（农产品加工及贮藏工程专业论文）基于介电特性的芒果无损检测技术研究.pdf

摘要 利用介电特性的无损检测技术和有损检测果品化学成分相结合的方法来检 测芒果的介电特性和芒果的化学成分，通过不同的数理统计软件对测量结果进行 典型相关分析和回归分析，得出芒果的介电特性和典型化学成分之间的相关关 系，并建立起这种关系的数学模型，从而可以通过无损检测芒果的介电特性其判 断其化学成分，从而判断芒果的内部品质、成熟度、新鲜程度和最佳食用时期。 介绍了芒果介电特性的无损检测系统的原理、方法和测量过程。在定义并检 测了有关芒果外形的尺寸参数后，通过智能l c r 测量仪和平板电极系统测试同 类芒果不同新鲜度和腐烂程度、不同外形参数等情况下的低频段介电特性，同时， 利用有损检测方法测量其相应的化学成分，在对数据结果加以分析后得出了一系 列结论，通过对介电特性检测结果的图表分析，发现芒果的内部品质和外形尺寸 与其介电特性之间均存在联系。从芒果的采后生理变化入手，分别采用定性和定 量的分析方法，发现芒果的衰老、腐烂对介电特性参数都有明显的影响。 在对利用介电特性检测芒果的化学成分的可行性做了探讨后指出：基于介电 特性的参数检测可以实现水果在线无损自动化品质评价和自动分级。最后，讨论 了基于介电特性的无损检测系统的应用前景，对未来研究作了展望，并提出了进 一步设计可适用于所有芒果的可调节的无损检测测量盒，并建立各种不同品种化 学成分与介电特性之间的数学模型，为实现基于介电特性的芒果在线无损自动化 品质评价和自动分级打下基础。 关键词：芒果无损检测介电特性有损检测化学成分数学模型 a b s t r a c t c h e c k i l 珞m a n g o sc h e 衄c a jc o m p o s i t i o nb a s e do nd e s 衄l c t 通gm e a s u r e m e n t a 1 1 d i t sd i e l i 昏c 臼沁p r o p e r t i e sb 嬲e do nn 0 i h l e s 讹c t i v e ，r e a c h e st h ea p p e a r a 】n c er e l 撕o n b 酣e 锄m 趾9 0 sd i e l e c t r i cp r o p e r t i 铝a n dr 印r e s e r i _ t ；a t i v ec h e r i l i c a lc o m p o s i t i o nb y 也ed i 伍劲呜n t 北m s t i c ss o 小a r ew h i c hc a r r i e so u tr e p r e s e n t a t i v er e l e v a r l c e 姐2 l l y s i s 觚dr e g 陀豁i o n 雒出y s i so nt 0m e a s 诚喀r e s u l t s b l l i i d m gu pt h i sr e l a t i o nm a ：m e m a ：t i c m o d e l ，c a nd i r e c t l ym e a l s u r ct h ec b e m i c a lc o m p o s i t i o nb yd e t e c t h l gd i e l e c t r i c p r o p e n i e so fn 瑚1 9 0a 1 1 dj u 电et h eq 嘶i i l s i d e ，m 咖d e g r e e ，舶s hd e g r e ea n d 血eb e s tp 耐o do f b e 吨u s “衙内o d ， t h ep r 硫i p l e so fn o n d e s t r u 【c t i v et e s 血g s y s t e i nb 船e do nm ed i e l e c t r i c p r o p 硎e so fm a i l 9 0 ，m e 舢e n tm e m o d s 锄dp r o c e s sw c i r e 面d u c e d t 1 1 r o u 曲 抢i i l t e u i g e n tm 鼬b ri n d u c t 粗c e c 印a c i t a n c e - r e s i s t a n c e ( l c r ) a n d f l a te l e c t r d d e s y s t e m ，t h el o w - 宜e q u e n c yd i e l e c t r i cp r o p e r t i e sw 邪t e s t e dt 0s i 】m 盯v a r i e 够m m g o w 1 1 i c hh a dd i i j c e r e n td e g r e eo fd e c a y 趾df - r e s l l ，v a r i o u sp a r 锄e t e r ss u c h 鲢s h a p e i n t h em e 锄w h i l e ，出ec 0 仃e s p o n d i l l gc h e 碰c a lc o i n p o s i t i o nw 弱t c s t e db y 陆n a g e d d e t e c t i o n 触e ra 芏1 越y s 血g 也er e s u l t so f d a t a ，as e to f c o n c l u s i o n sc a nb ed 商v 甜1 0 m 。 