庫爾勒香梨電學(xué)參數(shù)檢測基礎(chǔ)研究

師廣強(qiáng) 王曉妍 趙勁飛 劉 揚 田勇浩 張存雍 吳建幫 張 宏

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾市843300）

庫爾勒香梨地處南疆，產(chǎn)于塔克拉瑪干沙漠邊緣，此地光照充足，沙質(zhì)土壤中富含微量元素，使得香梨皮薄肉脆，甘甜爽口，香味濃郁，是非常優(yōu)良的具有芳香氣味的脆肉型梨品種［1-3］。

目前普遍的估算成熟度做法主要依據(jù)目測和品嘗，通過顏色、硬度、氣味、口感等來判斷，但這種做法因人而異，會存在主觀判斷的差異而影響香梨最佳采摘時間［4-7］。根據(jù)庫爾勒香梨成熟規(guī)律采用電學(xué)特性分析成熟度的方法可以指導(dǎo)庫爾勒香梨成熟度的成熟情況，也為選擇最佳采摘時間提供理論依據(jù)［8-10］。

電學(xué)特性分析是香梨電參數(shù)測量的一種常用方法。由于電學(xué)特性的測定具有敏捷、迅速、易操作等優(yōu)點，基于電特性的檢測技術(shù)已成為研究果蔬成熟度檢測的重要手段［11-12］。 其中，平行電極法是基于電學(xué)特性檢測果蔬電參數(shù)的一種重要方式。平行電極法采用兩個平行極板與檢測對象接觸，從而檢測該對象的電學(xué)特性，檢測結(jié)果與兩平行極板尺寸及檢測對象的夾持力有一定關(guān)系［13-16］。

基于此，本研究利用塔里木大學(xué)自主研制的測量系統(tǒng)測量庫爾勒香梨電學(xué)特性，通過不同夾持力和不同電極尺寸對比分析成熟期內(nèi)香梨電學(xué)特性的變化情況，研究結(jié)果可為庫爾勒香梨電學(xué)特性的檢測研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1電學(xué)特性測試系統(tǒng)

果蔬電特性檢測的測試系統(tǒng)由塔里木大學(xué)自主研制，主要包括測力機(jī)構(gòu)、加載電機(jī)、力傳感器、測試電橋等部分組成。試驗前通電30 min 使電極預(yù)熱以降低測量時的數(shù)據(jù)誤差，然后將準(zhǔn)備的試驗香梨橫放在測量極板中，測量極板的夾持裝置銅質(zhì)探頭直徑分別為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 。將測試香梨橫向放入測量極板中，使香梨與極板的接觸點在同一軸線上。然后一邊手動調(diào)節(jié)微型手輪，一邊觀察測力機(jī)構(gòu)顯示屏的數(shù)據(jù)。當(dāng)夾持力保持不變時，記錄測試電橋顯示屏上的數(shù)據(jù)。夾持力數(shù)值通過力傳感器將數(shù)據(jù)傳到測力控制器，電學(xué)特征值通過測量極板將數(shù)據(jù)傳到測試電橋。測試系統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 電學(xué)特性測試系統(tǒng)

1.2 試驗材料

試驗用庫爾勒香梨樣品采摘于新疆兵團(tuán)第一師阿拉爾市塔里木大學(xué)校園內(nèi)的香梨園。本試驗香梨的采集自2018年9月20日，采摘香梨形狀規(guī)則、無斑點、無病蟲害、無機(jī)械損傷。采摘后香梨立即運回實驗室進(jìn)行香梨電學(xué)特性的測量，測量電壓為1 V，測量頻率為1 MHz。

1.3 試驗方法

第一組試驗：分別選取電極尺寸10 mm、電極尺寸15 mm、電極尺寸20 mm、電極尺寸25 mm、電極尺寸30 mm，在不同夾持力下進(jìn)行香梨電學(xué)特性試驗，每次試驗均重復(fù)10 次，測量結(jié)果取平均值，并采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)香梨表皮開始出現(xiàn)損傷試驗結(jié)束。第二組試驗：分別選取夾持力0. 5 N、夾持力1.5 N、夾持力2.5 N，在不同電極尺寸下進(jìn)行香梨電學(xué)特性測試，每次試驗均重復(fù)10 次，取平均值，使用Excel 軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并運用Origin2018 軟件繪制夾持力、電極尺寸與電學(xué)特性值之間的關(guān)系圖。

