食品品質(zhì)無損檢測新技術利用電特性的檢測技術

2024/10/71第三章利用電特性的檢測技術

第一節(jié)電特性的主要參數(shù)

第二節(jié)利用靜電特性的檢測技術

第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術第四節(jié)電特性檢測的常用儀器與方法第五節(jié)利用電特性檢測的應用實例2024/10/72第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)1．電磁場2．電阻與電阻率3．電容與介電常數(shù)4．阻抗與復電容量5．介質(zhì)耗散6．交流特性和松弛2024/10/73第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)1.電磁場

對于不同波段的電磁波，時常使用波數(shù)的概念。波數(shù)的定義是每厘米長度內(nèi)出現(xiàn)完整波形的個數(shù)，波數(shù)與波長的關系如下：式中：λ………電磁波的波長，nm；

ν………電磁波的波數(shù)，cm-1。真空中電磁波的波長與頻率的關系可用下式表示：2024/10/74第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)2.電阻與電阻率

這里電阻R是物體的常數(shù)，而與形狀或大小無關的電阻率ρ則是物質(zhì)的常數(shù)，同樣ρ的倒數(shù)被稱為電導率或電傳導度。

如果電阻棒長d，斷面積S，那么電阻可用下式表示：2024/10/75第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)歐姆定律

電場是產(chǎn)生電流的必要條件，導體中有電流通過時，導體兩端必定有電位差。我們稱導體兩端的電位差為電壓。精確的實驗證明，在穩(wěn)恒條件下，通過一段導體的電流強度和導體兩端的電壓成正比，這個結(jié)論叫做歐姆定律。式中的比例系數(shù)R由導體的性質(zhì)確定，叫做導體的電阻。RIU2024/10/76第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)3.電容與介電常數(shù)

一個孤立的帶電導體，電量為Q，電勢為U，理論和實驗都可以證明，隨著Q的增加，U將成比例增加，即Q/U為一常量，用C表示：C=Q/U

1F=106微法(μF)=1012微微法(μμF)C

稱為導體的電容，它的物理意義是使導體的電勢提高一個單位所需的電量。電容的單位是法拉，簡稱法（F）。2024/10/77第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)平板式電容器

平板式電容器的電容量為：當兩平板之間為真空時ε0

為絕對介電常數(shù)(單位：F/m)d……………

兩電極間的距離，m；S……………

電極的表面積，m2；

……

物質(zhì)的相對介電常數(shù)。

2024/10/78第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)

的由來——庫侖定律

兩個點電荷之間的相互作用力的大小與它們的帶電量q1，q2的乘積成正比，與它們之間距離r

的平方成反比，作用力方向沿著它的聯(lián)線，同號電荷相斥，異號電荷相吸。

這里k是比例系數(shù)，它的數(shù)值由實驗確定，在不同的單位制中，k

將有不同的數(shù)值。在國際單位制中，力的單位是牛頓（N），長度單位是米（m）,電量的單位是庫侖（C），則k≈8.99×109N·m2·C-2。2024/10/79第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)4.阻抗與復電容

食品與農(nóng)產(chǎn)品的電特性是介于導體和絕緣體之間?？陀^表示它們的電特性，是將電阻器和電容器串聯(lián)或并聯(lián)起來考慮問題。導體中，電是以自由電子的形式出現(xiàn)；絕緣體中，占主導地位的卻是約束電荷。通常必須采用兩個參數(shù)（R，C）來描述介于導體與絕緣體之間物質(zhì)的電特性，以復數(shù)形式來描述物質(zhì)的電特性。

阻抗與復電容量2024/10/710第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)式中：R電阻；X阻抗；ε介電常數(shù)；

ε’

介電耗散因素。2024/10/711第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)4.阻抗與復電容

另一種表示方法

其中：2024/10/712第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)5.介質(zhì)耗散

電介質(zhì)中的極性分子在交變電場作用下極化，分子部分地沿著電場方向定向排列，隨著電場方向的變換，使分子間發(fā)生碰撞和摩擦。摩擦使部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽Q為介質(zhì)耗散。頻率愈高，介質(zhì)放出熱愈多。提高電場強度，放出熱量也增多。此外，介質(zhì)耗散還和介質(zhì)的介電性質(zhì)有關。Q……電場消耗的功率，W/cm3；f……………電場頻率，Hz；E………電場強度，V/m；ε………物質(zhì)的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；tanδ…介質(zhì)耗散的正切。