t h r o u g hd e f m i n gt i l ed c t e c t i o no f 也es h a p ea n d 也es i z ep a r a 皿t e r so fm em a n g o ， c l l i c k i n gt h ed i e l e c 仃i cp r o p e n i e s 龃dt ：h ec 1 枷c a lc o n l p o s i t i o n ，a n m y z i n gt h ec m i n o ft h et c s 血gr e s u l t s ，f o u n d 也a t 也e 而t e m a lq u a l i 锣赳l de x t e 瑚- a 】d h l l e n s i o r 垮l 幻k s w 池t 1 1 e i rd i e l e c 臼i cp r o p e n i 船f r o m 也ep o s t h a r v e s tp h y s i o l o g i c a lc h a n g e so f m a i l 9 0 ， r e s p e c t i v e l y ，l l s i r 培删i 谢v e 锄dq l l a 曲t a t i v e 船出y z i l l gm e 也o d s ，f o l l n d 她t h e m 锄g o sa g i l 坞，d e c a y i i l gh a v es i 蛐丘c a n ti l n p a c to n 廿l e 击e l e c t r i cp r o p e r t i e s a 盆e rs t u d 逾g 也ef e a s i b i l i 母o fu 主n gt h em a n g o sd i e i e c 伍cp r o t e r t i e s 协妣ti t s 吐【e l _ n i c a lc o m p o s i t i o ni i 曲c a t et l l a t ：b 觞e do n 也ed i e l e c 仃i cp r o p e n i e sp a r 鲫a e t e r so f m em l i tc 龃a c h i e v e de v a l u a t i i l g 也e q u a l i 够a i l dc l a s s i f i c 撕o nb y 0 1 1 l i l l e n o n d e s t f u 艇v e f 幻a l l y ，n l ea p p l i c 撕o no f 也en o n - d e s 咖c 6 v et e s f t h 培s y s t e i nb 弱e d0 n d i e l e c t r i cp r o p e r t i e sw 罂d i s c l l s s e 也也ep r o s p e c t so n 也em t u r ew 觞唧e c 剐锄d p r o p o s e dt 0d e s i 口ak m o f n l e a s u r e m e n tb o x e sw h i c hc 觚b ea d j u s t e d 觚da p p l i e dt 0 a l lv 耐啊o fm a i l 9 0 ，a n de 似b l i s h 1 em a m e m a ：t i c a lm o d e lb e t w e e no fv 撕o l l s 谢e t i e so fc h e 血c a l 峨d i e n t s 趾dm ed i e l e c 疵p r o p 而e s t h e s ec a nb el a ym c f 0 【血t i o nr rr e a l i z a t i o nt 0e v a | m 血gt h eq u a l i 锣锄dc l 嬲s i f i c a t i o na u t o m a 垃c a l l y o n l i i l en o n - d e s t r u c t i v eb 2 u s e do nt h ed j e l e c 仃i cp r o p 硎e so f m a n g o k e yw o r d s ：如a n g o n o n d e s t r u c t i v ed e t e r 口】i n a t i o nd i e l e 商c p r o p e r t i e s c h e 皿c a lc o m p o s i t i o nd e s 仃u c t i v ed e t e r m in a tio nm a t h e m 撕cm o d e l 海南大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明 本声明的法律结果由本人承担。 