2 結(jié)果與分析

圖2 不同電極尺寸下夾持力與并聯(lián)等效電感之間的關(guān)系

在塔里木大學(xué)自主研制的測量系統(tǒng)LCR 電橋下我們測得香梨電學(xué)參數(shù)特性，可以得到串聯(lián)等效電感、并聯(lián)等效電感、并聯(lián)等效電容、串聯(lián)等效電容、品質(zhì)因數(shù)、阻抗、導(dǎo)抗等參數(shù)。由于香梨內(nèi)部組織相當(dāng)于一個并聯(lián)電路，因此我們這里只分析與其相關(guān)的并聯(lián)等效電感、并聯(lián)等效電容、品質(zhì)因數(shù)、阻抗。Wang S 和Zhang L 等人研究也表明果蔬的介電特性可用并聯(lián)等效電感、并聯(lián)等效電容、品質(zhì)因數(shù)、阻抗等來表示［17-18］。從圖2 可以看出，隨著夾持力的增加，不同電極尺寸下測量獲得的并聯(lián)等效電感均逐漸增大，增長速率先快后慢，最后接近一條水平線，各曲線變化情況大體一致。

表1 不同電極尺寸下夾持力與并聯(lián)等效電感之間的變化

從表1 可得：當(dāng)電極尺寸為10 mm 時，末值與初值的差值為1.7 mH，變異系數(shù)最小，該條曲線上的參數(shù)波動較小。當(dāng)直徑為20 mm時，末值與初值的差值為1.22 mH，變異系數(shù)最大，該條曲線上的參數(shù)波動較大。所以檢測并聯(lián)等效電感使用20 mm 電極尺寸時，要更加注意控制夾持力，因為夾持力對電學(xué)特性變化影響較大。

結(jié)合圖2、表1 分析可得：在電極尺寸分別在10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 下，隨著夾持力的增加，并聯(lián)等效電感分別達(dá)到-0. 42 mH、-0. 2 mH、-0. 1 mH、-0. 08 mH、-0. 09 mH 后果皮開始破裂。破裂時的夾持力分別為3.5 N、6 N、8 N、12 N、13 N。

圖3 不同電極尺寸下夾持力與并聯(lián)等效電容之間的關(guān)系

從圖3 可以看出：隨著夾持力的增加，不同電極尺寸下測量獲得的并聯(lián)等效電容逐漸減小，減小速率先快后慢，最后接近一條水平線，各曲線變化情況大體一致。

表2 不同電極尺寸下夾持力與并聯(lián)等效電容之間的變化

從表2 可得：當(dāng)電極尺寸為10 mm 時，末值與初值差值為-1.12 PF，變異系數(shù)最小，該條曲線上的參數(shù)波動不大。當(dāng)電極尺寸為25 mm時，末值與初值差值為-1.08 PF，變異系數(shù)最大，該條曲線上的參數(shù)波動較大。所以檢測并聯(lián)等效電容使用25 mm 電極尺寸時，要更加注意控制夾持力，因為夾持力對電學(xué)特性變化影響較大。

結(jié)合圖3、表2 分析可得：在電極尺寸分別在10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 下，隨著夾持力的增加，并聯(lián)等效電容分別達(dá)到0. 76 PF、0. 55 PF、0.33 PF、0.28 PF、0.24 PF 后果皮開始破裂。破裂時的夾持力分別為3.5 N、6 N、8 N、12 N、13 N。

圖4 不同電極尺寸下夾持力與品質(zhì)因數(shù)之間的關(guān)系

從圖4 可以看出：隨著夾持力的增加，不同電極尺寸下測量獲得的品質(zhì)因數(shù)逐漸減小，減小速率先快后慢，最后接近一條水平線，各曲線變化情況大體一致。

表3 不同電極尺寸下夾持力與品質(zhì)因數(shù)之間的變化

從表3 可得：當(dāng)電極尺寸為10 mm 時，末值與初值差值為-5. 64，變異系數(shù)最小，該條曲線上的參數(shù)波動不大。當(dāng)電極尺寸為25 mm時，末值與初值差值為-6.22，變異系數(shù)最大，該條曲線上的參數(shù)波動較大。 所以檢測品質(zhì)因數(shù)使用25 mm 電極尺寸時，要更加注意控制夾持力，因為夾持力對電學(xué)特性變化影響較大