2024/10/713第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)6．交流特性和松弛

并聯(lián)電路兩端施加交流電壓U，電流將分別流過電阻和電容器。流過電阻的電流IR以與所施加電壓U

相同的相位流過，消耗成為熱能；流過電容器的電流IC則以與所施加電壓U成90°的相位流過，以電能形式貯存起來。所以，流過的全部電流I是矢量和，φ

稱為相位角，cos

φ

稱為功率因素，δ

為耗散角，tanδ

稱為耗散正切，它是所消耗的能量與所蓄積的能量之比。

IICIR電流的矢量和IUδφ2024/10/714第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)吸收與松弛

當頻率增大時，由于偶極子取向的速率趕不上頻率，這時IC值較小。因此，復介電常數(shù)的實部ε就隨之減少。這種復介電常數(shù)隨頻率減少的變化叫做耗散，而相反的增加變化叫做吸收，兩者一并被稱為松弛。

2024/10/715第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)電特性的主要物理量表現(xiàn)內(nèi)容物理常量物質(zhì)常量導體的性質(zhì)電阻R復阻抗Z電阻率р電導率K絕緣體的性質(zhì)電容量C復電容量C’介電常數(shù)?復介電常數(shù)?’2024/10/716第三章利用電特性的檢測技術第一節(jié)電特性的主要參數(shù)電特性的測量方法的分類◆測定物料電特性的難度較大，一般可分成非破壞性和破壞性兩種方法，非破壞性（無損）的難度更大?！羝茐男詸z測方法有切片法和突刺法，切片是將被測樣品加工成規(guī)則形狀后，再放入平行平板電極間測定，突刺法采用探針電極刺入被測樣品內(nèi)進行測定?！魺o損檢測方法分為接觸式和非接觸式，接觸式是將被測樣品直接放入平行平板電極，非接觸式是將被測物放入一組平行平板電極間且浸入水槽中測定。2024/10/717第三章利用電特性的檢測技術第二節(jié)利用靜電特性的檢測技術

第二節(jié)利用靜電特性的檢測技術一、利用作物生理電阻檢測需水信息1．植物生理電阻

干旱缺水植株體液濃度增高，反映在導電率增高，電阻下降，因而可以在植物莖桿上插入兩根金屬針，測量兩電極間的生理電阻，用電阻值的變化反映植株虧水程度。2024/10/718第三章利用電特性的檢測技術第二節(jié)利用靜電特性的檢測技術

套針式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示，不銹鋼針(正極)被細塑料管或環(huán)氧樹脂包裹絕緣，裝在不銹鋼套針中(負極)，再用環(huán)氧樹脂牢固地錨嵌在尼龍手柄中，接出正負兩根導線與電阻表連接構(gòu)成通路，測量出針尖點的植物生理電阻值。

2．套針式點電阻傳感器2024/10/719第三章利用電特性的檢測技術第二節(jié)利用靜電特性的檢測技術

葉子中的有機化合物沿著莖的韌皮部篩管向下輸送至根部，液流不僅沿管道上下移動，也穿過維管束系統(tǒng)的薄壁組織進行橫向的運動。因此植株莖桿橫切面上細胞液濃度有差別。莖桿橫截面生理電阻分布，表現(xiàn)出中心濃度低(電阻大)，周邊濃度高(電阻小)，圖中a的變差較小。b的變差較大。3．橫截面生理電阻分布2024/10/720第三章利用電特性的檢測技術第二節(jié)利用靜電特性的檢測技術

莖節(jié)位置12345A株3838384848B株4646464555C株4844465585平均44434349634．植物縱向生理電阻分布

從植株莖桿水勢講，玉米桿基部比梢部更具負值(吸力)，每高lm要損耗0.3~0.4×l05

Pa的勢差。反映在植株生理電阻情況是下基部汁液濃度高，電阻小，頂部汁液濃度低，電阻大。

2024/10/721第三章利用電特性的檢測技術第二節(jié)利用靜電特性的檢測技術

土壤含水量的高或低，在植物生理電阻上有反映，土壤干旱時，根系吸水困難，植株體細胞液濃度高，生理電阻小，土壤水分充足時，植株不缺水。細胞液濃度低，生理電阻大。

5．生理電阻與土壤含水量2024/10/722第三章利用電特性的檢測技術第二節(jié)利用靜電特性的檢測技術

6．生理電阻與葉面蒸騰

生理電阻與葉面蒸騰速率的關系葉面蒸發(fā)速度

Z/（g/m2h）生理電阻

R/kΩ

植株根系從土壤中吸收水分，再通過葉面蒸騰回到大氣中去，如果蒸騰量Z大于根系吸水量S，其差值就反映了水分虧缺值。2024/10/723第三章利用電特性的檢測技術第二節(jié)利用靜電特性的檢測技術

