鐘汝能,姚 斌,向 泰
(1.云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,云南 昆明 650500;2.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,云南 昆明 650500)
三七又名田七,是一種非常罕見的五加科直立草本植物,主產(chǎn)于云南,是中國(guó)傳統(tǒng)的珍貴藥材,在拉丁語中稱為“萬能藥”,當(dāng)前以三七為原料的中成藥品種有360多種[1],粉末是其重要的成品之一。鑒于三七具有較高的藥用價(jià)值,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此開展了大量的研究,但研究?jī)?nèi)容主要集中在針對(duì)其成分分析、藥理作用、種植環(huán)境、干燥和炮制[2-6]等方面,譚景等人開展了有關(guān)三七物理特性研究[7-8],研究成果對(duì)于三七產(chǎn)品研制及產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了重要作用。
微波技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)、農(nóng)業(yè)、冶金等領(lǐng)域,已發(fā)展成為引人注目的交叉學(xué)科[9-10]。在電氣工程和農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域,介電特性是評(píng)價(jià)微波能利用效率和微波輔助器件設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要參數(shù)指標(biāo),長(zhǎng)期以來,有效介電特性的預(yù)測(cè)一直是具有挑戰(zhàn)性的問題[11]。所謂介電特性是指物質(zhì)分子中的束縛電荷對(duì)外加電場(chǎng)的響應(yīng)特性,可利用介電特性在外加電場(chǎng)作用下的變化規(guī)律描述或者評(píng)價(jià)生物物料的化學(xué)成分和物理結(jié)構(gòu)[12],常用復(fù)數(shù)相對(duì)介電常數(shù)(ε=ε′+ε″)來描述[13]。當(dāng)前,基于介電特性的食品微波技術(shù)研究已有大量的文獻(xiàn)[14-19],但主要集中在果蔬、糧食、肉品和豆制品方面,也有學(xué)者開展了微波技術(shù)在中藥有效成分提取、中藥炮制、中藥材及其制劑干燥和滅菌等方面的研究[20-23]。在三七粉的介電常數(shù)研究方面,學(xué)者楊薇利用LCR測(cè)試儀分析了三七介電特性與含水率之間的關(guān)系,但測(cè)量起始頻率相對(duì)較低、范圍窄(0.1~1 000 kHz)。為保證藥效,中國(guó)藥典2015版規(guī)定三七粉的水分含量不得超過14%[24]。前人的成果表明,微波技術(shù)為食品物料及其產(chǎn)品的分析和開發(fā)提供了一項(xiàng)新技術(shù)[24],但加熱不均勻和微波能利用效率偏低,是制約微波技術(shù)在食品生產(chǎn)過程中規(guī)?;瘧?yīng)用的技術(shù)瓶頸[16],基于介電特性的微波裝置優(yōu)化策略受到關(guān)注[25],開展基于介電特性的檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)及微波輔助加工器件研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
本文使用無校準(zhǔn)同軸傳輸反射法測(cè)量了2 GHz~5 GHz微波頻率下9%~45.5%含水率時(shí)三七粉的介電特性,結(jié)合編程計(jì)算,分析了三七粉的介電特性與含水率、微波頻率間的依存關(guān)系,擬合得到微波頻段下三七粉的介電常數(shù)、介電損耗因子、損耗角正切與含水率、微波頻率之間的經(jīng)驗(yàn)公式,以期為三七的微波鑒定、微波殺菌、微波干燥提供依據(jù)。
