基于介電特性的果蔬無損檢測系統(tǒng)構(gòu)建_圖文

1、J 1SHANXI AGRIC 1UNIV 1(N at ural S cience Edition 學(xué)報(自然科學(xué)版2009,29(4002548收稿日期:2008212208修回日期:2009203206作者簡介:秦剛(19772,男(漢,山西朔州人,講師,主要從事信息檢測方面的研究?；痦椖?山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金項目(412560基于介電特性的果蔬無損檢測系統(tǒng)構(gòu)建秦剛,宋海燕(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,山西太谷030801摘要:隨著人民生活水平的不斷提高,對果蔬分級和內(nèi)部品質(zhì)的要求也越來越顯得重要。利用果蔬電特性檢測方法進行果蔬分級,既能滿足檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜,且系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號

2、采集和處理方便,又能保持果蔬內(nèi)部品質(zhì)不受影響。試驗采用介電特性法對果蔬品質(zhì)無損檢測測量原理,構(gòu)建了一種果蔬無損檢測系統(tǒng),并對不同新鮮度的蘋果在低頻段進行了試驗檢測。結(jié)果表明,在20Hz 200k Hz 測試頻率范圍內(nèi),隨著果蔬新鮮度的下降,其等效阻值趨于增大,且按一定規(guī)律變化,表明該系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)造是簡易可行的。關(guān)鍵詞:介電特性;果品;蔬菜;檢測系統(tǒng)中圖分類號:S275文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:167128151(20090420358203Study of Fruits and V egetables Non 2destructive Detection System B ased on Di

3、electric Properties QI N Gang ,SONG Hai 2yan(College of Engineeri ng and Technology ,S hanx i A g riculture Universit y ,T ai gu S hanx i 030801,China Abstract :With the improvement of the standard of living ,non 2destructive detection and classification of f ruits and veg 2etables are more importan

4、t.The equipment of non 2destructive detection system based on dielectric properties is very simple ,cheap and easy for data collection and analysis.The experiment principle of f ruits and vegetables non 2destruc 2tive detection based on dielectric properties was analyzed and an equipment system was

5、built in this study.The dielec 2tric properties of different f resh degree of apple in low frequency bands were measured.The test result showed that the equivalent resistance was increased with the decline of the fresh degree of apples and this system was viable.K ey w ords :Dielectric properties ;F

6、ruits ;Vegetables ;Non 2destructive detection system我國的果品蔬菜資源豐富,隨著國民經(jīng)濟和人民生活水平的不斷提高,人們在滿足果蔬數(shù)量需求的同時,對其質(zhì)量也提出了更高的要求,因此,對果蔬內(nèi)部品質(zhì)的檢測和分級變得越來越重要。近年來,許多新的果蔬內(nèi)部品質(zhì)檢測和分級方法相繼出現(xiàn),由于利用果蔬介電特性的檢測方法所用檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜,且系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號的采集和處理較容易1,2。研究采用果蔬的介電特性,利用現(xiàn)有設(shè)備構(gòu)建了一套結(jié)構(gòu)更簡單、操作更方便的果蔬內(nèi)部品質(zhì)檢測系統(tǒng)。1電特性測量原理果蔬生物體屬于電介質(zhì),可通過分析果蔬在電場中的電特性參數(shù)的變化,檢

7、測其內(nèi)部品質(zhì)。物質(zhì)電特性包括導(dǎo)電特性和介電特性,介電特性是指生物分子中的束縛電荷(只能在分子線度范圍內(nèi)運動的電荷對外加電場的響應(yīng)特性,介電常數(shù)是表征電介質(zhì)電性能的宏觀參數(shù)。果蔬生物體的生理結(jié)構(gòu)特征可由其電介質(zhì)特性參數(shù)來表征,而介電特性參數(shù)可通過測量系統(tǒng)測量得知。它的主要參數(shù)有相對介電常數(shù)r 、相對介質(zhì)損耗因數(shù)tan 、介質(zhì)損耗角正切值和介質(zhì)等效阻抗|Z |35。介電常數(shù)r 是電介質(zhì)固有的一種物理屬性,表示電介質(zhì)存儲電場能量的能力,反映該電介質(zhì)提高電容器電容量的能力;損耗因數(shù)r 反映電介質(zhì)在交流電場中損耗的能量;介質(zhì)損耗角正切tan是反映能量的損耗,介質(zhì)損耗角是交流電的總電流I (或總電壓U 與

