（机械制造及其自动化专业论文）水果电特性理论及其无损检测、自动分选基础技术研究.pdf

中英文摘要 全文摘要 本论文首次提出在低频段利用连墨皇楚性进行水果内部品质磊i 垦i 型的新技术， 并将该技术应用于水果内部品质的自动分选系统中。 第一章从分析研究背景出发在综合评述国内外农业物料物理特性研究历史、 现状的基础上，提出了在低频段利用水果电特性进行水果内部品质无损检测的新思 想，阐述了研究水果内部品质电特性无损检测和品质自动分选的意义，并简述了本博 士学位课题的立题依据和研究内容。 第二章研究了水果生物介质在交变电场作用下的极化和损耗机制。愠出了复介 电常数、等效阻抗及等效屯容几个相互联系又有所区别的电特性参数是研究交变电场 与水果相互作用的基本参数。建立了水果电特性测试的等效电学模型。根据细胞水平 上的耗散，确定了在1 0 0 h 互一1 0 0 i o - i z 低频段研究水果电特性。i ，7 。 第三章利用水果的介电特性，研制了一套水果品质电特性无损检测系统。f 讨论 了两个主要组成部分以微处理器为核心的电感、电容和电阻自动测量、偏差比较 和阻抗测量装置以及以微机为核心的电特性识别的集成软件系统。经长时间运行表 明，该系统具有较高的性能指标和可靠性，对迅速识别水果的电特性有较好的效果。7 第四章在i o o h z 。i o o k h z 频段下进行了大量实验，研究了不同品种不同品质苹 果的电特性参数的频率特征d 研究了苹果等水果新鲜度、内部损伤与其电特性参数的 关系；提出了以相对介电常数和等效电容作为评价水果品质的电特性指标：针对影嗨 水果电特性参数测量的有关因素，进行了分析研究；为实现水果品质电特性自动分选 奠定了基础。p 第五章首次研制了基于电特性进行水果品质自动分选的原理性样机，讨论了分 选样机的结构组成缸括机械系统、气动系统、多工位旋转式转盘步进驱动系统、传 感系统、计算机控制系统的工作原理。样机采用多工位旋转式转盘步进结构，上料、 检测、分级下科在不同工位分别完成，可以根据不同的分选要求设定不同的分选策略， 可在1 2 秒时间内完成介电特性数据的采样和计算机模式识别，对被检测苹果的等级 做出决策评价，并通过计算机控制气动分级执行机构在不同的下料工位实现苹果的自 动按等级下料。研究了计算机智能分选模式特征和分选策略，探讨了基于苹果样本的 有导师的机器学习方法的实现，根据= 髻+ 忙黧一e m “i a h 、- 一户。耐) 进行分选阈值参 数在线寻优，达至满意的分级效果，试验结果表明，在合理设定分选阑值的情况下， 分选的聚类准确性可以达到8 0 以上。实验结果验证了理论分析的正确性和利用电特 性进行水果品质自动分选的有效性。 第六章对全论文所取得的成果和所得到的结论进行总结并对未来的工作进行展 胡。 中英文摘要 a b s t r a c t an e w t e c h n o l o g y f o rn o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i n gt h ef r u i ti n t e r n a lq u a l i t yb a s e do n t h e d i e l e c t r i cp r o p e r t ya tl o wf r e q u e n c yr a n g ei s p u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e t h ep r i n c i p l e a n di m p l e m e n to f a u t o m a t i c c l a s s i f y i n gs y s t e ma l s oh a v eb e e ns t u d i e do nt h eb a s eo f t h i s t e c h n o l o g y i n c h a p t e r 1 ac o n c i s er e v i e wo ft h ep h y s i c a lp r o p e r t yo fa g r i c u l t u r a lm a t e r i a li s s u m m a r i z e d a n dt h en e wm e t h o do fn o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i n gt h ef n l i ti n t e r n a lq u a l i t y b a s e do nt h ed i e l e c t r i cp r o p e r t ya t f r e q u e n c yr a n g ef r o m 1 0 0 h zt o1 0 0 k h zi sp r o p o s e d ， a n dt h eb a s e 、t h es i g n i f i c a n c ea n dt h ec o n t e n to f t h i ss t u d ya r ed i s c u s s e d i nc h a p t e r2 ，t h ep o l a r i z a t i o na n dl o s