結(jié)合圖4、表3 分析可得：在電極尺寸分別在10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 下，隨著夾持力的增加，品質(zhì)因數(shù)分別達(dá)到3.45、2.27、1.64、1.47、1. 79 后果皮開始破裂。破裂時的夾持力分別為3.5 N、6 N、8 N、12 N、13 N。

圖5 不同電極尺寸下夾持力與阻抗之間的關(guān)系

從圖5可以看出：隨著夾持力的增加，不同電極尺寸下測量獲得的阻抗逐漸減小，減小速率先快后慢，最后接近一條水平線，各曲線變化情況大體一致。

表4 不同電極尺寸下夾持力與阻抗之間的數(shù)值關(guān)系

從表4 可得：當(dāng)電極尺寸為20 mm 時，末值與初值差值為-7.63 KΩ，變異系數(shù)最小，該條曲線上的參數(shù)波動不大。當(dāng)電極尺寸為10 mm時，末值與初值差值為-11.21 KΩ，變異系數(shù)最大，該條曲線上的參數(shù)波動較大。 所以檢測阻抗使用10 mm 電極尺寸時，要更加注意控制夾持力，因為夾持力對電學(xué)特性變化影響較大。

結(jié)合圖5、表4 分析可得：在電極尺寸分別在10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 下，隨著夾持力的增加，阻抗分別達(dá)到2. 51 KΩ、1 KΩ、0. 47 KΩ、0. 49 KΩ、0. 48 KΩ 后果皮開始破裂。破裂時的夾持力分別為3.5 N、6 N、8 N、12 N、13 N。

圖6 不同夾持力下電極尺寸與并聯(lián)等效電感之間的關(guān)系

綜上所述：同電極尺寸下的香梨在變化夾持力進(jìn)行測量電學(xué)特性時，香梨電學(xué)特性有一個極限值區(qū)域，如果超過該極限值區(qū)域，此梨可能為損傷香梨，因為香梨損傷后電解質(zhì)溢出，改變了香梨的電學(xué)特性。

從圖6 可以看出：香梨在不同夾持力下，隨著電極尺寸的增加，并聯(lián)等效電感逐漸增大。多條曲線對比分析，在同一電極尺寸下夾持力越大并聯(lián)等效電感越大。通過對比圖2發(fā)現(xiàn)，夾持力對并聯(lián)等效電感影響比電極尺寸對并聯(lián)等效電感的影響更顯著。

表5 不同夾持力下電極尺寸與并聯(lián)等效電感之間的數(shù)值關(guān)系

從表5可得：當(dāng)夾持力為2.5 N時，末值與初值差值為-0.14 mH，變異系數(shù)最小，該條曲線上的參數(shù)波動不大。當(dāng)夾持力為0.5 N 時，末值與初值差值為-1. 55 mH，變異系數(shù)最大，該條曲線上的參數(shù)波動較大。所以當(dāng)夾持力為0.5 N 時，要更加注意控制電極尺寸，因為電極尺寸對電學(xué)特性變化影響較大。

結(jié)合圖6、表5分析可得：在夾持力分別為0.5 N、1. 5 N、2. 5 N 下，隨著電極尺寸的增加，并聯(lián)等效電感分別達(dá)到-1.13 mH、-0.67 mH、-0.46 mH 后果皮開始破裂。

圖7 不同夾持力下電極尺寸與并聯(lián)等效電容之間的關(guān)系

從圖7 可以看出：香梨在不同夾持力下，隨著電極尺寸的增加，并聯(lián)等效電容逐漸減小。多條曲線對比分析，在同一電極尺寸下夾持力越大并聯(lián)等效電容越小。通過與圖3 對比發(fā)現(xiàn)夾持力對并聯(lián)等效電容的影響比電極尺寸對并聯(lián)等效電容的影響更顯著。

表6 不同夾持力下電極尺寸與并聯(lián)等效電容之間的數(shù)值關(guān)系

從表6可得，當(dāng)夾持力為2.5 N時，末值與初值差值為0. 18 PF，變異系數(shù)最小，該條曲線上的參數(shù)波動不大。當(dāng)夾持力為0.5 N 時，末值與初值差值為0.49 PF，變異系數(shù)最大，該條曲線上的參數(shù)波動較大。所以，當(dāng)夾持力為0.5 N 時，要更加注意控制電極尺寸，因為電極尺寸對電學(xué)特性變化影響較大。