论文作者躲羼导兰 日期：知g 年石月日 学位论文版权使用授权说明 本人完全了解海南大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权海南大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。本人在导师指导下完成的论文成果，知识产权归属海 南大学。 保密论文在解密后遵守此规定。 论文作者签名；力争导兰 导师签 日期：知谚年6 月户日日期：以年多月，? 日 ：j 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程一，同意将本人的学位论 文提交。c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中规定享受相关 权益。屋重趁塞逞銮唇澄后：旦坐生i 旦= 生l 旦三生筮查。 论支作者签名：房争喜三 日期：汐召年多月痧日 导师签名 日期：弘谤年多月麒日 1 1 引言 1 前言 农产品加工工业是国民经济的基础和技术产业，经过几十年的发展，已从传统的作 坊式加工，向着现代化、自动化、智能化方向发展。由于农产品在生产过程中受到如种 子、气候、土壤、营养、病虫害等因素的影响，使得不管是在外观形状、表面色泽、还 是内在营养成分的分布、物理缺陷以及病虫害造成的伤害等方面均产生了各种差异，给 产品的价值的定位带来不利的影响，同时给后期的继续加工造成困难，因此需要及时对 农产品的品质进行检测。为了实现数字、实时在线检测就必须有快速无损检测技术作为 保证。因而，农产品的无损伤检测技术受到越来越多的关注，无损检测所获得的各项数 据，也为食品的流通和商业化提供国际公认和认可的指标标准。 无损检测( n o n d e s t r u c t i v ed e t e r m i n a t i o n ，n d t ) 即非破坏性检测，是一门以不破 坏被检对象的性质和使用效果为前提，运用各种物理学方法( 声、光、电、图像视觉技 术等) 从外部给待测物一个激励能量，待测物受激励能量影响时，从输入和输出的关系 可获得待测物的物理化学特性，对材料进行有效的检验和测试，借以评价材料的完整性 或其他特性的综合性应用技术n 训。这种检测方法主要是基于被检物料的物理性质如密 度、硬度、形态、颜色等参数，来判断成熟度、糖含量、糖酸比、水分、内部病变、农 药残留、转基因等有关农产品品质的情况。在获取样品信息的同时保证了样品的完整性， 检测速度较传统的化学方法迅速，且能有效地判断出从外观无法得出的样品内部品质信 息曙1 。这种优势随着微电子技术和计算机技术的迅速发展及其在电子测量技术领域的应 用而日益突出嘲。无损检测技术按原理、探测及信息处理方法共有7 0 余种，介电特性法 因其高效、可靠及简便的特点，可以实现高质量的农产品内部品质综合指标的检测及分 级技术，提升农业自动化的进程，在农产品的成熟度监控、分级包装、贮藏保鲜中的应 用前景十分广泛。 农产品的无损检测是借鉴了工业生产在线检测中的技术，在农产品行业中用于检测 农产品品质。传统的化学检测方法在某些方面有其弊端，一是损坏了所检农产品本身： 二是抽检不能对整体做全面准确的评价，而在食品加工，特别是果蔬分选过程中，要保 证产品品质，决不能存在隐患。农产品的品质有三个方面的内容：一是反映物体基本物 理性质的品质，主要有物体的质量、密度、弹性、硬度和黏度等内容；二是反映物体外 表特征的外表品质，有表面颜色、表面光泽、表面平整度、物体的外表形状以及尺寸大 小等内容：三是反映物体内部特征的内部品质，主要有安全性、成熟度、新鲜度、营养 成分的组成、味觉、口感、病虫害的检测等内容。在三种类型的品质中，内部品质的各 项指标与人体健康息息相关，要实现快速无损检测的技术和方法都有待人们不断研究与 开发。 1 2国内外农产品介电特性检测技术的研究进展 农产品的介电特性是指农产品生物分子中的束缚电荷( 在分子线度范围内运动的电 荷) 对外加电场的响应特性，其生理变化伴随着电介质特征参数变化，而这一变化可通 过对宏观介电特性参数的检测感知。介电特性参数的检测结果基本可以正确反映农产品 的品质情况咖。目前国内外对农产品介电特性的研究越来越重视，原因在于农业物料的 介电特性在农产品质量检测领域有广泛的用途，如可迅速简便地确定农产品的含水率和 吸湿性，检测其品质，确定其成熟度等n 帕。 利用农产品的介电特性进行快速检测其品质的研究已经历了较长时间的发展，早在 2 0 世纪6 0 年代n 1 2 1 就在农作物的形状和种类及生长过程的检测中得到应用。发展至今 已扩展到水果、蔬菜的成熟度、损伤的快速检测，谷物、大豆、种子的水分检测，饮料、 啤酒、乳制品的细菌检测和保存期、安全期的控制等方面。 1 2 1 介电特性在水果品质检测中的研究进展 ” 水果作为生物体由生物组织构成，从微观上看，其内部存在大量带电粒子形成生物 电场。水果在生长、成熟、受损及腐败变质过程中的生物化学反应将伴随着物质和能量 的转换，并导致生物组织内各类化学物质所带电荷量及电荷空间分布的变化，生物电场 的分布和强度亦随之改变。