第三章 食品无损检测：电学特性检测

食品无损检测潘磊庆南京农业大学食品科技学院2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院2第三章电学特性检测了解：1.电特性检测食品和农产品特性的应用。掌握：1.电特性的主要参数；2.食品和农产品电特性的常用检测仪器和方法。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院3食品与农产品电特性的变化主要表现：介电常数(电容率)、电导率、电阻、电容等。广义上电特性分为：主动电特性和被动电特性两种类型。主动电特性：食品与农产品物料中存在的某些能量源而产生的电特性，其能量源可能产生一个电动势或电势差，在生物系统中表示为生物电势，在压电晶体中表现为应变诱导电势；2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院4被动电特性：反映了影响食品与农产品物料所占空间内电场和电流(电荷)的分布特性，还可影响电场中食品与农产品的行为，是由食品与农产品物料的化学成分和物理结构所决定的固有特性。表现变化：电导率、介电常数、击穿电位、刺激电位等。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院5一、电磁场在真空中电磁波的波长与频率/的关系可用下式表示：λ——电磁波的波长，m；f——电磁波的频率，Hz；c——真空中光速，c=3×108m/s。第一节电特性的主要参数fc2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院6对于不同波段的电磁波，使用波数概念。定义：每厘米长度内出现完整波形的个数。λ——电磁波的波长，cm；ν——电磁波的波数，cm-1。二、电阻与电阻率电阻是电流通过导体时受到的阻力。电阻常用R表示，单位欧姆(Ω)。电阻器通常被认为是消耗电能量变成热能的元件。电阻棒长为d，截面积为S，电阻可用下式表示：2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院7SdR电阻：是与物体的形状或大小有关的物体常数。电阻率ρ：是物质常数，即它与组成物体的物质属性有关，与物体的大小或形状无关。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院8三、电容与介电常数dSVQCr0式中：C——电容器的电容量，F；Q——电容器蓄积的电量，C（库仑）；V——两极间的电压，V；D——两极间的距离，m；S——电极的表面积，m2；εr——物质的相对介电常数=材料介质的电容量\真空介质的电容量ε0——物质的真空介电常数，F/m。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院9介质的介电常数可表示为：ε=ε0εr，一般情况下，εrε0。相对介电常数：空气1.0006；水81.57；木材2.5～7.7；纺织材料2～5。注：由于水比食品与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食品与农产品物料的含水率。介电常数愈大，物料的含水率愈高。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院10四、阻抗与复电容量大多数食品和农产品不属于导体和绝缘体两种极限情况，而是介于二者之间。往往将电阻器和电容器串联或并联起来考虑以复数形式来描述。串联电路：两个元件看成一个假想电阻，以复数Z*。表示其阻抗。并联电路：可视为一假想电容，用复电容C*表示。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院11dSdSiiCCC00*)'('*)1(iRZ*CiRX2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院12五、介电损耗食品与农产品的成分基本属于电介质，电介质中的极性分子在交变电场作用下会极化，分子部分地沿着电场方向定向排列，并随着电场方向的变换，极化分子不断地作趋向运动，使分子间发生碰撞和摩擦。摩擦消耗能量，因而介质将吸收的一部分电能转变为热能，使介质发热。介质在电场作用下发热而消耗的能量，称为介电损耗。介质耗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：12210tan95fEQQ：电场消耗的功率，W/cm2；f：电场频率，Hz；E：电场强度，V/m；ε：物质的介电常数，F/m;tanδ：介电损耗角的正切。εtanδ称为介电损耗因数，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。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院13介电损耗干燥原理：水的介电损耗因数比干物质的大至少几十倍，将含水的食品与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。食品与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，可对食品与农产品进行干燥，介电损耗加热分为高频加热和超高频加热两种。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院14第二节常用仪器与方法一、常用仪器电特性检测的主要内容包括电阻率、电导率、电容量、介电常数等项目。设备主要是LCR和LCZ。LCR：代表电感、电容、电阻，指用来测试电感、电容、电阻的。LCZ：代表电感、电容、阻抗，也就是用来测试电感、电容、阻抗。例如：利用电特性检测茶叶品质的研究中使用的就是LCR数字式检测仪。该仪器采用微机控制的自动测量电容和阻抗的仪器，内置信号发生器，并配有微机接口和测试夹具；采用了四端电桥测量原理，可用并联或串联等效电路形式直接测定电极两端的电容和电阻、阻抗膜和幅角。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院16LCR-612LCR数字电桥2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院17二、常用方法主要有四种：切片法、突刺法、接触法和非接触法。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院18切片法是将被测物料加工成规则的形状后，放人平行电极间检测其电特性；突刺法是将针状电极刺人被测的物料中检测其电特性；接触法是将被测物料直接放人平行电极且保持电极与物料的接触，检测其电特性；非接触法则是将被测物料放于一组平行电极间，在不与电极直接接触或通过其他介质(如采用水槽)的情况下检测物料的电特性。