sm e c h a n i s mo ff r u i ti nt h ea l t e r n a t i n gc u r r e n ta r e s t u d i e d ，a n dd i e l e c t r i cp a r a m e t e r ss u c ha sd i e l e c t r i cc o n s t a n t 、e q u i v a l e n ti m p e d a n c ea n d e q u i x r a l e n tc a p a c i t a n c ea r ep mf o r w a r dt oa n a l y z et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nf r u i t i n t e r n a l q u a l i l ya n da l t e r n a t i n gc u r r e n t t h ee q u i v a l e n te l e c t r i c i t ym o d e l f o rt e s t i n gf r u i td i e l e c t r i c p r o p e r t y a tl o wf r e q u e n c yf r o mlo o h z t o1o o k h zi se s t a b l i s h e d i nc h a p t e r3 a ni n s t r u m e n to f n o n d e s t r u c t i v e i n s p e c t i n gf m “i n t e r n a lq u a l i t yb a s e do n d i e l e c t r i cp r o p e r t yh a sb e e nd e v e l o p e d ，a n dt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ea r ed e s c r i b e di n d e t a i l i nc h a p t e r4 ，a g r e a tq u a n t i t yo fa p p l ew i t hv a r i o u sb r e e da n dd i f f e r e n tq u a l i t ya r e u s e dt os t u d yt h ef r e q u e n c yp r o p e 哪o fd i e l e c t r i cp a r a m e t e r sf r o ml o o h zt o1 0 0 k h zu n d e r av a s ta m o u n to fe x p e r i m e n t ，a n dt h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nf r e s h n e s s 、b r u i s ea n dd i e l e c t r i c p r o p e r t i e sa r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti ti sr a u o n a lt ou s ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta n d e q u i v a l e n tc a p a c i t a n c e a st h ei n d e x e st oe v a l u a t et h ef r u i ti n t e r n a l q u a l i t y t h ef a c t o r s i n f l u e n c i n gt h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e so f f r u i ta r ea l s oa n a l y z e d i nc h a p t e r5 ，ap r i n c i p l ep r o t o l y p ef o ra u t o m a t i cc l a s s i f y i n gt h ei n t e r n a lq u a l i b , o f f 沌“b a s e do nt h ed i e l e c t r i cp r o p e r b , h a sb e e nd e v e l o p e df o rt h ef i r s tt i m et h ec o n s t r u c t i o n o ft h ep r o t o t 3 q = e i n c l u d i n gm e c h a n i c a l 、p n e u m a t i c 、m o t o rd r i v e 、s e n s o ra n dc o m p u t e r c o n t r 0 1 a n dt h es t r u c t u r eo f p a t t e r nc h a