这种微观特性实质上决定着水果的生理、物理和化学特征， 但这种微观场用现有电生物技术无法测量。因此，从可观测角度考虑，只能研究一定体 积内微观场的空间平均值，即转而研究水果的宏观电特性。 1 2 1 1 水果新鲜度与介电特性之间的关系 水果的细胞是由电阻比较大的薄细胞膜及具有离子导电性的小电阻的细胞液构成 的。在正常情况下，新鲜水果的细胞膜为液晶相，流动性大。随着水果新鲜度的降低， 正常膜由液晶相向凝胶相转化，使膜变得刚硬，流动性降低，黏滞性增加其通透能力下 降，细胞功能受影响，因而细胞膜的电阻增大，电容减小。其介电特性表现在水果的等 效阻抗增大，相对介电常数及损耗因素减小。 加藤宏朗n 耵在1 0 h z 一1 3 删z 的频率范围内，对损坏的水果和正常的水果的介电特性 进行了对比测试，结果显示，损坏水果的串、并联电阻及阻抗低于正常水果，而串联等 效电容及损耗因数则比正常的水果大。 张立彬等n t 埔1 采用平板电极，用破坏性方法研究了金帅苹果切片组织的介电特性与 2 新鲜度的关系；在1 0 0 h z 一1 0 0l h z 的测试频段内，苹果的储藏时间越长，其果肉组织的 阻抗值越大，相对介电常数和介质损耗因数越小。其中在1 0 一1 0 0 k h z 的频率范围内，苹 果的介电特性与新鲜度具有明显的相关性。他们又用智能l c r 测试仪、圆形平板电极系 统和p c 计算机及自主开发的水果介电特性无损检测软件，用非接触式无损检测方法在 线测定了不同内部品质的苹果的介电特性的差异。 1 2 1 2 利用水果的介电特性进行水果的分级 胥芳等n 町分析了水果品质的介电特性检测原理及方法，研究了基于介电特性的水 果品质自动检测分级机的组成和控制，探讨了最佳分级阈值的方法。并以苹果为试验对 象进行了研究，结果表明，选择等效电容作为苹果等级分类变量，可获得良好的分级效 果。胡海根等n 钉做了基于电场理论水果介电特性无损检测机理的研究，首次将有限元应 用于分析电偶极子的电场分布，并对其进行模拟仿真。分析了交变电场对其介电特性参 数的影响，深入探索了苹果介电特性参数与其内部品质之间的关系，为自动化分选和便 携式水果无损检测仪的开发奠定了实践和理论基础。 郭文川等n l 棚对苹果、梨和猕猴桃介电参数的电压特性进行了测定。结果表明，信 号频率一定时，果品介电参数值随信号电压而变，且存在电压临界值。当信号电压小于 该临界值时，电容和损耗角正切值保持不变，当信号电压大于临界值时，电容值随电压 的增加呈反比减小，损耗角正切值随电压的增加呈正比增大。根据电压临界值的不同， 提出了基于介电特性的果品种类识别方法。郭红利啪1 于2 0 0 4 年自行设计了一种测试系 统，研究了测试条件、电激励信号、果品种类和破损等对猕猴桃介电特性参数的影响。 初步探究了猕猴桃在生长后期以及采后储藏阶段的介电特性。基于试验结果，最后应用 神经网络知识建立了猕猴桃种类的识别器，对猕猴桃的识别率为9 0 。 1 2 1 3 利用水果的介电特性进行水果贮藏与干燥的控制 m a r t i n 等乜1 1 研究了苹在真空中注入不同湿度的介电特性，在2 4 5 g h z 和2 5 的条 件下，使用末端开式的探针和与计算机相联的网络分析软件来评价湿度、水分活度、多 孔电容和介质损耗因素的影响，结果表明水分活度在o 9 附近时电介质的损耗机理显著 增加。 l o sr e y e s 等矧通过实验测量出新鲜和渗透脱水过的樱桃西红柿在不同水溶液中 的介电常数，并研究了其与产品成分的相关性。该水果在蔗糖溶液中的渗透脱水达到最 低的损耗因素，但有最大的渗透深度。在二元盐溶液中表现相反的趋势，在三元溶液中 表现出中间性状。在2 4 5 g h z 下乳酸钙对复合介电常数无很大影响，但在低频状态下对 损耗因素的影响增加。通过控制渗透脱水的工艺参数( 时间、温度、压力、渗透溶液的 成分) 变化可调节水果和蔬菜的介电特性，以促进使用微波法进一步干燥。 1 2 2 介电特性在谷物、大豆和种子检测中的进展 由于水比农产品物料的相对介电常数大几十倍，因此可以根据物料介电常数的不同 来测定农产品物料的含水率，介电常数愈大，物料的含水率愈高。 水的介电损耗因数比干物质的大至少几十倍，所以将含水的农产品放在高频或超高 频电场中时，大部分能量将被水分子吸收，水分很快蒸发，而材料本身因吸收能量少， 温度比较低。农产品中含水分越多，吸收的能量越多，水分蒸发越快。随着材料的逐渐 干燥，介质耗散逐渐减少。利用介电损耗原理，可对农产品进行干燥。利用谷物的介电 特性，已研制出了电阻型和电容型谷物水分快速测定仪，可进行其品质的快速检测，还 可进行谷物干燥过程的温度、湿度控制和谷物的分选。电力分选机是利用谷物的介电特 性差异而引起的极化带电量的不同达到分选的目的。 1 2 2 1 含水率的测定 鲍一丹等眦对大豆含水率进行快速无损测量，提出了利用大豆介电特性进行含水率 测量的原理及装置。由大豆介质套筒式电容器、信号发生器、信号测量仪组成了检测装 置，研究不同测试频率时大豆的介电特性( 等效电容、损耗角正切、等效电阻) 与含水率 的关系。研究表明：合适的测试频率为1 k h z ：经单纯形法拟合，等效电容与含水率呈幂函 数关系。 