辛倩倩+張學(xué)軍+鄢金山+靳偉+宋玲

摘要：介紹目前國內(nèi)外常用的電特性測量技術(shù)，以及其測量系統(tǒng)組成、優(yōu)缺點、適用范圍等，按相關(guān)研究領(lǐng)域列舉物料電特性的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出電特性技術(shù)研究的重點和方向，為物料電特性檢測技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞 ：電特性；測量技術(shù)；應(yīng)用；趨勢

中圖分類號：S125 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）07-0028-03

物料的導(dǎo)電特性和介電特性統(tǒng)稱為電特性，其中介電特性是指分子中的束縛電荷對外加電場的響應(yīng)特性。因內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)、成分不同，導(dǎo)致物料組織內(nèi)部含有大量等效中心不重合、帶一定間距的極性分子，在電場的作用下表現(xiàn)出不同電特性，成為一種介于導(dǎo)體及絕緣體間的電介質(zhì)。在外電場作用下，測量系統(tǒng)能夠測量物料的電特性，包括電容率、電導(dǎo)率、介電損耗、電流密度等。

1 介電測量技術(shù)概述

在測定電特性參數(shù)時，需要將測試物料等價轉(zhuǎn)換為電學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示。等效電路模型由1個電容和3個電阻構(gòu)成。

1.1 平行極板技術(shù)

平行極板技術(shù)又稱電容器技術(shù)，其利用電介質(zhì)填充在電容器中電容容量的變化，測定物料樣品的電特性。測量系統(tǒng)由LCR電橋測量儀、平行極板、物料樣品、計算機等組成。此法的優(yōu)點是測量原理簡單、測量儀器成本較低、精度較高；缺點是測量頻率范圍較窄、要求物料樣品為平板型，多適用于平板型固體材料的介電特性測量。

1.2 同軸探頭技術(shù)

終端開路的同軸探頭與物料接觸，根據(jù)測試條件反饋到分析儀器的信號幅值和相位來計算物料的電參數(shù)和頻率的關(guān)系。測量系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)分析儀、測試探頭、測試軟件和計算機組成。此法的優(yōu)點是簡單方便、精確度高；缺點是對物料樣品的要求比較嚴(yán)格：非磁性，各向同性且同質(zhì)，厚度大于1 cm，且截面應(yīng)較大。此法適用于寬頻帶范圍內(nèi)的物料檢測。

1.3 傳輸線技術(shù)

將物料放在密閉傳輸線中，通過線路負(fù)載引起的阻抗和傳輸特性變化來檢測電特性參數(shù)。測量系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、計算機、測試軟件組成。此法的優(yōu)點是精度比較高，缺點是物料樣品制備比較麻煩，要求樣品斷面形狀與傳輸線的斷面形狀一致，適用于較窄頻率范圍檢測。

1.4 自由空間技術(shù)

通過天線將網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射的微波聚焦或通過物料樣品得到反射和傳輸系數(shù)，并由此計算樣品的電參數(shù)。測量系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)分析儀、發(fā)射和接受天線、軟件和計算機組成。優(yōu)點是非接觸，實現(xiàn)無損檢測；缺點是校準(zhǔn)儀器比較麻煩，并要求物料樣品為大平面薄板型，適用于高溫或惡劣環(huán)境下電參數(shù)測量。

1.5 諧振腔技術(shù)

在一定頻率下發(fā)生諧振迅速測量中心頻率和品質(zhì)因子，并通過計算得到一定頻率下的介電常數(shù)。測試系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)分析儀、諧振腔、軟件和計算機組成。優(yōu)點是測量精度高且不需要校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀，物料制備簡單；缺點是要求物料為低損耗、小體積，且僅能在一個或幾個頻率下測量，分析較為繁瑣，適用于高溫或低溫環(huán)境測量。

2 電特性應(yīng)用領(lǐng)域

關(guān)于物質(zhì)電特性的研究已獲諸多成果，應(yīng)用研究領(lǐng)域也非常廣泛，在滅菌滅蟲、清選分級、無損檢測、貯藏、加工、保鮮、土壤干旱檢測等領(lǐng)域均有應(yīng)用。