r a c t e ro fi n s p e c t e da p p l e sh a v eb e e nd i s c u s s e dt h e r e s u l t si n d i c a t et h a t ，a c c o r d i n gt ot h eo p t i m a lt h r e s h o l do b t a i n e db ys t u d y i n gu n d e rt h e c o n d i t i o no f s = 黧+ 扛怒i 5 怒x 1 一p “) ，t h ep r i n c i p l ep r o t o t y p ec a bb e t t e rc l a s s i f y t h ea p p l ew s t hd i f f e r e n tq u a l i t y , a n dt h ea c c u r a c yf o rc l a s s i f y i n gi s l a r g e rt h a n8 0 i t s w o r k - e f f i c i e n c y i so n e a p p l ep e r 2 5 s e c b e i n g c l o s et ot h e e f f i c i e n c y o fm a n u a l c l a s s i f y i n g i nc h a p t e r6 ，t h ec o n c l u s i o n sa n da c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m e d u p ， a n dt h ef u t u r ew o r ki sp r o s p e c t e d n 本博士擎诬论文研究褥到 浙江省自然科学基金项目( t 9 9 5 1 9 9 8 ) “水果内部品质无损检测的机理研究” ( 资助项目批准号：3 9 5 2 2 4 ) 中意政府间科技合作项目( 1 9 9 7 2 0 0 0 ) “水果内部品质电特性无损检测的机理研究” ( 资助项目批准号：国科外字 1 9 9 7 7 2 2 7 号) 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 i 摘要l 阐述本文的研究意义，说明提出研究水果电特性的曲要性。简要介绍目 前国内外农业物料物理特性的研究现状，及水果无损检测技术的研究发展概况。 阐明本学位课题的研究目的及主要研究内容。 1 1 研究意义 水果等农业物料的电特性已目益引起人们的注意，其主要原因：1 农业物料 的电特性在很人程度上决定了其在高频加热处理时的特性；2 农业物料的电特性 与其它特性( 如含水量、密度) 之间存在着相关性，使得能利用电测方法来测定 这些特性值；3 对农业物料电特性的了解可为农产品的测量装置和加工装置的设 计提供理论依据。正因为如此，农业物料的电特性得到广泛的应用。例如，利用 谷类的电特性进行含水量检测：控制谷物贮藏中的害虫：利用种子、茶叶的介电 特性进行清选分级等。曾有人提出并尝试利用水果的电特性评价其内部品质如新 鲜度、成熟度等。 水果是一种重要的农产品，在世界各地均有巨大需求。购买者对水果的可接 受程度不仅取决于外观，而是更侧重于其内部品质的要求。而且，一些在外观上 并不明显的缺陷，却在水果运输途中对水果品质带来严重影响，使水果到达市场 时出现软化和过熟现象。 在我国，新鲜水果主要来自于个体种植户，提供的水果不仅在品质方面存在 巨大差异，而且在包装、贮藏和运输过程中造成大量的内部和外部的损伤和腐 烂，因此，每年的水果损失率高达2 0 一2 6 ，这一数字远远高于发达国家。 其主要原因有：1 不同成熟度的水果相互混杂：2 病害果掺杂在正常果之间：3 作、世中受到各种力的作用而导致机械损伤。过熟的水果与内部有缺陷的水果容易 麝烂变质。在贮运等作业环节中，影响正常果，导致次残果增加。若能根据水果 的不圊内部品质进行分级，使得过于成熟和不新鲜的水果及时加工，已损伤的及 塑垩查兰竖主兰垡丝塞 时处理，这将大大减少水果的损失量，提高作业质量。 目前，水果的质量主要依靠目测和品尝的方法进行评价，而分析水果内部组 成成分则依靠破坏性检测方法，这将导致分析结果受到其它因素的干扰，并且内 部品质不能得到快速而准确的反映。 水果的内部品质表示水果内部的生理、化学和物理性质。水果作为一种生物 体，构成其的各种生物组织，就其微观结构而言，与非生物物质一样，存在着带 电粒子，因而水果生物组织内部存在着生物交变电场。构成生物组织的各类化学 物质所带电荷的多少及电荷在空间的分布决定了生物交变电场的强度，而这些又 影响水果的电特性。同时，水果的生长、 过程中伴随着物质和能量的转换和传递， 产生的电磁现象之间必然有某种相关性。 成熟、受损及腐败变质等复杂生物化学 这些转换和传递与水果本身的电特性和 如果可以通过无损检测方法测量水果的介电特性，就可以在贮藏和处理之前 剔除存在内部缺陷的水果。如果水果在销售和流通之前，可以根据质量进行严格 分级，则可以有效地提高水果生产的技术水平。 