郝晓莉啮1 对水稻、玉米和大豆等3 种物料的含水率进行了标定试验，利用含水率与电 压比的关系进行回归分析，得到了一种回归方程，利用方程可以轻松计算出含水率。 1 2 2 2 利用介电特性进行谷物与种子的分选 姜学东等啪1 通过对小麦种子进行二次回归正交试验，得到了以分选电压和分选滚筒 转速为变量的回归方程，并确定了最优化的介电分选参数组合。k a m i l 等3 在2 0 0 6 年的 研究中指出红花种子湿度是影响其介电特性的最重要的因素，红花种子的介电常数随着 湿度和溶积密度的增加、射频范围的减小而减小，并建立起描述这种关系的多项式方程。 米双山等汹瑚1 于2 0 0 3 年通过对种子介电特性的研究，分析了影响种子介电特性的因素以 及种子介电常数与种子活力之间的关系。测试结果表明，活力高的种子的介电常数较 小，活力低的介电常数较大。通过对分选电极材料和型式的研究，研制了以铝作为芯材 并具有双绝缘层的电极。得出了“无论是分选大粒种子还是分选小粒种子，都以小直径 的电极绝缘线缠绕的滚筒为佳 的结论，为分选电极的设计与选用提供了理论依据。 1 2 3 介电特性在蔬菜等农产品检测中的进展 蔬菜的介电特性检测方法与水果介电特性的检测方法相同。s h a r i n a 等啪1 研究了大 蒜在2 4 5 0 姗z 时介电特性与温度和湿度的函数关系。秦文等口1 艘对胡萝卜组织贮藏过 4 程中介电特性的特征值之一电容与新鲜度的关系进行了研究，结果表明：随着胡萝h 的 贮藏时间的延长，果肉组织表现为硬度增加、光泽消退、表皮皱缩、新鲜度下降；在 0 1 k h z 1 0 0 k h z 测试频率段内，胡萝h 的电容与新鲜度的判定指标色泽、硬度、水分含 量之间具有明显的线性相关性。n i 鳓t u l l i n 等锄1 基于新理论方法和自兼容循环程序来 计算与频率相关的介电常数极限值，就有可能在1 0 z 1 _ 8 x 1 矿h z 的频率范围内对代 表果蔬组织的复杂系统测得的相关介电常数函数f ( j “) 进行识别与拟合。这种识别拟 合函数是一组与果蔬( 苹果、鳄梨、香蕉、香瓜、胡萝h 、黄瓜、葡萄、柑桔和西红柿) 的普遍函数，包含7 个拟合参数，这些参数对不同的果蔬是可变的，且随温度的不同而 不同，但表现出共同的特征。拟合函数包含幂指函数和确定存在弛豫过程描述一些生物 学系统的动力学平衡方程，通过对这个系统的测试构建与质量因素有关的标准曲线，如： 温度和成熟度。这种对复杂材料如植物嚣官的介电行为的“普遍性”发现，提供了使用 介电光谱法作为无损检铡方法去分析其它复杂材料介电行为的控制的可能性。 从以上的综述中可以看出，介电特性法无损检测技术在热带农产品( 如菠萝、芒果 等果蔬) 中的研究应用较少。用于测试芒果、梨等的介电特性无损检铡系统是否适合检 测热带水果，热带水果介电特性与品质的关系如何建立，如何用介电特性的检损4 方法检 铡果品贮藏的品质、如何进行产品的分级、如何将这一方珐与其它无损检测方法结合起 来达到更加科学、快速准确的检测等问题都有待人们深入研究。本研究试图设计基于介 电特性的芒果无损检测系统，利用无损检测方法测定芒果的介电特性，同时利用破坏性 检测方法测定芒果的内部化学品质( 水分、糖度、酸度和维生素c 含量) ，并建立起介 电特性与内部品质之间的数学 模型为芒果成熟度的确定、采 后清选分级和贮藏保鲜的介电 特性无损检测做前期研究。 1 3 项目研究的背景及 经济和社会意义 1 3 1 芒果简介 芒果属热带亚热带水果，以 其形、色、香、味俱佳而享有“热 带水果之王”的美誉。全世界芒 果年总产量居世界水果总产量 前列。芒果学名：m 缸g i f e m 图1 芒果外形h t c p 朋i k e b 缸d 仉蛐州c w ，s 1 7 4 妇 f i g i m a o g o 叩p e a m c c 砒i c a ，英文：m 匝g o ，为著名热带水果之二，又名檬果、漭果、闷果、蜜望、望果、庵 波罗果等，因其果肉细腻，风味独特，深受人们喜爱，所以素有“热带果王”之誉称。 果实的大小、形状、色泽、纤维多少、核大小等，是区别芒果品种的主要依据，但 芒果的品种、品系很多，现在全世界约有1 0 0 0 多个芒果品种，且一直都没有一个完整 的品种分类系统由于品种不同，芒果最大的重达几公斤，最小的只有李子那么大：形 状各有不同，圆的、椭圆的、心形的、肾形的、细长的、丰厚的等都有；果皮颜色有青、 绿、黄、红等色；果肉有黄、绿、橙色等色，如图1 ；味道有酸、甜、淡甜、酸甜等。 芒果的采收要适时，直观判断果实成熟与否的方法i 列： ( 1 ) 当果实已达原品种大小，两肩浑圆，果实颜色变暗，果实已基本成熟。 ( 2 ) 一颗树已有自然成熟落果时，即可采收。 ( 3 ) 切开果实，种壳变硬，果肉浅黄色，经7 1 0 天后熟果皮不皱缩，便可采收。 ( 4 ) 果实放在水中出现半下沉或下沉，即已成熟。 芒果分布很广，世界有7 0 多个国家生产芒果，9 0 集中在亚洲的印度、巴基斯坦、 孟加拉、缅甸、马亚西亚等国，非洲的东部和西部，坦桑尼亚、扎伊尔，美洲的巴西、 墨西哥，美国的佛罗里达州和夏威夷州等均有栽培。 我国的台湾、广东、广西、海南和福建南部，云南南部、东南部和西南部有芒果种 植。