2.1 農(nóng)產(chǎn)品加工過程在線監(jiān)測

研究表明，介電特性檢測可用于發(fā)酵過程中的活菌數(shù)等生物量檢測、果蔬貯藏和分級過程檢測、調(diào)理食品加工過程檢測、食用油品質(zhì)及油炸過程檢測，干燥過程檢測、魚品質(zhì)和凍結(jié)魚體冷凍粉碎解凍等加工工藝檢測。

羽倉義雄利用介電特性在線檢測干燥加工過程中的產(chǎn)品含水量。秦文等研究發(fā)現(xiàn)，在溫度60 ℃下熱風(fēng)干燥新鮮蔬菜，水分含量隨干燥時間增加而下降，電容值變化趨勢與水分變化相同，兩者存在極顯著的線性相關(guān)性。Ryszard Z等利用電特性參數(shù)值電容、電導(dǎo)、阻抗和電阻等檢測蘋果汁的濃度和品質(zhì)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程在線監(jiān)控。

2.2 種子清選分選

介電特性與籽粒中的化學(xué)成分、生物質(zhì)有密切聯(lián)系，故可利用不同籽粒間的介電特性（導(dǎo)電性、電介質(zhì)參透性、極化程度等）進(jìn)行種子分選。與傳統(tǒng)的機械分選相比，這種方法能分選出成熟度好、發(fā)芽率高、活力強的的優(yōu)異種子。

Briggs等在20世紀(jì)初研究發(fā)現(xiàn)，水分含量與介電參數(shù)之間存在相關(guān)性，提出通過測量小麥種子電阻來獲得水分含量。王慶惠等研制一種介電式種子分選機，通過對油白菜和苜蓿等小顆粒種子進(jìn)行試驗，得出以分選電壓和滾筒轉(zhuǎn)速為分選因素的回歸方程和分選參數(shù)。

2.3 谷物含水率測定

國內(nèi)外大量研究文獻(xiàn)報道，可以通過檢測介電特性來確定糧食谷物含水率，其中谷物濕度電測法是最具代表性的應(yīng)用之一。目前，基于介電特性已成功研制出谷物水分快速測定儀，用以實現(xiàn)谷物干燥過程中的溫度濕度測量，其簡單準(zhǔn)確，方便谷物收購、貯藏等。

程衛(wèi)東采用同心圓式電容傳感器對谷物干燥設(shè)備進(jìn)行在線水分測量及控制，建立定流量條件下谷物水分與電容傳感器振蕩頻率、谷物溫度相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。徐保江等根據(jù)物料含水率對介電常數(shù)的影響，得出物料介電特性與含水率之間的函數(shù)關(guān)系主要與物料品種有關(guān)的結(jié)論，并提出簡便測定水稻、玉米和大豆3種物料含水率的方法。

2.4 果蔬內(nèi)部品質(zhì)測定

果蔬品質(zhì)（含水率、新鮮度，成熟度、損傷程度、含糖量，酸度，硬度等）會對介電特性產(chǎn)生直接或者間接影響，所以可以將介電特性應(yīng)用于果蔬品質(zhì)檢測與識別。研究表明，含水率是果蔬分級篩選、貯藏加工中的重要參數(shù)。

Nelson等開展關(guān)于果蔬介電特性的研究，奠定了介電檢測果蔬品質(zhì)的試驗基礎(chǔ)。Tulasidas等通過試驗得出以含水率和溫度為變量的葡萄的介電參數(shù)模型。Wen Qin利用葉類蔬菜水分含量、色澤、硬度等指標(biāo)與介電常數(shù)的相關(guān)性，建立新鮮度與介電參數(shù)相關(guān)性模型。

2.5 土壤干旱監(jiān)測endprint

微波遙感在土壤水分監(jiān)測中具有某些獨特的優(yōu)越性，其原理是土壤介電特性與水分含量的密切關(guān)系。水的介電常數(shù)在常溫下約為81，而干土的介電常數(shù)僅為3，且其介電常數(shù)隨土壤濕度變化而變化。

馬孝義用介電法測量土壤容重、化學(xué)成份、質(zhì)地及其溫度變化時發(fā)現(xiàn)，用介電法測量土壤水分是一種適應(yīng)面廣、精度較高的方法。田國良在對比分析幾種遙感土壤濕度方法后，認(rèn)為微波遙感可解決遙感土壤濕度問題。陳權(quán)等針對土壤介電常數(shù)到土壤水分之間的轉(zhuǎn)換開展研究，并建立了適于微波輻射計和微波散射計監(jiān)測的介電常數(shù)與土壤體積含水率轉(zhuǎn)換的簡化模型，具有良好的精度和實用性。