因此，研究基于介电特性的水果品质无损检测方法、技术和装置，不仅可以 减轻工人的劳动强度、减少经济损失，提高发展中国家水果生产水平，而且对于 开发新型水果分级设备，发展经贸国际合作都具有重要意义。 综上所述，对水果的电特性研究存在其必要性和可行性。本论文正是基于 这样的想法，用非破坏性方法对水果的电特性作一探索性研究，尝试用电特性参 数的变化来反映水果内部的物理化学变化，从而为利用电特性参数测量水果的内 部品质提供理论依据，同时为利用电特性进行水果内部品质无损检测和自动分级 的研究打下基础。 本项目的研究属新领域，需结合电磁学、农业物料学、果品工艺学、营养 学、机构学及计算机控制技术等多学科的知识进行综合、深入的研究。 1 2 农业物料物理特性的研究现状 2 浙江大学博士学位论文 农业物料是指农业生产和加工的对象。它包括植物和动物物料，以及以它们为 原料加工的半成品和成品。农业物料的物理特性，主要包括农业物料的基本物理特 征、力学性质、热特性、光特性、电特性等。 随着科学技术的不断发展与进步，促进了各种技术的相互渗透，也就出现了由 此而产生的各种交叉科学和边缘科学。就农业而言，现代农业中已日益普遍地采用 机械学、热学、电学、光学甚至声学等各种技术和方法来处理加工农产品，为使这 些新技术能在生产中得到较好的应用，首先必须充分地掌握农业物料的各种重要的 物理参数和物理特性。当设计机器装备的作业程序、机器结构以及控制系统时，当 进行机器效率分析和测定时，当开发新的动植物资源和评定农产品品质时，农业物 料的物理特性资料和数据是必须具备的。因此，它的研究成果是研究和设计具有先 进性能的作业机器和设备的原始依据，并且能启发和引导工程技术人员去探索和发 现新的加工原理，为产品设计提供最佳参数。 】2 】农业物料基本物理特征“1 农业物料基本物理特征包括物料的形状、尺寸、体积、密度、孔隙率、表面 积、比表面积和含水量等，它们在机械设计及产品分析中是不可缺少的最基本的原 始数据和重要的工程参数。例如，根据胡萝h 个体的重心位星，发明了胡萝h 自动 定向排科装置：利用谷物种子的长度特征发明了窝眼选粮筒：利用桃子的外形特 征，确定了桃子加工中的定向方法。用气力法从种子或谷粒中分离夹杂物、用气流 或水流输送水果、分析水果冷却曲线时，物料的形状、尺寸、密度等起着重要的作 用。在干草的干燥和贮存：青贮的机械压缩：颗粒饲料和草饼的稳定性研究以及物 料成熟度和质量分析中均需要测定物料的密度。精确测定农产品的形状和尺寸，可 以解决自然状态下的热传导问题。在气流和热流研究中常常要用到孔隙率、比表面 积等数据。在研究植物一土壤一水的相互关系；确定农药和杀菌剂应用次数及残留 消除等都要了解物料的表面积。 1 2 2 力学特性的研究现状”。 农业物料的力学特性，可分为固体农业物料的流变性质、液体农业物料的流动 特性、农业物料的流体动力学性质和散粒物料的力学特性。 堂垩查兰苎圭兰笪丝苎 农业物料的流变特性是研究物料在外力作用下产生的变形和流动。由于农业 物料大多是粘弹性体，所以往往要研究外力、形变和时间三者之间的关系。意大利 b o l o g n a 大学l u i g j 博士，研究了水果运输过程中的振动传递与机械损伤的关系， 给出了水果在不同种类的包装容器和容器的高度及不同的道路表面、行进速度、路 程长短、悬挂形式下运输时，受静态和动态的作用力而可能造成的损伤程度，对不 同水果在各种状况下运输时，最大程度地降低机械损伤减少损失有着积极的指导意 义。通过对物料流变特性的研究，可为各种机械和设备的设计提供有用的设计依 据、并大大地减少物料的机械损伤和提高最后产品的质量。 农业物料流体动力学特性是研究物料和流体的相互作用，物料在流体中运动时 的阻力和速度以及提供农产品流体动力学特性的基本数据。农产品的装运和加工过 程中经常将空气或水作为一种运载体，用以输送产品或分离夹杂物。用水流输送水 果和蔬菜等一类农产品在生产中已得到日益广泛的应用，这是一种比较经济、对物 料损伤较小的方法。 在农业机械、加工机械和其它设备中经常需要处理各种散粒物料。所谓散粒物 料是指由大量的尺寸大致相同的颗粒所组成的群体，如谷粒、颗粒饲料等。它们的 力学性质如休止角、内磨擦角、最大稳定角以及在各种材料表面上的动、静磨擦系 数等将直接影响这些设备的设计参数。因此，为了保证这些设备如谷仓有足够的强 度并能使物料在这些设备中畅侠地流动，必须了解物料的这些基本的力学性质。 到目前为止，农产品的力学性质已得到了广泛的应用。例如，在研究了水稻 和小麦具有不同力学特性的基础上，设计了梳刷法水稻自动脱粒机和揉搓法小麦自 动脱粒机。在研究橄榄、板栗、核桃等坚果的振动特性基础上，发明了用振动原理 设计的收获机械。根据马铃薯或洋葱与土块所具有的不同回弹特性，设计出了马铃 薯( 洋葱) 土块分离装置。按照好浆果和坏浆果具有不同的固有频率，发明了用振 动方法自动分选浆果的设备。根据力学性质，可以分选不同成熟度的农产品。 m a r t i n 利用水果坚实度测量仪，对刚成熟和已成熟的水果做坚实和弹性试验，完善 了用坚实度特性表示成熟度的方法：h u n g 对桃子的成熟度对其碰伤敏感性的影响 作了研究：m i c h e a l 提出用撞击力对水果坚实度进行分级的理论，依据不同的时间 特性对不同成熟度的水果进行分级：d e w i c h e 研究了用冲击对水果硬度进行分级 的方法，根据冲击力特性系数不同进行水果分级。