除台湾省外约有1 0 0 个县( 市) 有芒果分布和生产。广东以湛江、吴川、高州、信宜 为主产；广西以南宁、龙州至百色一带以及邕宁、博白和平南等主产；海南以儋州、昌 江、白沙、东方、乐东、三亚、陵水等县( 市) 为主产；云南主要分布在文山、红河、玉 溪、丽江、昭通、思茅和西双版纳等地( 市、州) ，以景谷、景东、新平、永德、双江、 河口和景洪等县( 市) 为主产。 芒果除鲜食外，还可加工成果酱、果汁、果粉、蜜饯及各种腌制品。 我国芒果面积l o o 万亩左右，产量6 0 万? o 万吨。台湾芒果面积3 0 万亩左右，产 量2 1 万吨左右。芒果既可鲜食又可加工成各种制品，深受消费者喜爱。只要选择市场 需求的优良品种种植，加强采后的保鲜和商品化处理，同时发展加工业，芒果市场前景 看好。芒果色、香、味俱佳，有果王之称。果实营养丰富，糖含量高达1 2 2 0 ， 含蛋白质5 5 6 ，脂肪1 6 1 ，碳水化合物6 7 2 9 ，还含有丰富的维生素a 、维生素 b 、维生素c ，且以维生素a 含量最高。此外还含有少量的钙、磷、铁及其他矿物质。 芒果主要病害有：芒果炭疽病、白粉病、细菌黑斑病、芒果流胶病、芒果蒂腐病。 虫害有：芒果扁喙叶蝉、芒果横线尾夜蛾、芒果叶瘿蚊、芒果螟蛾类、芒果象甲类、脊 胸天牛和相思拟木囊蛾等。 1 3 2 芒果的检测、分级技术概况 6 我国芒果产地主要集中于热带亚热带地区。大量芒果必须外运，才能提高其商品率 并获得最佳的经济效益。但芒果却不易储藏，容易腐烂，因此芒果的采后处理、测试、 分级和包装等保鲜手段显得尤其重要。 澳大利亚和法国均生产过芒果保鲜成套设备，主要由清洗机、输送带、热水池、烘 干机、打蜡机、抛光机、分级机等组成口射。1 9 9 5 年，我国引进澳大利亚芒果采后处理 生产线，几年来未投入正常生产，主要问题在于：设备造价高：保鲜成本高； 保鲜工艺不成熟：系统不匹配：对品种的适应性差。芒果保鲜是一个复杂的系统工 程，包括品种选择：种植地选择：栽培技术：适时采收：采后处理：品质检测；分级包 装：贮藏运输等环节。只有把握好各个环节，才有可能达到芒果保鲜的目的向消费 者提供质量尽可能高的芒果。然而，无论是国外的成套设备还是国内的芒果保鲜技术研 究对芒果品质的无损检测研究极少，还未有成熟的技术。 水果分选是水果进入流通的一个重要环节，直接关系到水果的包装、运输、贮藏和 销售。在商品经济高度发达的今天，异地销售、大宗农产品交易和农产品国际贸易等均 离不开标准化，而水果分选就是实现水果商品标准化最为基础的一步。目前我国各水果 产地水果等级仍以手工分选为主，不但速度慢、劳动强度大，而且分选质量易受人为因 素影响。从技术角度上看，人工分选时对水果的等级判定是根据个人的经验，瞬间判断 的结果，并且从外观上，有时无法正确判断水果内部品质的好坏，其结果因人而异，同 时还受人的情绪和疲劳程度的影响。 1 3 3 本论文研究的内容及目标 本项目研究芒果介电特性的无损检测系统的原理、方法和测量过程。通过智能l c r 测量仪和平板电极系统在不同的介电特性参数下测试同类芒果不同成熟度、新鲜度、腐 烂程度等情况下的介电特性。研究获取不同内部品质芒果的介电特性参数的关键数据， 再以合适的电参数测试同类芒果不同成熟度、新鲜度、腐烂程度等情况下的介电特性， 分析芒果的内部品质与其介电特性之间的关系，并建立数学模型。从芒果的采后生理变 化入手，分别采用定性和定量的分析方法，研究芒果的衰老、腐烂对介电特性参数的影 响。通过本研究可利用芒果的介电特性实现水果在线无损自动化品质评价和自动分选做 科学的探索，设计一种基于介电特性的芒果内部品质自动化无损检测分选系统，为芒果 的采后处理、分选包装和贮藏保鲜、开发便携式快速无损检测设备提供基于介电特性的 无损检测科学依据，该技术将具有广阔的应用前景。 7 2 基于介电特性的芒果无损检测系统与检测方法 2 1 介电特性参数 2 1 1 介电常数 把电介质置于外电场e o 中电介质将会发生叫极化现象，可用极化强度矢量p 来描述， 极化规律为 p = x o e 式中】【为极化率，由电介质的性质所决定；e 为介质内的总电场强度。对于均匀电介 质，在介质表面将出现极化电荷，极化电荷在介质内表面将产生一个由极化电荷面密度 分布所决定的退极化电场e ，该电场一般与外电场反向，因而介质内的总电场强度e = e d + e7 将减弱，而总电场e 又决定着极化强度，使电容量增大。电介质都具有固定的介电 常数。 介电常数是综合反映介质极化行为的一个主要的宏观物理量。而介质损耗可反映材 料内部缺陷等特性。介电常数是与电介质有关的物理量，具体分为相对介电常数和绝对 介电常数两种。介质的介电常数常表示为e = e 。e 其中，为物质的相对介电常数，8 。为物质的真空介电 常数。 2 1 2 介电损耗 农产品成分基本属于电介质，电介质在电场作用 下发热而消耗的能量，称为介电损耗。在交变电场中， 交变频率愈高，介质放出热量也增多。此外，介质耗 图2 介电特性等效电路 f i g 2d i e l e c t r i cp r o p e r t i e s e q u i v a l e n tc 鼬 散还和介质的介电性质有关。