第四章 食品的力学、声学和

第四章食品的力学检测新技术在弹性范围内大多数材料服从虎克定律，即变形与受力成正比。纵向应力与纵向应变的比例常数就是材料的弹性模量E，也叫杨氏模量。在比例极限内，材料所受应力如拉伸，压缩，弯曲，扭曲，剪切等）与材料产生的相应应变之比，用公斤/厘米2[帕]表示阻尼(damping),又称内耗(internalfriction),是指材料在振动中由于内部原因引起机械振动能消耗的现象。阻尼性能通常又称为减振性能,是材料的一种功能特性固有频率的定义就是无阻尼时振动系统的特征值精确地说：实际系统的固有频率是理论值，也是无法直接精确测量的，因为系统有阻尼。泊松比poisson’sratio:在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。食品与农产品的力学、声学和电学特性，是其物理性质中十分重要的内容，不仅是设计相关加工机械、加工工艺的理论依据，而且是对食品与农产品进行品质评价的主要指标。食品与农产品的力学、声学和电学特性与食品与农产品的生化变化、变质情况有着密切关系，通过力学、声学和电学性质的测定，可以把握食品与农产品的品质变化。力学检测研究的是物料的力学特性检测，它包括质量、应力、硬度、振动以及冲击作用下的各种响应等，每个项目包括的内容都很丰富。一、食品与农产品品质检测中常用的力学特性利用食品与农产品的力学特性进行品质的检测是无损检测最为常用的方法之一，在生产过程中许多力学特性需要及时的检测，以便及时控制其生产过程。面包泊松比可以衡量面包等膨松食品的膨松程度；在面包生产中，面团的流变特性直接影响到面包的质量。泊松比poisson’sratio:在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。乳制品乳制品的表观黏度具有重要意义，如在浓缩过程中，可以用表观黏度的变化确定其浓缩点，在炼乳生产中，更需要精确地控制其黏度，因为表观黏度过大会导致变稠，过低则可能出现脂肪分离与糖沉淀。因此，在生产过程中及时快速地检测各种力学特性变化，对提高产品的质量和生产水平起到至关重要的作用。农产品的力学特性是其成熟状态和品质的一个重要指标。果蔬生长和存储过程中，细胞间的结合力变小。除此之外物料的质量、表面和内部颜色、形状、硬度、黏度等物理指标均会产生一系列的变化。农产品(1)坚实度检测坚实度是反映细胞间结合力变化的物理指标。目前坚实度检查的常用方法是M—T戳穿试验方法(M—T)。该方法是用一定直径的钢制压头，按一定的压缩速度对果蔬进行压缩试验，同时测量压缩力，压缩力的最大值称为其坚实度。M—T戳穿试验简单易行，但M—T戳穿试验是损伤性的，不可能逐个检验，大样本的试验无法实现。另外，果蔬不同位置的M—T试验的结果有较大的差异。(2)硬度的检测硬度是表示物体软硬程度的量。它主要取决于物体本身的弹性模量、屈服强度、塑性、脆性以至内部分子结构、结晶状态及原于间的键结合力等因素。硬度的检测方法可以分成静负荷和动负荷两种。振动是物体在某一个位置作往复运动的物理现象。物体的振动可用振幅、振动加速度、振动频率等振动参数来表征。振动检测往往把振动的机械能转换成电量来检测。农产品种类繁多，组成复杂，对于不同状态的农产品进行品质检测时常用的力学特性主要有下面的内容：(1)固体物料的力学特性主要包含质量(重量)、密度、应力屈服强度、硬度、松弛等；(2)散粒体的力学特性包含摩擦、黏附、变形、流动等；(3)液体物料的力学特性主要包含流体力学特性、流变特性、黏性、黏弹性等。果蔬坚实度、硬度与成熟度的关系极大，下面着重介绍它们的无损检测方法。随着果蔬的生长期和贮藏时间的不同，果蔬的坚实度也在不断地变化，坚实度的变化可以客观地反映出果蔬内部品质的变化。坚实度的检测主要应用在以下三方面：二、力学特性的检测技术(1)对生长中果蔬的成热度进行监测和分析，决定合适的收获期；(2)对收获的果蔬按其成熟度分级，以便存储；(3)果蔬内部品质的检测，保鲜、存储期的确定。在果蔬坚实度无损检测中．果蔬组织的弹性模量是一个重要的基本参数。由于果蔬组织材料的复杂性，模量测量结果受其形状、大小、密度等因素影响。另外测量传感器和施加力的位置和方向也会影响其测量结果。在较早的研究中，一般将果蔬视为各向同性的线性材料，在20世纪70年代，就有人注意到果蔬切割的方法、位置及方向会影响对其物理参数的估计，并对苹果的材料性能做了详细的研究，证实了果蔬组织的时变特性和各向异性。利用果蔬振动的固有频率检测其坚实度为众多学者所关注。虽然他们的测量方法和技术不完全相同，但其原理是一致的。