这些试验与研究在利用水果坚实 塑里查竺堡圭茎垡篓茎 度对不同成熟度的水果进行分级上取得了一定的效果。利用力学特性进行水果分级 会不同程度地损伤水果，而且不适用于柑桔类水果与皮薄多汁类的桨果水果的自动 分级。 1 2 3 光特性的研究现状“、乜“。 光特性主要研究农业物科对光的吸收、反射、光密度、延迟发光等。研究农业 物料光学特性时一般采用可见光，波长大约为4 0 0 - 7 6 0 n m 的电磁光谱部分，有时也 可延伸至紫外区和红外区。近年来，农产品的光的透过和反射特性已用于成熟度和 表面颜色测定、成分分析以及研究水果和蔬菜的内部特性、自动分选和分级。 光反射实验显示，由于物料组成物吸收特性的差异，不同的物料有不同的光谱 特性曲线，例如波长为9 7 0 、1 1 9 0 和1 4 5 0 r i m 左右范围内的红外线是水的吸收带， 根据这个特性我们可用红外线照射的方法测得其含水量。在波长为6 7 5 n m 左右是叶 绿素的吸收带，利用它照射物料，测定物料时绿素的含量，从而可以确定物料的成 熟度。 一些工业发达国家采用光学法在农业新产品的无损检测方面已作了不少研 究。c n t h a i 研究了西红柿和桃子颜色品质的数学模型；m i l l e r 研究了桃子的光学 特性，根据果皮表面发红面积判断其成熟度。农业物料的光的反射率和透光率光谱 曲线与其成熟度和颜色有明显的相关性。根据蕃茄的光特性，设计出了蕃茄成熟度 自动分选设备。利用鱼的光特性，可以自动区分某些鱼的雌雄。由电脑控制的光电 筛选机，可以分选各种蔬菜、水果或谷粒。以物料的光透过特性和光吸收为基础的 方法已用于测定蕃茄的内部变色、小麦黑穗病的发展期、马铃薯内部病态、苹果的 水核和烂心、水果的叶绿素含量、谷物的病虫害、种子的水分以及樱桃、玉米等的 损伤等。光的反射住可用于分级和分离夹杂物。例如，马铃薯和土块的反射能力差 异较大，因此可根据光反射率的不同将两种物料分开。对柠檬的光反射率曲线研究 表明，在水果成熟的各个时期其反射率有不同的变化。已根据这个特性探索颜色分 选机的设计。用红外线的反射和传导方法，能够测出肉制品、豆浆、种子等材料的 含水率、蛋白质含量和油脂含量。乖j 用农产品的光特性，已经研制出了一系列光学 检测仪器，其中光导纤维和电脑数据处理系统已得到了广泛应用。 塑垩查兰堕圭兰垡堡苎一 1 2 4 热特性的研究现状“3 3 农业物料的热学特性，主要应用在农产品的贮藏，运输，加工和保鲜时的加 热，冷却，干燥和冷冻处理其主要的参数包括农业物料的比热，导热率，导温 系数和对流换热系数。 水果、蔬菜进行贮运、加工和保鲜时，首先必须掌握其以时间和温度为主要 参数的热特性资料。将农产品加热、冷藏、干燥、和冷冻时，其热特性将直接影响 机器的工作性能。在设计乳品的冷冻设备、肉制品的加热和脱水设备、果蔬的制冷 设备、罐头生产和食品加工设备时，物料的导热率是重要参数。没有物料的热容量 数据，则无法着手解决加热和冷却系统的热平衡问题。为了确定物料在加热或冷却 过程中任意时刻和任意位置的温度，必须了解物料的热特性知识。在物料的热处理 中，如果要保持物料的生长力、营养和质量的话，则时间和温度是同样重要的。 水果和蔬菜等农业物料收获后其生命过程在继续着，细胞仍是活的。这种生 命过程可利用低温和高的相对湿度加以控制。水果冷却可减缓其呼吸作用、减慢 成熟过程、延长了腐败变质的时间。引起水果和蔬菜变质的酶和微生物的作用可 以采用低温办法加以控制。低温保鲜，例如，新鲜产品在3 2 c 时如果只要1 小时 就产生变质的话，则产生同样变质在i o c 时需要】天，在o 时需要1 星期。所 以农产品冷却是一项重要加工过程，而冷却特性是与物料的热特性紧密相关。 研究发现：对一些水果和蔬菜进行控制加热，果胶物质会变性导致细胞壁强 化和发生细胞间粘胶作用，从而可获得一些较结实的罐装产品。例如，对红酸樱 桃进行预加热和压坑试验表明，当樱桃在4 3 。c 和9 54 c 时大致有相同的质地，且 压坑力较小。而在5 5 。c 一7 0 c 之间时，樱桃所需压坑力较大，这表明樱桃变得较 结实了。对桔子热处理研究发现，当桔子在5 1 89 c 热水中浸泡5 分钟时，使腐烂 从2 3 下降到3 ，而5 4 4 。c 热处理同样时间其效果要小得多。对胡椒热处理表 明，可以减少收获后的腐烂，其达到最佳效果的时间和温度配合为5 6 1 和 0 7 5 分钟。因此，在一些加工流水线上，设计安装了热水喷淋装置，通过调节输 送速度来控制所需喷淋时间，对食品进行热处理。 根据物料的比热特性，利用高温对硬种子进行热处理，可使种子容易渗透水 分，提高了种子发芽率。研究发现，对紫花苜蓿和红三叶草的硬种子在1 0 4 c 温 度下对流加热4 分钟，可使紫花苜蓿硬种子数量减少8 1 ，红三叶草硬种子数量 6 浙江大学博士学位论文 减少6 9 。对紫花苜蓿种子进行传导加热研究表明：种子在加热温度为f i l o 1 2 的 倾斜金属板上，下滑距离为6 1 0 m m 其效果最佳，其发芽率可达到7 9 5 ，遗留的 硬种子仅为6 7 。对小麦、玉米和豆类作物种子进行热处理是促进其发芽的一种 很有效的方法。采用非传导加热可使棉耔中的酶完全地失去活性，有效地防止了 种子在贮藏期间的损坏。 