在电场中介质引起的耗散可用单位时间、单位体积介质放 出的热能表示 q = 昙归2 s t a i l 艿1 0 1 2 ( 2 1 ) y 式中q 一电场消耗的功率( 单位时间、单位体积介质放出的热能) ，c m 3 ；f l 电场频率， h z ；e - 电场强度，v m ；物质的介电常数，f m ；t a n6 介电损耗角的正切。 t a n6 称为介电损耗，是反映材料介电性质的参数，它与电场频率以及材料结构 有关。 8 2 2 介电特性等效电路 当给农业物料旌加交变电场， 根据电路原理可得 r 。= 竺鲨丝二兰垡竺生 k c o s ( p + 口) 将物料置于平行极板间，其等效电路图如图2 所示 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中口：眦血下垒竺一k 2 + 嘭一2 k c o s 秒 式中，r i 、c 。分别为被测量物料的电阻、电容；r 为标准参考电阻；v 。、v ：分别为输 入、输出电压；f 为v 。的电压频率；o 为v 。、v 2 之间的向量夹角；q 为v 。和v 。+ v 。之间的向 量夹角。根据以上的测量结果，物料的介电特性参数可用下面的公式计算，即 t 弛万：j 一 魂s 乒p 式中，p 为电阻率；e 为介电常数； 厚度和断面面积；e 。为空气介电常数。 2 3 介电参数测量方法 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 6 为介电损耗角；l 、s 分别为被测物料样品的 测量介电常数有多种方法。如何选择测量方法，取 决于下列因素：频率范围；材料性能( e 与t a n6 的 大小) ；材料样品的加工尺寸等。目前能够进行测量 的各种条件的范围：频率可自直流到光频；温度自接近 o k 到1 9 2 3 k ；的值可自1 1 0 0 0 0 ：t a n6 可由0 0 0 0 0 l l ( 由电阻率测量可以更高) 。 图3 谐振法检测介电常数 f 培3h a n n o n i cd e t e c t i o n d i e l e c t r i cc o n s t 锄t 由直流到高频( 微波) 的测量介电常数的几种实验方法如下： 9 c g s l = 墨 q 一岛 i | = ( 1 ) 直流介电常数的测量分别测量一个平行平板电容器在有介质时和无介质时 通过一个标准电阻放电的时间常数，从而求出介电常数。 ( 2 ) 电桥法测量低频介电常数电桥法是测量和t a n6 使用最广泛的方法之一。 有各种不同的电桥，频率覆盖由0 0 l h z 1 5 0 姗z 。可分为超低频电桥( 0 0 l h z 2 0 0 h z ) 、 音频电桥( 2 0 h z 3 姗z ) 和双t 电桥( 1 姗z 以上) 等。 ( 3 ) 谐振电路法测量介电常数谐振法检测介电常数的方法是通过可调频率的振 荡器激励r l c 谐振电路加以实现的，如图3 。当回路上加上电压u 时，调节c 使电路达到谐 振( 在某个频率下电流最大) i 。_ u r ，记录下此时的q 。、c 。；接入被测物料平板电容， 调整电路达到谐振，同时记录此时的q 2 、c 2 、e ，然后根据下面的公式计算出相对介电 常数和损耗角的正切值。 tc t d 耻舂 ( 2 7 ) 蚀万：冬( 土一上) ( 2 8 ) c l c 2 、qq 7 式中q 。、q 一电容器的电量，c ：c 。、c 加物料前、后的电容值，f ；c 一电容器的 电容值，g = 分c 。，f ；江电容器的平板面积，m 2 ；a 平板电极间的距离，m 。 此方法简单易行，但较难准确地检测出各种谐振频率下的介电常数。 ( 4 ) 传输线法( 测量线法) 在超高频范围( 1 0 0 1 0 0 0 删z ) 以上时，要使用分布 电路，多采用传输线( 同轴线) ( 1 0 0 6 0 0 删z ) 和波导，还可用带状线( 微带) 等。 ( 5 ) 微波测量微波频段的介电常数测量可使用波导( 超过1 0 0 姗z ) 或谐振腔技 术。如果有足够尺寸的材料，可使用波导法；如果材料的尺寸很小，可使用谐振腔法。 2 4 水果的介电特性及其等效模型 2 。4 。1 水果内部品质与宏观电特性的关系 对水果而言，水果属于电介质，电介质中的电子受原子核强烈束缚，不能自由移动， 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。 水果一般由果皮、果肉、果核组成，果肉占水果的绝大部分。水果果实的主要化学 成分是可溶性糖、有机酸、淀粉、纤维素、果胶、维生素和酶，并且在成熟时果肉中含 有大量水分。水果的组织和细胞采后仍保持旺盛的代谢过程，如呼吸作用、有机物转化 等。果实的生命活动中提供能量及多种中间代谢产物，参与体内物质的相互转化过程， 并参与调节控制体内酶的作用和抵抗病原微生物的侵害，另一方面，又不断地在体内氧 l o 化分解有机物，使果实衰老变质 在果实的生命活动中，其内部水分含量及其空间分布变化很大，在受到损伤或处于 病态时，尤其如 此。实际上，果实 中的水分可以分 为自由水( 即游离 水) 和束缚水( 胶 体结合水) b 钉，其 中前者占较大比 例，易于蒸发，储 藏过程中损失的 主要是自由水。