三七物料來源為街購(gòu),產(chǎn)于云南省文山州馬關(guān)縣夾寒箐,生長(zhǎng)土壤類型為黃棕,生長(zhǎng)地貌為丘陵中部坡地,海拔1 325 m。取其根莖自然曬干后碾磨得到三七粉末,常溫下含水率為13%,密封保存。實(shí)驗(yàn)級(jí)石蠟粉末和去離子水由云南生物工程研究中心提供。
ZNB20矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(R&S,德國(guó)慕尼黑);85051B 7 mm同軸空氣線(Agilent Technology,馬來西亞檳城);水分測(cè)定儀(常州衡電,稱重精度為5 mg);樣品模壓器件(自行設(shè)計(jì)訂制,河南鶴壁)。
1.3.1 樣品制備
調(diào)節(jié)操作環(huán)境的溫度恒定為室溫(24±1)℃。混合物樣品制備時(shí),將石蠟加熱到70 ℃使其融化后與三七粉、去離子水混合,使用自動(dòng)攪拌器進(jìn)行充分、均勻攪拌混合,恢復(fù)至室溫后置入樣品模壓器件,壓制得到混合物圓環(huán)柱狀樣品(內(nèi)徑為3.04 mm、外徑為7 mm、長(zhǎng)度根據(jù)測(cè)量需求確定),使用游標(biāo)卡尺測(cè)量獲得樣品長(zhǎng)度值并記錄,稱重并記錄、真空包裝,編號(hào)后置于9 ℃條件環(huán)境中貯藏待測(cè)。依次制備石蠟樣品(3個(gè))、含水率分別為9%、13%、19%、26.1%、32%、38%、42%的7組共21個(gè)三七/石蠟混合物樣品,其粉末體積填充比分別為 0.427、0.431、0.469、0.470、0.474、0.504、0.528。
1.3.2 水分含量測(cè)定
三七粉的水分含量參考《中國(guó)藥典》2015版通則0832烘干法進(jìn)行測(cè)定,使用水分測(cè)定儀對(duì)每組樣品進(jìn)行3 次平行實(shí)驗(yàn)且保證質(zhì)量差值低于5 mg,取其算術(shù)平均值為測(cè)定值。
1.3.3 散射參數(shù)測(cè)量
測(cè)量前,將待測(cè)樣品從冷藏室中取出,置于室溫(24±1)℃下5 h左右,以使樣品溫度回升至室溫。測(cè)量時(shí),使用APC 7-3轉(zhuǎn)接頭、同軸電纜將85051B同軸傳輸線夾具與ZNB20矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個(gè)端口相連,開機(jī)預(yù)熱ZNB20網(wǎng)絡(luò)分析儀,按規(guī)定操作進(jìn)行測(cè)試,1 h后啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀S參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)(無需校準(zhǔn)),設(shè)定測(cè)量頻率為2~5 GHz,等間距選取150個(gè)頻率點(diǎn);設(shè)定每次測(cè)量進(jìn)行10次重復(fù)掃描,取其10次測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值。散射參數(shù)測(cè)量分為兩個(gè)步驟,一是測(cè)量同軸傳輸線分別為空氣填充、石蠟樣品填充時(shí)的S參數(shù),分別重復(fù)測(cè)量3次取其算術(shù)平均值,保存測(cè)量結(jié)果并標(biāo)記同軸線的擺放位置。二是測(cè)量混合物樣品的S參數(shù),將待測(cè)混合物樣品放置到同軸傳輸線中,并將同軸線置于步驟一所標(biāo)記的位置,穩(wěn)定后測(cè)量其S參數(shù)并保存,取出樣品并稱重、記錄,清潔測(cè)量?jī)x器,同一含水率樣品的測(cè)量重復(fù)3次取其算術(shù)平均值。參照步驟二依次進(jìn)行不同含水率樣品的測(cè)量,直至測(cè)量完成。
1.3.4 介電特性計(jì)算
1.3.4.1 混合物樣品介電特性計(jì)算