1 2 5 电特性的研究现状 农产品的一些电特性如电导性、电阻、电容和介电常数等在加工过程中是重 要的物理特性。电阻和电导已被广泛地用于表征生物组织的导电性，也反映了生 物体生命力的大小。电导和电容已用于谷物含水量测定。电阻法已用于精确地测 定棉花纤维长度分布以及羊毛的细密度。电阻值可用来检验诸如果实成熟度，桃 子的阻抗随成熟度提高而增大，在完全成熟时果肉阻抗达最大值，随之又逐渐下 降。利用该特性研制的桃子成熟度检测仪要比用果实大小和色泽方法检验不仅更 可靠，而且可为果实的收获和贮藏设备直接提供成熟度的定量指标。 静电分离原理已用于分离和精选种子，特别是对于小粒种子有明显效果。静 电分离可选出高电阻、高电容的种子，而这样的种子般都是成熟度高、生命力 强的种子。试验表明，静电分离基本上是与种子尺寸、形状、质量和表面状况等 无关。 电抗技术可用来测定由于霜冻、喷雾毒害或其它损伤手段对植物组织造成损 伤的程度。这个技术的基本原理是根据植物细胞死亡时它没有电容，植物细胞没 有受损或健康的时候有包括电阻和电容在内的电抗。因此，用宽量程的交流电桥 测量的低频电抗和高频电抗之比即可表示植物细胞组织损伤的程度。 由于电特性法是利用水果本身在电场中介电特性的变化来反映水果的品质， 因此测定的是水果的内部品质，而且所用的设备相对简单，信号获取和处理比较 容易，因此有着广泛的应用前景。 国外对农业物料电学特性的研究起_ 步于本世纪初。利用介电特性判断水果内 部品质的研究国外已有报道。t h o m p s o na n dz a c h a r i a h ( 1 9 7 1 ) ”3 在3 0 0 m l - 1 z 一 9 0 0 m b z 的频率范围对苹果的介电特性进行了研究，发现苹果的介电特性随其成 熟度的不同而变化，未成熟果的介电常数在这个频率范围内几乎保持不变，而成 浙江大学博士学位论文 熟的苹果随频率的增加而减少。m c l e n d o na n db r o n ( 1 9 7 1 ) 咖对梨的介电特性在 0 5k h z 至5 k h z 的频率上进行了测试，测试结果显示梨的介电常数和损耗角正 切随频率增长而呈减少趋势；相反，随着梨的逐渐成熟，两者均逐渐增大。 n e l s o n ( 1 9 8 0 。1 9 8 3 ) 。”。对一些蔬菜水果的微波( 2 4 5 g h z 、1 1 7 g h z 、2 2 g h 2 ) 介 电特性作了试验。近几年来，n e l s o n 等人( 1 9 9 3 - 1 9 9 5 ) 。h “1 在0 2 - 2 0 g h z 的频 率范围上对一些水果又进行了研究。研究表明，介电常数随水果种类的不同而不 同，但在这段频率范围内，所测试水果的介电常数随频率增加均稳定减少，损耗 因数随频率的增加开始呈减少趋势，随后从i - 3 g h z 频率区开始逐渐增加。同时 发现含水量在微波频率范围内是影响介电常数的主要因素。同时该研究小组也对 谷物、小麦、种子、生物组织在微波频段下进行了研究啪旧1 。k a n d a l a 弛l 用阻抗 分析仪测定单粒玉米的平行导电板的电容，发现玉米的含水率不同其电容值不 同。s o k h a n s a n j r ”1 对整粒小麦的电特性研究表明其电特性与成熟度有关。日本学 者对水果的电特性也作了不少研究。加藤宏朗泓3 ”在l o h z 一1 3 删z 的频率范围上， 对损坏的和正常的水果的电特性进行了比较测试，结果显示，损坏水果的串、并 联等效电阻及阻抗，在该频率范围内低于正常水果，而串联等效电电容及损耗因 数值则比正常的水果大。串联等效电阻与水果的新鲜度或成熟度的相关性最明 显。同时，他还探讨了水果的果皮影响。研究发现，当频率高于1 m h z 时，果肉 阻抗与整果阻抗间的差值较小，即果皮的阻抗影响较小。另一学者杉纯“、3 ”对 食品的电特性作了详细的综述：说明了食品电特性的机理及利用食品的电特性进 行内部品质评价的可行性。 在国内，农业物料的电学特性研究尚处于开始阶段。刘毅、赵金平、齐新等 人! “”“，在研究种子介电特性的基础上，分别进行了蔬菜种子、林木种子和带 绒棉籽介电分选机研究和试验。钱新耀、徐保江“等人研究了蔬菜种子和物 料的含水量和测试频率对种子电传导和介电特性的影响，获得了相互之间的回归 方程。董建平等人对鸡蛋的新鲜度与其生物电的相关作了研究。王永平等从 研究牙齿膜电位出发，揭示了踽病发病机理的生物电化学理论。刘婉华等”7 1 利用 自制的谐振装置，采用谐振法在6 4 一1 2 4 脚z 频率范围，对猪肌肉生物组织的介屯 特性进行测量。尤田束等“”“。利用谷物湿度与谷物电特性和高频及微波介电特性 之间的强相关性原理，研究了微波谐振腔测量谷物湿度的技术。对水果的电学特 8 浙江大学博士学位论文 性研究尚未见报道。水果与以上谷物、蔬菜、种子及鸡蛋相比，其组成成份、组 织结构和内部品质等方面均有很大差异，因而以上研究的结果不能直接作为水果 电测和品质评价的依据。 根据报道的资料，对水果的电特性研究主要是在狭小的频率范围内，研究的 频率大多数集中在微波区域，关于水果的电特性和水果内部品质之间的相互关 系，有待进一步探讨。因此，为了探讨水果的电学特性与其内部品质的相关性， 有必要对水果的电学特性在低频率范围内作一些探索性的研究。 综上所述，农业物料物理特性在农业工程各个领域中有着广阔的应用前景。 