結(jié)合圖7、表6分析可得：在夾持力分別為0.5 N、1. 5 N、2. 5 N 下，隨著電極尺寸的增加，并聯(lián)等效電感分別達(dá)到1.39 PF、0.95 PF、0.74 PF后果皮開始破裂。

圖8 不同夾持力下電極尺寸與品質(zhì)因數(shù)之間的關(guān)系

從圖8 可以看出：香梨在不同夾持力下，隨著電極尺寸的增加，品質(zhì)因數(shù)逐漸減小。多條曲線對比分析，在同一電極尺寸下夾持力越大品質(zhì)因數(shù)越小。通過與圖4 對比發(fā)現(xiàn)夾持力對品質(zhì)因數(shù)的影響比電極尺寸對品質(zhì)因數(shù)的影響更顯著。

表7 不同夾持力下電極尺寸與品質(zhì)因數(shù)之間的變化

從表7可得：當(dāng)夾持力為0.5 N時，末值與初值差值為0.84，變異系數(shù)最小，該條曲線上的參數(shù)波動不大。當(dāng)夾持力為1.5 N 時，末值與初值差值為1.07，變異系數(shù)最大，該條曲線上的參數(shù)波動較大。所以當(dāng)夾持力為1.5 N 時，要更加注意控制電極尺寸，因為電極尺寸對電學(xué)特性變化影響較大。

結(jié)合圖8、表7分析可得：在夾持力分別為0.5 N、1. 5 N、2. 5 N 下，隨著電極尺寸的增加，品質(zhì)因數(shù)分別達(dá)到5.67、2.70、1.85后果皮開始破裂。

圖9 不同夾持力下電極尺寸與阻抗之間的關(guān)系

從圖9 可以看出：香梨在不同夾持力下，隨著電極尺寸的增加，阻抗逐漸減小。多條曲線對比分析，在同一電極尺寸下夾持力越大阻抗越小。通過與圖5 對比發(fā)現(xiàn)夾持力對阻抗的影響比電極尺寸對阻抗的影響更顯著。

表8 不同夾持力下電極尺寸與阻抗之間的變化

從表8可得：當(dāng)夾持力為2.5 N時，末值與初值差值為0.83 KΩ，變異系數(shù)最小，該條曲線上的參數(shù)波動不大。當(dāng)夾持力為0.5 N 時，末值與初值差值為3.6 KΩ，變異系數(shù)最大，該條曲線上的參數(shù)波動較大。所以當(dāng)夾持力為0. 5 N 時，要更加注意控制電極尺寸，因為電極尺寸對電學(xué)特性變化影響較大。

結(jié)合圖9、表8分析可得：在夾持力分別為0.5 N、1. 5 N、2. 5 N 下，隨著電極尺寸的增加，并聯(lián)等效電感分別達(dá)到8.04 KΩ、4.07 KΩ、2.74 KΩ 后果皮開始破裂。

綜上所述：同夾持力下的香梨在變化電極尺寸進(jìn)行測量電學(xué)特性時，香梨電學(xué)特性有一個極限值區(qū)域，如果超過該極限值區(qū)域，此梨可能為損傷香梨，因為香梨損傷后電解質(zhì)溢出，改變了香梨的電學(xué)特性。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明：隨著夾持力的增加，不同電極尺寸下測量獲得的并聯(lián)等效電感逐漸增大、增大速率先快后慢。并聯(lián)等效電容、品質(zhì)因數(shù)、阻抗均逐漸減小，減小速率先快后慢，各曲線變化情況大體一致。不同電極尺寸下隨著夾持力的增大，并聯(lián)等效電感逐漸增大。并聯(lián)等效電容、品質(zhì)因數(shù)、阻抗逐漸減小，各曲線變化情況大體一致。綜合分析：夾持力和電極尺寸的變化對香梨電學(xué)特性有一定的影響，而夾持力對電學(xué)特性的影響比較顯著。研究結(jié)果可為庫爾勒香梨電學(xué)特性的檢測研究提供理論依據(jù)。