根據(jù)文獻(xiàn)[26]所述同軸傳輸線法測(cè)量原理,由電磁場(chǎng)理論和T矩陣轉(zhuǎn)換相關(guān)理論,推導(dǎo)出S參數(shù)測(cè)量值與待測(cè)粉末/石蠟粉末混合物樣品介電特性的數(shù)學(xué)方程式,并用牛頓迭代數(shù)值計(jì)算方法求解方程式。使用matlab軟件編制相關(guān)程序進(jìn)行計(jì)算,得到測(cè)量微波頻段下描述待測(cè)混合物樣品介電特性的復(fù)相對(duì)介電常數(shù)。
1.3.4.2 三七粉體積填充比計(jì)算
體積填充比等于樣品中三七粉的體積與混合物樣品總體積的比值,通過如下表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算,即fv=1-(ms×(M1/M2))/(ρ×V),其中V=π(b2-a2)l/4。式中,fv為體積分?jǐn)?shù),ms為制樣石蠟的質(zhì)量,M1、V、l分別為混合物樣品的總質(zhì)量、體積和長(zhǎng)度,M2為制樣物料的總質(zhì)量,ρ(0.87g/cm3)為石蠟的密度,a(=3.04mm)、b(=7mm)分別為圓環(huán)柱狀樣品的內(nèi)徑和外徑,式中ms、M1、V、l通過制樣前后的測(cè)量獲得。
1.3.4.3 三七粉介電特性的計(jì)算
根據(jù)混合物材料的Lichtenecker[27]對(duì)數(shù)法原理計(jì)算三七粉的介電特性,即當(dāng)均勻混合的粉末和粘結(jié)劑材料滿足各向同性、對(duì)稱和均勻條件時(shí),lnεmix=fvlnεx+ (1 -fv)lnεp成立。式中,εmix、εx、εp分別為混合物樣品、三七、石蠟的復(fù)相對(duì)介電常數(shù),fv為混合物中三七粉的體積填充比。使用matlab軟件編制程序進(jìn)行求解,計(jì)算指標(biāo)分別為介電常數(shù)ε′、介電損耗因子ε″和損耗角正切tanδ。
1.3.5 數(shù)據(jù)處理與分析
采用數(shù)據(jù)處理軟件Matlab R2012a(Math Works,美國(guó)馬薩諸塞州)、Origin 8.5(Atos Origin,荷蘭阿姆斯特丹)、Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及線性回歸分析。
為了驗(yàn)證本技術(shù)方法和測(cè)量系統(tǒng)的正確性和準(zhǔn)確度,分別用實(shí)驗(yàn)測(cè)量和仿真結(jié)果反演的方法分析了2種不同物質(zhì)的介電常數(shù)。一是使用本方案實(shí)驗(yàn)測(cè)量了石蠟樣品(長(zhǎng)度為38 mm)的S參數(shù),平行測(cè)量3次后取其平均值,使用編制程序?qū)y(cè)量得到的S參數(shù)換算為介電常數(shù),計(jì)算得到石蠟的介電常數(shù)ε′=2.238±0.02,損耗角正切值為0.003,計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[28]的結(jié)果吻合。二是使用HFSS軟件仿真得到低損耗電介質(zhì)材料TEFLON(預(yù)設(shè)介電常數(shù)值為:ε′=2.04,tanδ=0.002)的S參數(shù),使用所編制程序?qū)參數(shù)換算為介電常數(shù),計(jì)算結(jié)果與預(yù)設(shè)值相吻合。上述兩種方法的結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出測(cè)量方案和算法的正確性。另外,分別測(cè)量了同一規(guī)格的石蠟樣品放置在同軸傳輸線中4個(gè)不同位置的介電特性和3個(gè)不同長(zhǎng)度石蠟樣品的介電特性,結(jié)果表明,本測(cè)量方案中電磁散射參數(shù)與樣品放置在同軸線傳輸線中的位置無關(guān),較長(zhǎng)的試樣長(zhǎng)度更能實(shí)現(xiàn)低頻率下的電磁參數(shù)正確測(cè)量。