切片法主要适用于可切成片的水果、面食制品等，突刺法和接触法以及非接法则能适用几乎所有的食品与农产品的快速检测，并且不受其形状的影响。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院19第三节静电特性的检测一、利用作物生理电阻检测需水信息农业生产经常用土壤含水量作为灌溉指标，但对作物缺水而言，土壤含水量是一种反映作物生长环境的间接指标，最好以作物本身内在信息的变化为依据，才显得更合理。1．植物生理电阻原理：干旱缺水植株体液浓度增高，反映在电导率增高，电阻下降。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院20方法：在植物茎秆上插入两根金属(不锈钢)针，测量两电极间的生理电阻，用电阻值的变化反映植株亏水程度。对一株干旱状态的玉米，在玉米茎秆第3茎节，用不同间距电极插入茎秆，选取玉米各种茎秆长，测其生理电阻R(kΩ)。（A：电流上—下；B：下—上；C：更干旱）图3-10表明：生理电阻值与电极截取的玉米茎秆长度L(mm)成线性正比。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院21二、生物电特性鉴别受精蛋1.原理生物电现象是生命组织普遍存在的一种生理现象，凡有生命的细胞都会产生生物电流。鸡蛋的生物电现象是这一生命单元在不同时期生命活动的表现。种蛋的生物电与其受精与否、鸡胚雌雄性别以及蛋品新鲜度之间存在较大的相关性，可以鉴别和剔除无精蛋、弱精蛋和死胚蛋。2.鸡蛋生物电测试系统鸡蛋的各种内容物(胚胎、蛋黄、蛋白)之间的电位差产生一个电场，其电场的变化可在蛋壳外测得。但鸡蛋的生物电信号很微弱，为了将其精确地检测并记录下来，需要有一套高性能的测试系统。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院22鸡蛋生物电位测量方法及等效电路如图3-15所示。通过两个电极测得的上述电位的矢量和，即为鸡蛋的生物电位。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院23鸡蛋生物电检测系统如图3-16所示。它包括电极、鸡蛋夹紧装置、放大器、A／D采集器、计算机和监控示波器等。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院242．鸡蛋生物电信号的测试及分析受精蛋与无精蛋的生物电信号的波形有较大的差异。通过100只样本(60只种蛋和40只无精蛋)连续l0d的跟踪观测；发现：无精蛋的电信号的波幅很小，其时域信号大多近乎直线；受精蛋的生物电信号较为丰富。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院25三、种子静电清选分级装置传统:机械式清选分级装置。工作原理:利用种子与混杂物之间以及种粒之间的机械物理特性(如外形尺寸、密度、表面粗糙度和悬浮速度等)进行风选、筛选或窝眼精选。但是实验证明:种子的机械物理特性并不能完全反映出种子的内部品质——种子活力，根据机械物理特性所选出的种子并不一定是活力最高者。种子生理学研究表明：种子的电特性(如膜电阻、介电常数等)与其活力相关。活力高的种子，膜电阻大、介电常数小；活力低的种子，膜电阻小、介电常数大。基于上述原因，可以借助电场力来实现按种子活力大小进行清选分级.静电分选就是其中的一种方法。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院27图所示为复合式静电选种机的结构原理。该机可以将种子按活力分级。不同活力的种子由于电特性（电导率）上的差异，在进入静电场后，所受到的电场力不同，因而各自按不同的轨迹运动而入集种箱中不同的分隔腔内，从而实现按种子的活力大小分级。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院28活力低活力高劣质种子杂物活力高，介电常数小；活力低，介电常数大。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院29第四节交流电特性的检测一、利用谷物的电特性检测含水率1.电特性的检测原理谷物的电特性主要包括电阻特性和电容特性。其主要与含水率、品种和测试频率等因素有关。干燥状态：谷物电阻值高达108Ω以上；潮湿时：却像导体或半导体一样。即：谷物既有电阻特性又有电容特性。根据谷物的结构和生物膜电特性研究成果，RC并联电路可作为谷物的等效电路。谷物的电特性研究常采用交流电测定法测定谷物的电阻率和介电常数。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院30谷物的电阻率主要与其含水量和测试频率有关。谷物的电阻率与其含水量的关系如下：Cln式中，αω、Cω分别为实验常数，由被测谷物的品种、容重、测试频率，环境的温度和湿度等因素决定，其值通过实验确定。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院312．谷物电特性检测的应用①利用谷物的电特性，可进行其品质的快速检测。如利用谷物含水率与电阻率及介电常数存在着指数关系，已研制出了电阻型和电容型谷物水分快速测定仪。②采用介电常数测量技术。已开发出一种快速测量大豆含油率的方法，该方法也可用于测量向日葵种子的含油率。③利用谷物的电特性对其内部品质进行测量。电力分选机是利用谷物的电特性差异而引起的极化带电量的不同达到分选的目的。④利用谷物和食品的介电特性可进行谷物的干燥，对食品进行加热、烤制、烹调。如微波加热法、欧姆加热法等。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院32二、西红柿的电特性无损检测成熟度西红柿属于生物体，故它也可以看成是电介质。电介质都可以用理想电容和电阻组成的并联电路或串联电路来等效。由于电介质的等效电阻很大，因此，并联等效电路与电介质的实际性能相符合。西红柿电特性的检测系统主要组成部分是LCR电桥测量仪和电极系统。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院33在某一频率下：成熟的西红柿(红色组)的相对介电常数最小；微成熟(微红组)的相对介电常数处于中间的位置；未成熟的西红柿(青色组)的相对介电常数最大。2020年1月25日星期六南京农业大学食品科技学院34可以发现，在整个频率范围内，随着频率的增加，等效阻抗减小。其中在频率较低时，等效阻抗变化较快，而在高频时，等效阻抗变化较慢。另外，在一定的频率下，青色组西红柿的等效阻抗最大，微红组的在中间，红色组的等效阻抗最小，在低频段三组的差距较大。低频时的等效阻抗来判断西红柿的成熟度。2020年1月