近几十年来，各国对农业物料物理特性开展了大量的研究工作，并有多种专著及 大量论文发表。研究重点为农业物料物理特性基本理论和基本数据；农业物料物 理特性测试方法与理论以及农业物料的物理特性在农业生产和加工工程中的应 用。到目前为止，已召开了多次农业物料物理特性的国际学术会议。研究成果在 实际生产中的应用，促进了农业现代化的进一步发展。许多新型选果分级装置和 非破坏性内部品质检测装置逐渐得到了开发和利用。 1 3 水果品质无损检测技术和装置研究动态 在许多发达国家，蔬菜和水果收获之后首先要经过挑选并按一定的品质标准 和大小规格分级，以保证产品的质量和便于以质论价。 近年来，消费者对果蔬产品更加重视品质，更加关心其营养价值和有利于健 康等在消费上形成了高质高价的观念。与此同时，生产与流通中的质量竞争也 日益激烈。因此，品质检测及其分级技术显得更加重要，不仅外观品质与大小的 分级有越来越细的趋势，而且许多产品需要对内部品质进行判断，以此来保证产 品的质量并提高档次。另一方面以往品质分级是靠有经验者进行目测十分费 工，也不精确，随着农村劳动力不足和老年化的加剧，选果与分级作业要求实现 高度的自动化。在这种消费与生产需求的推动下，自动化分级技术不断发展进 步，许多非破坏性内部品质检测装置和新型选果分级装置逐渐得到了开发和利 用。 浙江大学博士学位论文 1 3 t 水果内部品质无损检测技术 无损检测是随高科技发展应运而生的- - 1 7 新兴技术。日本等发达国家先已 将此技术成功地应用于农产品质量检测，尤其是水果检验。从原理上讲，无损检 测可分为两种，一是在水果外部提供一种能量，从水果对能量的输入和输出变化 中得到水果相关的理化特性。另一种是通过对水果本身的化学发光或红外线放射 的能量等的测试来判定水果质量。目前，主要使用按前者原理设计的检验仪器。 内部品质无损检测技术是相对于需要剖开或破坏产品的局部才能取样分析判 断的方法而言的，其目的是在不损伤产品的前提下对其内部品质作出评价并分出 等级。但是果蔬产品真正全面的品质评价是非常困难的，需要许多项指标的综合 判断。最近新开发利用的非破坏性内部品质检测装置大多是就一种产品某一单项 重要项目进行检测的。尽管如此，它对保证和提高果蔬产品的质量，促进生产与 消费有着十分重要的意义。 目前，无损检测的方法主要是：- 1 光学检验，紫外线检验、可见光检验、近 红外线检验、一红外线检验；2 力学检验，声波检验和超声波检验：3 射线检验， x 光检验和c t 检验等。 8 0 年代后期日本、欧、美等发达国家开始了非破坏性内部品质检测技术实用 化的尝试，利用光学、射线、力学等原理，根据果实内部糖度或成熟程度等进行 检测、分级的装置得到了开发和利用。美国科学家和技术人员发明了无损振动传 感器( 1 9 9 7 ) ”、评价水果和蔬菜内部质量的核磁谐振技术( 1 9 8 9 ) ”“，用超声 波激振确定水果和蔬菜特性的技术( 1 9 8 9 ) ”“，用机器视觉对谷物颗粒进行检测 的系统( 1 9 9 7 ) ? = 。其它发达国家也对农产品的无损检测及分选作了深入的研 究。如德国研究了农产品的光电分选( 】9 9 2 ) ”，法国研制了水果成熟度的无损 电子探测计( 1 9 9 2 ) ? 4 前苏联也研制了采用光电方法的马铃薯和蔬菜分选机 ( 1 9 8 7 ) 。5 。我国在这方面的研究工作相对滞后。进入九十年代后，技术上开始向 发达国家靠拢。研制出了葡萄干颜色分选机( 1 9 9 5 ) 。，介电式蔬菜分选机组， 研究了光电色选机( 1 9 9 6 ) 。j 和苹果分选图像信息并行处理算法( 1 9 9 6 ) ”及电 阻在无损检测中的应用等( 1 9 9 6 ) ”“”1 。 根据物质成分不周，吸收的近红夕卜光谱不周，目本研制了光传感器b r l x 一 11 r 转动型桃糖度选果装置。1 9 8 6 年，m a k i 制作所，开始开发用可见光和近红外 1 0 塑垩奎兰堡主兰垡堡茎 线测定苹果成熟度的传感器，1 9 8 8 年完成了快速判别苹果成熟度和色泽的选果装 置。日本歧埠大学秋元梏一教授开发成功了检验涩柿的传感器，用可见光判别了 混入早生柿当中的涩柿。无损检验柑桔糖、酸含量现只能靠核磁共振技术，可是 此技术在测定时间和经费上还存在很多问题，难以实用化。m a k i 制作所研制的测 定西瓜成熟度和空瓢瓜的装置有两种，一种是声波检验装置，另一种是x 时线检 验装置。日本n e wg a s m o s 电器公司研制出的一种甜瓜熟度计，这种测定器通过 传感器测定甜瓜释放出的挥发性气体定出成熟度。 1 3 2 自动分选装置的发展动向“”“”1 较早的果蔬分选装置是机械称式重量分级机和缝隙式或筛孔式大小分级机 等。重量分级机是将果实单个地放进固定在传送带上的可回转的托盘里，当托盘 随传送带移动，接触到设在不同重量等级分口处的固定称，其果实的重量达到设 定的重量时，托盘翻转果实即落下，实现分级。这种分级机多用于番茄、苹 果、梨、桃等球状产品。 大小分级机是以缝隙或筛孔的大小将产品分级的，当产品通过由小逐级变大 的缝隙或筛孔时，小的先分选出来，最大的最后选出、这种分级机广泛用于洋 葱、马铃署、胡萝h 、慈姑、柑桔、李子、樱桃等。这些机械式分组装置的缺点 是作业过程中的振动和摩擦等常造成产品的损伤。 