8、電容電流I C (或電容電壓U C 之間的夾角。果蔬的介電特性可用復(fù)阻抗Z 或?qū)Ъ{Y 及復(fù)介電常數(shù)r 表示,這里Z 或Y 是果蔬的物理常數(shù),與果蔬的個體尺寸有關(guān);而r 是果蔬內(nèi)部物質(zhì)特性的反映,與果蔬的個體尺寸無關(guān)。在給定頻率下,果蔬可用理想電容和電阻組成的并聯(lián)或串聯(lián)電路來表示,若將被檢測果蔬置于平行電極之間作為電容器的內(nèi)部介質(zhì),就可建立交變電場中果蔬電特性的模型68。2果蔬無損檢測系統(tǒng)的構(gòu)建基于以上測量原理,搭建了利用接觸法來實 現(xiàn)果蔬電特性測量的測試系統(tǒng),如圖1所示。圖1檢測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 11Experiment equipment測量部分主要包括:信號發(fā)生器(型號為XDF 26型

9、,測試頻率為:20Hz 200k Hz ;交流毫伏表;放大電路(L M324,二級運放,經(jīng)初步計算,預(yù)計流過電容器的交變電流為微安級,故初步調(diào)整其放大倍數(shù)為10000倍左右和示波器 ,測試系統(tǒng)電路原理圖,如圖2所示。圖2檢測量系統(tǒng)電路原理圖Fig 12Experiment principle為減小外界空間波和試驗儀器自身對試驗結(jié)果的影響,試驗裝置在集成運算放大器的輸入端和每級的輸出端均增加一個低通濾波器,并將這些放大器與濾波器集成到一個電路板上,以增加試驗電路中的濾波效果,并采取了相應(yīng)的屏蔽措施9。自制平行板電容器,并將平行板電容器置于屏蔽箱內(nèi),屏蔽箱由300mm ×300mm &#

10、215;250mm 的白鐵皮制成,所用導(dǎo)線均選用屏蔽線(雙絞線電纜。電容的兩極板均選用圓形平板電極,半徑為500mm ,兩極板間距可調(diào),根據(jù)平行板電容器電容的計算公式即可求得其電容值的大小。3檢測系統(tǒng)的調(diào)試檢測系統(tǒng)應(yīng)在通風(fēng)良好、溫度和濕度穩(wěn)定的室內(nèi)進行。正弦波發(fā)生器輸出的驅(qū)動電流流過由標(biāo)準(zhǔn)電阻和被檢測果蔬,作為介質(zhì)的電容器構(gòu)成的串聯(lián)電路。在果蔬的等效阻抗兩端接入集成運算放大器,將其電壓進行放大測量。連接好電路(電容器兩極板間暫時不放蘋果,因平行板電容器兩極板間距離相對較大,在通電時可能會與外界空間形成開放式電路,故應(yīng)把平行板電容器用屏蔽箱屏蔽,可減少外界電磁波的干擾,屏蔽箱的外殼經(jīng)導(dǎo)線接地。示

11、波器的兩觸頭一端接在放大電路的輸出端,另一端接地。打開信號發(fā)生器,調(diào)整其輸出電壓為5伏,調(diào)節(jié)示波器,觀察輸出波形。然后,固定檢測裝置中信號發(fā)生器的電壓和頻率,把蘋果放入平行板電容器兩極板間,發(fā)現(xiàn)示波器上波形變化,調(diào)節(jié)信號發(fā)生器頻率,波形隨之變化,交流毫伏表讀數(shù)也隨之變化。表明可以通過該裝置反映果蔬的電特性。此外,由于該測量儀器不能經(jīng)接口連入計算機,測量所得試驗數(shù)據(jù)不能應(yīng)用計算機進行自動處理并顯示輸出,故在讀取試驗數(shù)據(jù)時應(yīng)保留到小數(shù)點后千分位,在數(shù)據(jù)處理時確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖3(a 是采用該測量裝置進行檢測時,果蔬電特性參數(shù)無損檢測系統(tǒng)的等效圖,圖中虛線框內(nèi)是以果蔬作為介質(zhì)的電容器的串聯(lián)等效