2.6 殺菌、消毒及識別蟲害

用微波對食品（如常見的牛奶）殺菌消毒，可大大減少細(xì)菌和大腸桿菌的數(shù)量，使其達(dá)到國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。與此同時，牛奶的營養(yǎng)成分不受任何影響，產(chǎn)品穩(wěn)定性提高，能更好地被人體吸收。微波處理食品有升溫快、殺菌效果好、作用時間短等優(yōu)點。

陳新生利用微波對魚丸、醬油、香腸等食品物料進(jìn)行電特性和含水量測量，確定殺菌時間、功率密度等工藝參數(shù)，得到食品物料的介電機理和微波場升溫理論模型，證實微波對食品滅菌有一定的非熱作用。

2.7 食品無損傷檢測

食品的組織、成分、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等與電特性有密切關(guān)系，研究食品電特性的目的是對食品的成分、組織、狀態(tài)等品質(zhì)進(jìn)行檢測和評價。

加藤宏朗對果品的試驗研究發(fā)現(xiàn)，在100 Hz～100 kHz頻段內(nèi)，隨著蘋果新鮮度降低，果肉阻抗趨于增加，相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)下降，由此研制出最早的真正意義上的介電特性果蔬無損檢測系統(tǒng)。

2.8 微波診斷

腫瘤和周圍組織有很明顯的差異，且皮下組織的電特性變化能夠通過測量微波反射系數(shù)反應(yīng)出來，這奠定了微波診斷腫瘤的物理基礎(chǔ)和可行性。

利用多層生物組織對微波的反射特性，用開口矩形波導(dǎo)探頭作為傳感器和人體直接接觸，然后用微波反射系數(shù)來體現(xiàn)人體組織的電特性變化，通常由網(wǎng)絡(luò)分析儀或六端口反射計測定。探頭在近場區(qū)域與人體組織相互作用，此時可根據(jù)反射系數(shù)確定腫瘤的大小和深淺。

3 電特性技術(shù)研究展望

近年來，國內(nèi)有關(guān)農(nóng)產(chǎn)品、農(nóng)作物及食品的電特性研究深度和廣度取得較大進(jìn)展，但因儀器和電特性的影響因素多而導(dǎo)致生產(chǎn)應(yīng)用方面成果較少。

3.1 研究內(nèi)容

從物料單一參數(shù)測量發(fā)展為聯(lián)合多參數(shù)測量，以便共同反映物料綜合內(nèi)部品質(zhì)。比如開展?fàn)I養(yǎng)成分、含糖量、含酸度、新鮮度、可溶性固形物等內(nèi)部品質(zhì)與電特性的關(guān)系研究，并分析其影響機理。

3.2 測試方法

將電特性檢測技術(shù)應(yīng)用到實際生產(chǎn)中（如在線長時間連續(xù)檢測方面），研究簡單、精確、成本低廉、便攜式和在線連續(xù)應(yīng)用的檢測技術(shù)，取得國際社會和優(yōu)秀同行認(rèn)可的研究成果，用于現(xiàn)實檢測。

3.3 應(yīng)用開發(fā)

相關(guān)文獻(xiàn)大多研究糧食作物和主要水果的電特性，且測試層面的研究成果居多，實際轉(zhuǎn)化為開發(fā)設(shè)備的成果較少。因此，今后的研究重點應(yīng)為成果轉(zhuǎn)化，使之成為真正造福社會的生產(chǎn)力。探索與交叉學(xué)科的合作，將計算機視覺系統(tǒng)和圖像處理技術(shù)應(yīng)用于電特性檢測。

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Abstract： This paper introduced electrical characteristics measurement techniques commonly used at our country and abroad at present， and the measurement system composition， the advantages and disadvantages and applicable scope， etc. According to the application status of material electrical characteristics listed in the related research field， it put forward the focus and direction of electrical characteristics research in the future， in order to provide reference for the development of material electrical characteristics detection.

Key words： electrical characteristics； measurement technique； application； trendendprint