束 缚水一般与果实 物理方面： ( 1 ) 硬度 ( 2 ) 内部损伤 = = = 目目_ 化学方面； ( 1 ) 水分 ( 2 ) 糖度 ( 3 ) 酸度 水果的宏观电特性： 萎詈羲多 吕；复导纳j ( 缈) 复介电常数香( 国) 图4 水果品质与宏观电特性的关系 f i g 4 也er e l a t i o n s 脚b e t w e c n f r u i t 删毋趾d 也e 删s c o p i c e l e c t r i c a lp r o p e r t i e s 细胞中的胶体微粒结合，并包围在胶体微粒四周，形成水膜，不易蒸发损失。果实的水 分变化可以通过介电特性明显反映。 从微观上看，水果分子内部存在电场，且在分子线度范围内改变位置，场强的变化 非常剧烈，这种微观特性实质上决定着水果的生理、物理和化学特征，但这种微观场用 现有电生理技术无法测量。因此，从可观测角度考虑i 只能研究一定体积内微观场的空 间平均值，即转而研究水果的宏观介电特性，如图4 所示。 。 2 4 2 介质损耗的等效模型 与一般电介质类似，水果电 介质的宏观介电特性可用复阻 抗z 或导纳y 及复介电常数f ，表 示。这里z 或y 是水果的物理常 数，与水果的个体尺寸有关，f ， 是水果内部物质特性的反映，与 水果的个体尺寸无关。 任何给定频率下，电介质可 用理想电容和电阻组成的并联 l c c p 蠡 un ( a ) 并联 ” ( b ) 串联 图5 介质损耗等效模型及向量 f i g 5d i e l e c t r i cl o s se q u i v a l e 呲m o d e l 锄dv e 咖r 电路或串联电路来表示侧，如图5 所示。 由电路可得复阻抗z 和复导纳y ： z = 芋= 愿+ i b ( 2 9 ) 一 y = 专= 孚= 古+ 问q 由两向量图可得： t 9 6 = 国c s r s = 赤； 式中，一角频率， 仁串联等效电容( 法) ， 石卜串联等效电阻( 欧) ， 萨并联等效电容( 法) ， 廊一并联等效电阻( 欧) 。 串联等效阻抗：乙= 咫+ 击 ( 2 一1 0 ) ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 一1 3 ) 并联等效阻抗：z = 百知 ( 2 1 4 ) 由于两种等效阻抗的模相等，并且： 国g 匙= 去 ( 2 - 1 5 ) 得到两种模型的转换公式： c ，= 南 ( 2 _ 1 6 ) 砟= 南 ( 2 - 1 7 ) 采用任一种等效电路，利用等效参数岛，c ，或r 。，c 。均可计算损耗角正切t 9 6 。因为并 联等效电路与电介质的实际情况相符，故利用并联等效电容c ，计算相对介电常数： = 丢 ( 2 1 8 ) 其中，c 。广被测定电介质的几何电容，即形状、尺寸与被测物相同，介质为真空时的极 板电容。 由0 及t g6 ，根据= 7t g6 ，可计算损耗因数。 2 4 3 交变电场频率对水果介电特性的影响 性。 1 2 从以上的各个式子，可以发现介电特性的有关参数与交变电场的频率有密切的相关 水果的细胞是由电阻比较大的薄的细胞膜及具有离子导电性的小电阻的细胞液构 成，因此水果是不均匀电介质。 置于电场中的水果介质沿电场方问将产生偶极矩，称为极化。极化时，有极分子( 如 水分子等) 由杂乱的排列变为定向排列，形成定向极化，产生束缚电荷，无极分子则在 电介质表面产生正、负感应电荷。电介质极化会产生反相电场而减少电场中两电荷间的 作用力，并使充满电介质的电容器极板间的电位差减少，电容量增大。电偶极子中，水 分子h 力的电矩为6 1xl o 一，比许多其它如盐酸分子h c l 都要高蚓。 若外加电场为交变电场，果实内的带电粒子将做强迫振动，形成交变传导电流，介 质极化则随时间往复变化，形成极化电流。 交变电场的频率较低时，电子和离子极化不存在弛豫滞后，取向极化也由于各种极 性分子的弛豫时间远小于电场变化的1 4 周期可忽略弛豫滞后，因而在低频情况下，极 化不产生电磁能量转化。但传导电流通过电子、离子的运动和碰撞，将使电磁能转化为 热能。当频率提高到一定值，除导电产生的能量转化以外，还由于极性分子的取向极化 开始跟不上外加场的快速变化而出现滞留现象，加上生物分子间很强的相互作用，因而 极化过程也要产生电磁能向热能的转化。随着频率的提高，后者的能量转换可能大大超 过前者。这正是通常在微波频率下的介电加热现象。 均匀电介质的极化有电子极化、原子极化和偶极子转向极化。对水果而言，还存在 着空间电荷极化。 前两种极化都由带电质点在外电场作用下产生位移而形成的，形成时间相当短，并 且在高低频率下均能形成。偶极子转向极化是由于有的偶极子在外电场作用下发生转向 而形成的，这种极化的形成所需要的时间较长。 水果等农业物料还存在一定数量的钾离子、钠离子等自由带电离子，这些带电离子 在外电场作用下会沿电场方向迁移，在它们的迁移过程中，可能会遇到各种障碍( 细胞 膜、电极) 而停留在某一空间内，例如停留在细胞膜和细胞内液，外液的界面或电极附 近而不能及时放电或复合，那么这些停留在某一空间的电荷在介质中就形成空间电荷极 化，这种极化和电偶极子转向极化一样，需经较长时间才能形成。