7 0 年代，以各种电、光技术为分级手段的装置被大力开发研制。到7 0 年代 末，利用光电系统测量产品的外径或高度的光电式大小分组机在柑桔、苹果和梨 上普遍应用，克服了机械式装置易损伤产品的缺点。 进入8 0 年代，电子称式重量分级机被实际应用。一台电子称可以测量全部 重量等级的产品，克服了机械称式分级机每一重量等级都要分别设称、噪声很大 的缺点，且装置大大简化，分级精度提高。这种分级机已开始用于番茄、甜瓜、 西瓜、马铃薯、苹果、梨和桃等。 在这同一时期，摄像机和电子计算机图像处理技术也开始用于果蔬的分选。 利用从果实的上方或下方照射的光形成的图像经由计算机处理，可求出果实的面 积、果径和果高等。这种装置多用于洋葱、马铃薯、柑桔和柿子等的大小分级。 8 0 年代中期，在黄瓜和茄子等果实的形状分选上开始运用了黑白色c c d 型掇 浙江大学博士学位论文 像机，实现了外观品质( 形状、弯曲程度等) 和大小分级同时进行。分选时将果 实一个个整齐地按放到传送托盘上，当其通过检测装鬟时，安装在上方的摄像机 摄下果实的形状，其黑白图像通过计算机处理可迅速算出长度、租度、弯曲程度 等。为了防止黄瓜表面极易损伤的瘤刺受损，传送托盘特意用软质树脂做成了具 有波纹的特殊形状。 此后不久，彩色c c d 型摄像机及其图像处理( r g 二色型) 装置开始用于番 茄、柑桔和柿子的分选。该装置可快速地判别果实的颜色、表皮的损伤以及果形 等。当果实随传送带通过检测装置时，由设置在两侧的两架摄像机分别进行拍 摄。颜色根据两面的全反射光和绿色反射光的强度比算出，损伤的判断是将图像 分割成6 4 x 1 2 8 = 8 1 9 2 个小单位，从每个单位韵反射光的强弱算出损伤的面积， 最精确可判断出o 2 - 0 3 1 大小的损伤面。果实的大小以最大直径代表。 r 6 b ( 红、绿、蓝) 三色型机则用于色彩更为复杂的苹果分选。从此直难以实现 的外观品质分级的自动化进入了实用阶段。 现阶段，上述多种新开发的外观品质( 形状、颜色) 分级和内部品质非破坏性 检测装置多数都价格昂贵：而且某些环节需要人工辅助，整体上作业人员不一定 能减少：适用的果蔬种类还很有限，内部品质综合指标的检测还未能达到。因 此，这些技术的实际应用只能说尚处于初级阶段。目前利用电特性进行水果品质 分选的设备尚未见报道。 1 4 本论文的研究目的及主要内容 结合浙江省自然科学基金及国际合作科技项目，本文研究水果品质电特性测 量的理论；探索水果电特性参数与其内部品质之间的关系；开发基于介电特性的 水果品质无损检测和原理性分选样机，为实现利用电特性进行水果品质自动分 选、农业机器人自动采摘奠定基础。在此目的基础上，本文所做的主要研究内容 如下： 1 研究目前国内外农业物料物理特性的研究现状，及水果无损检测技术的 研究发展趋势。明确本学位论文研究的重点。 浙江大学博士学位论文 2 研究水果生物介质在交变电场作用下的极化和损耗机制，研究复介电常 数、等效阻抗及等效电容几个相互联系又有所区别的电特性参数以及交变电场与 水果相互作用的基本参数。建立水果电特性铡试的等效电学模型。根据细胞水平 上的耗散，着重研究低频段水果电特性。 3 探索介电特性测量技术，研制电桥法电特性测试仪。深入讨论两个主要组 成部分一以微处理器为核心的电容和阻抗测量装置以及以微机为核心的电特性检 测和自动分选控制软件系统。 4 在l o o h z i o o k h z 频段下进行了实验研究，分析不同品种不同品质水果的 电特性参数的频率特征：研究水果新鲜度、成熟度、内部损伤与其电特性参数的 关系；提出了以相对介电常数和等效电容作为评价水果品质的电特性指标；针对 影响水果电特性参数测量的有关因索，进行了分析研究，为实现水果品质电特性 自动分选奠定基础。 5 研制基于电特性进行水果品质自动分选的原理性样机，讨论分选样机韵 结构组成，包括机械系统、气动系统、多工位旋转式转盘步进驱动系统、传感系 统、计算机控制系统的工作原理。研究计算机智能分选模式特征和分选策略，探 讨基于苹果样本的有导师的机器学习方法的实现以及分选阈值参数的在线寻优。 根据不同样本的分选阚值，在样机上开展分选试验，并进行结果分析。 第二章水果电特性分析理论 l 摘要l 水果品质的电特性无损检测需考虑到电磁场与水果的相互作用，需对水果的 电特性进行研究。现代物理学认为。所有非金属，甚至一定情况的金属，都属于电介 质”，水果也不例外，而且是一种十分复杂的电介质。为此，本章以现代物理学的基 本理论为依据，结合凝聚态物理学的若干进展，阐述电磁场与物质相互作用的基本理 论并探讨水果品质电特性测量的物理学基础。 2 1 引言 按导电性质的不同，物体可分为导体和非导体。非导体也称为电介质、绝缘体。 电介质可以是气态、液态或固态，分布极广。虽然电介质不必一定是绝缘体，但绝缘 体都是典型的电介质。导体可分为离子导体和电子导体，它们分别依靠离子定向运动 和自由电子运动而导电。电介质材料由于其电子受到原子核的强烈束缚，致使电子不 能自由移动，放电介质在一般情况下不导电。农业物料有相当一部分属于电介质，水 果也在其中之列。电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存贮 或记录电的作用和影响，其中起主要作用的是束缚电荷。