电导随测试频率的升高而单调递增[14]。这些发现都与本研究的结果相似。出现这种情况的原因是：在较低频率下，电流在果实内流过的通道主要只有细胞间隙的液体，所以其流通渠道少，受阻较大；较高频率下，电流可以从细胞膜和液泡膜间流动，即可以同时在细胞外和细胞内流动，流通渠道变多，受到阻力较小。本研究发现在测试频率范围内，大变小籽瓜果皮的并联等效电容和并联等效电阻都随着频率的增加而单调递减，其并联等效电感随频率的增加先减小后一直增加。唐玉荣等[15]研究发现在试验频率范围内，随着频率的增加库尔勒香梨的并联等效电阻、并联等效电感和并联等效电容均一直减小，并联等效电感随频率增加的变化与本研究发现不同。蒋宝[16]研究发现，在一定频率范围内红提葡萄的并联等效电阻和并联等效电感随频率的增加而不断减小，其中并联等效电感随频率变化的特性与本研究结果不同。

4 结论

综上所述，本研究采用平行板电极法在一定频率范围内对大变小籽瓜果皮进行试验，发现了大变小籽瓜果皮阻抗、电导等8个电学特性在特定频率范围内随频率的升高而变化的规律，同时对这8个电学特性的相关性进行了分析，区分了大变小籽瓜果皮各电学特效之间的相关性。本研究结果以期为籽瓜无损检测技术和籽瓜生产线中的分级筛选机械提供理论依据。