12、電路,電量的向量關(guān)系如圖3(b 所示。由圖可得到以下公式:I =U bR b=U c R 2c +X 2c(1tan=X C R C(2X C =12f C(3tan=R CX C=2f R C(4其中,I (A 為串聯(lián)電路電流的有效值,R C(和X C (分別為平行板電容器的等效電阻和電抗,U c (V 為電容器電壓,R b (為標(biāo)95329(4秦剛等:基于介電特性的果蔬無損檢測系統(tǒng)構(gòu)建準(zhǔn)電阻,U b (V 為標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓,f (Hz 為信號發(fā)生器的激勵頻率,介質(zhì)損耗角為電壓U c 與電容電壓之間的夾角 。圖3試驗電路原理等效圖和相量圖Fig 13Equivalent principle

13、figure and vector figure在圖3(b 向量圖中,由正弦定理可以求得角:cos (180°-=U 2c +U 2b +U 22U c U b(5試驗時只要測出U 、U c 和U b ,由式(1、(2、(3、(4經(jīng)過運算,可得到被測果蔬串聯(lián)等效電路的R C 和X C ,進而求得并聯(lián)等效電阻和并聯(lián)等效電容和復(fù)介電常數(shù)。4試驗結(jié)果采用所設(shè)計的檢測系統(tǒng),對不同新鮮度的紅富士蘋果進行了檢測,具體方法為:購買成熟度良好的紅富士蘋果(同一批次,清洗掉表面各種泥土、污垢及蟲卵后,將其放置于自然狀態(tài)下存放,存放期間環(huán)境溫度為1524,相對濕度為65%84%。每隔五天對蘋果的電特性進

14、行檢測。結(jié)果表明,在同一測試頻率下,隨著新鮮度的下降,其等效阻值也會發(fā)生變化(趨于增大與Nelson S O 等的研究結(jié)論一致10。由此可見,采用該測量裝置來檢測果蔬的電特性是可行的。5結(jié)束語試驗從理論上對采用電特性方法進行果蔬內(nèi)部品質(zhì)檢測的原理進行了研究,并在此基礎(chǔ)上,根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備構(gòu)建了一套果蔬內(nèi)部品質(zhì)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由平行板電容器,放大電路,濾波電路和測量儀表等組成。采用該系統(tǒng)對不同新鮮程度的蘋果進行了檢測,發(fā)現(xiàn)隨著新鮮程度的不同,通過計算得到的果蔬的等效阻值也會發(fā)生變化(趨于增大,表明采用該系統(tǒng)進行果蔬內(nèi)部品質(zhì)檢測是可行的。參考文獻1秦文,張惠,鄧伯勛,等.部分農(nóng)產(chǎn)品水分含量與其介電

15、常數(shù)關(guān)系模型的建立J .中國食品學(xué)報,2008,8(3:62267.2黃勇,坎雜,王麗紅,等.介電特性及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用J .現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2006,2:34235.3宋金亞,張立彬,計時鳴,等.利用介電特性的水果品質(zhì)無損檢測J .無損檢測,2003,25(8:4202421.4郭文川,朱新華,周闖鵬,等.西紅柿成熟度與電特性關(guān)系的無損檢測研究J .農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2002,23(6:4582459.5郭文川,郭康權(quán),王乃信.電激勵信號的頻率和電壓對果品電特性的影響J .農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2004,20(2:62264.6郭文川.果蔬介電特性研究綜述J .農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(5:284

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