在測(cè)量的基礎(chǔ)上,計(jì)算得到測(cè)量微波頻段內(nèi)不同含水率三七粉的介電特性參數(shù)值,結(jié)果見圖1。圖示表明,隨著頻率的增加,同一含水率三七粉的介電常數(shù)ε′和介電損耗因子ε″呈單調(diào)遞減趨勢(shì)。為進(jìn)一步分析遞減趨勢(shì),分別對(duì)7個(gè)樣品的介電常數(shù)ε′、介電損耗因子ε″、損耗正切值tanδ與微波頻率F(2 GHz~5 GHz)、含水率M(9%~42%)的關(guān)系進(jìn)行直線擬合,按含水率從低到高的順序,得到表征3組共21條擬合直線傾斜程度的斜率如下:ε′與F關(guān)系擬合直線的斜率分別為-0.04、-0.11、-0.13、-0.26、-0.62、-0.77、-1.21,ε″與F關(guān)系擬合直線的斜率分別為-0.01、-0.02、-0.01、-0.02、-0.29、-0.29、-0.25,tanδ與F關(guān)系擬合直線的斜率分別為-0.003、-0.003、0.005、0.007、-0.006、0.006、0.005。結(jié)合圖1可以看出:隨著頻率的增加,同一含水率樣品的ε′、ε″隨F呈單調(diào)遞減變化趨勢(shì),含水率越高的樣品遞減幅度越大;tanδ與F關(guān)系擬合直線的斜率基本保持不變,說明物料與微波場(chǎng)的耦合能力隨頻率的變化不明顯;微波頻率對(duì)介電特性的影響度為ε′>ε″>tanδ。
為了分析含水率與介電特性之間的相關(guān)性,以民用微波頻率2.45 GHz為觀測(cè)點(diǎn),計(jì)算得到三七粉的介電常數(shù)、介電損耗因子與含水率的關(guān)系見圖2。圖2表明,隨著含水率的增加,同一頻率點(diǎn)上三七粉的介電常數(shù)ε′、介電損耗因子ε″和損耗角正切tanδ呈單調(diào)遞增趨勢(shì)。為分析遞增幅度,對(duì)ε′、ε″、tanδ與含水率(M)的關(guān)系進(jìn)行直線擬合,得到表征擬合直線傾斜程度的斜率值分別為0.322、0.194、0.013,說明ε′、ε″、tanδ隨著含水率增加的遞增幅度為ε′>ε″>tanδ。通過對(duì)擬合進(jìn)行分析可得,ε′、ε″、tanδ與含水率(M)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系分別為:ε′=8.782-1.156M+0.0866-0.0024M3+2.607-5M4,R2=0.976;ε″=0.212+0.051M-0.01M2+5.547e-4M3-6.206e-6M4,R2=0.985;tanδ=-0.10325+0.03752M-3.36e-3M2+1.378e-4M3-1.709e-6M4,R2=0.985。
圖1 不同含水率樣品的介電特性(ε′、ε″)隨微波頻率的變化情況(a)為介電常數(shù) ε′,(b)為損耗因子 ε″
圖2 2.45 GHz頻率點(diǎn)處三七粉末的介電特性與含水率的關(guān)系
在測(cè)量微波頻段內(nèi),三七粉的介電常數(shù)ε′、介電損耗因子ε″和損耗角正切tanδ與頻率F、含水率M具有一定的依存關(guān)系。對(duì)圖1中數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合,分析可得:三七粉的介電特性與微波頻率F∈(2 GHz,5 GHz)、含水率M∈(9, 42)之間滿足如下數(shù)學(xué)關(guān)系:ε′=4.004-4.917e-3F-8.419M-3.463FM+0.0645F2+99.12M2,R2=0.997;ε″=1.385e-4F3+71.24M2-0.2931FM-6.297e-2F-16.05M+1.201,R2=0.998;tanδ=-1.308e-2F2+1.464M25.725e-2FM+7.505e-4F+0.4795M-8.675e-3,R2=0.959。
提出利用T矩陣同軸傳輸反射法測(cè)量三七粉的微波介電特性。結(jié)果表明:三七粉的介電特性與微波頻率、含水率具有一定的依存關(guān)系;隨著頻率的增加,同一含水率三七粉的ε′和ε″呈單調(diào)遞減變化,含水率越高的樣品遞減幅度越大,tanδ隨頻率的變化不明顯;隨著含水率的增加,同一頻率下三七粉的ε′、ε″和tanδ呈單調(diào)遞增變化。在測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,擬合獲得了三七粉的介電特性與含水率、微波頻率之間滿足的經(jīng)驗(yàn)公式,為三七粉的微波鑒定、微波殺菌、微波干燥和微波無損檢測(cè)器件設(shè)計(jì)等提供依據(jù)。