Cooke等建立了简化为线弹性球体的果蔬动力学模型，并通过理论分析得到了各向同性线弹性球状果蔬的固有频率与其材料弹性模量E的关系为：(一)利用振动频率检测果蔬坚实度的方法经测量得到固有频率f后，由上式可以估算出果蔬的弹性模量E，从而确定其坚实度。Armstrong等用冲击振动产生的噪声和振动信号分别研究了苹果和桃子的坚实度。将测得的弹性模量与试样压缩试验得到的弹性模量和M—T坚实度试验结果进行了对比。结果表明，前两种方法得到的弹性模量相关性较好，相关系数均在0.75以上，但与M—T试验结果相关性较差，相关系数仅为0.27。Shmulevich等用压电薄膜作为传感器研究了苹果的固有频率与坚实度的关系，目的是要开发一种能满足果蔬在线分级要求(达到5-10个/s)的技术，他们指出，期望无损检测的坚实度与M—T试验结果有良好相关是不现实的，因为M—T测量的是果蔬组织材料压缩和剪切共同引起的破坏强度。因此，M—T试验结果受压缩和剪切弹性模量的共同影响，而振动固有频率无损检测的坚实度仅与压缩弹性模量有关。对西瓜的坚实度研究也取得了较好的结果，西瓜的固有频率随成熟度的增加而降低，坚实度指数与含糖量也存在明显的相关关系。果蔬坚实度的研究对果蔬按成熟度分级，果蔬存储过程的检测有很大的实用价值。但目前的研究成果距实用仍有较大差距，有些基本理论的问题尚不清楚。从发展趋势来看，无损检验方法将会替代M-T等损伤检验方法。(二)利用冲击力检测果蔬坚实度的方法利用冲击力检测果蔬坚实度的力学原理是弹性球体对刚性平面的跌落冲击问题。冲击力与弹性球(即果蔬)的质量、几何尺寸、材料弹性模量等参数有关。通过测得的冲击力估计或计算出材料的弹性模量，并与坚实度联系起来是研究的核心。有些科技工作者提出了一种非线性的球体与平板冲击的力学模型，并通过最小二乘法拟合出球体的刚度。利用这一原理开发了一种可记录梨、桃等果蔬受力与变形的试验装置。这种方法需要抓取果蔬，并在果蔬表面安装传感器，所以用于自动在线分级比较困难。Bluberry等设计了测量果蔬跌落在刚性平板的冲击力的装置，可利用冲击力的特征预测果蔬的坚实度。通过对冲击力信号进行傅立叶变换，发现未成熟的坚硬果蔬冲击力响应中含高频成分较多。Nahir和Stephenson研究了番茄的冲击力时域特征，并用于番茄坚实度分级。他们开发了一种传送带，将番茄从7cm高度落在力传感器上，根据冲击力估计番茄的坚实度，可将番茄分成3个等级。采收后的水果往往是不同成熟度(过成熟、刚成熟和未成熟)相混杂。过熟的水果极易受机械损伤、变质腐烂，影响其他水果；不同成熟度的水果品味不一样，其贮藏、运输和加工要求也不同。因此，实现水果按成熟度分级十分必要。通常成熟度判断大都采用破坏方法，如硬度、糖酸度测量；也有非破坏法，如按颜色、呼吸强度进行分类等，但一般只能作定性判断，不适用于机械化自动分级。而用手工和目测进行成熟度分级，精确度差、生产率低。一般来说，成熟度与硬度之间也有相关关系，为此，通过研究与硬度有关的水果冲击力学特性，建立起恢复系数、能量吸收率和冲击力时间特性参数等与硬度关系的数学模型，可为设计水果快速检测仪和自动分级机提供科学依据。西瓜内部结构分为瓜皮和瓜瓤。从力学角度看，瓜瓤各部位性能相差较大，瓜瓤又可分为3层，第1层为接近瓜皮部分，第2层为中间层，第3层为中心部分。举例：西瓜成熟度的检测西瓜在成熟过程中，瓜皮的硬度和弹性模量逐渐增加，但内部瓜瓤组织细胞间的结合力随西瓜的逐渐成熟而变小。因此，瓜瓤变得松、脆，瓜瓤的弹性模量随西瓜的成熟逐渐变小。为了解西瓜各部位的力学性能和数值模拟计算的方便，对某一品种西瓜的皮、瓤弹性模量进行了试验测量，表4-1给出了对应的检测数据。试验表明，瓜皮的弹性模量是瓜瓤的5倍左右，瓜瓤的各部分弹性模量也不相同，但差异不显著；从两个西瓜的对比来看，瓜皮之间的弹性模量差别不大(10％)，而瓜瓤的弹性模量则差别较大(20％以上)。所以，可以采用冲击振动方法无损检测西瓜的成熟度。冲击振动响应方法检测西瓜成熟度的原理西瓜外形一般为不规则的椭球状，但其长、短轴相差较小，作为近似和简化，西瓜可以视为多层球状弹性体。当其受到瞬态冲击时，球体将产生振动响应。按照弹性体振动理论，由冲击造成的振动响应频率是弹性体的固有频率。球体的固有频率与其材料的密度、几何尺寸和弹性模量等因素有关，可由球体振动的微分方程解出，也可以通过实验得到。可以证明，球体的拉压弹性模量E与固有频率f、质量m之间的关系为：E∝f2·m2/3。可见，当已知西瓜的固有频率和质量后，就可以确定其弹性模量。采用锤击激励，测量瞬态激励产生的响应。激励力和振动响应信号经电荷放大器放大后送至动态信号分析仪，经过快速傅立叶变换运算（FFT）得到西瓜的频率响应函数，经过函数分析得到固有频率。