二、利用生物電特性鑒別受精蛋

它包括電極、雞蛋夾緊裝置、放大器、A/D采集器、計算機和監(jiān)控示波器等。電極從蛋殼外采集的電信號送入放大器后分成兩路，一路接示波器，一路接A/D采集器。采樣后數(shù)據(jù)送入PC機，供處理分析用。雞蛋生物電檢測系統(tǒng)圖1．雞蛋生物電測試系統(tǒng)

2024/10/724第三章利用電特性的檢測技術第二節(jié)利用靜電特性的檢測技術

2．雞蛋生物電信號的測試及分析2024/10/725第三章利用電特性的檢測技術第二節(jié)利用靜電特性的檢測技術

1．電阻式土壤水分傳感器的結(jié)構(gòu)

土壤通常是導電的，其電阻率隨著含水率的變化而變化。電阻式土壤水分傳感器就是基于這種原理進行檢測的。傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。傳感器的結(jié)構(gòu)1-電極引線；2-內(nèi)電極；3-外電極；4-石膏體三、利用電阻檢測土壤含水率2024/10/726第三章利用電特性的檢測技術第二節(jié)利用靜電特性的檢測技術

2．電阻與土壤含水率的關系

對石膏體而言，水勢與其含水率與檢測電極間的電阻之間有一一對應的函數(shù)關系，這種關系不隨土壤的質(zhì)地、種類的不同而不同。S……土壤水吸力，Pa；

……土壤含水率，%；

……土壤飽和含水率，%；

a、b、A、m、n……

實驗常數(shù)。2024/10/727第三章利用電特性的檢測技術第二節(jié)利用靜電特性的檢測技術

四、種子靜電清選分級裝置

種子生理研究表明，種子的電特性（如膜電阻、介電常數(shù)等）與其活力相關?；盍Ω叩姆N子，膜電阻大、介電常數(shù)??；活力低的種子，膜電阻小、介電常數(shù)大。基于上述原因，可以借助電場力來實現(xiàn)按種子活力大小進行清選分級，靜電分選就是其中的一種。圖3-19復合式靜電選種機結(jié)構(gòu)原理1-機架；2-篩箱；3-集種箱；4-負電極；5-風機；6-沉降室；7-滑板；8-滾筒；9-升運管；10-料斗2024/10/728第三章利用電特性的檢測技術第二節(jié)利用靜電特性的檢測技術

種子在滾筒上所受的力有：離心力Fω、重力P、摩擦力Ft、支承力N和電場力Fe。當種子所受各力處于平衡狀態(tài)時，上述各力的矢量和為零，即：

2024/10/729第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術一、利用谷物的電特性檢測含水率谷物的電特性主要包括電阻特性和電容特性。其主要與含水率、品種和測試頻率等因素有關。干燥狀態(tài)下的谷物，像電介質(zhì)一樣，其電阻值高達108Ω以上，而潮濕時，卻像導體或半導體一樣。因此，這就決定了谷物既有電阻特性又有電容特性。根據(jù)谷物的結(jié)構(gòu)和生物膜電特性研究成果，RC并聯(lián)電路可作為谷物的等效電路。2024/10/730第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術

谷物的電特性研究常采用交流電測定法測定谷物的電阻率和介電常數(shù)，因為這兩個參數(shù)的實用價值較大。第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術R……谷物的電阻，Ω；C……谷物的電容，F(xiàn)；δ……谷物的介電耗散角；

f………測試頻率，Hz；ρ…

電阻率，Ωmm2/m；ε……介電常數(shù)，F(xiàn)/m；S……容器截面積，mm2；L……電極距離，m；tanδ

……介電耗散正切。2024/10/732第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術，，

谷物的電阻率主要與其含水率和測試頻率有關。谷物的電阻率與其含水率的關系如下：式中：aω、Cω分別為實驗常數(shù)，由被測谷物的品種、容重、測試頻率，環(huán)境的溫度和濕度等因素決定，其值通過實驗確定。結(jié)論：谷物的電阻隨其含水率的增加以指數(shù)形式減少。原因：谷物是生命體，含水率低時，細胞中的原生質(zhì)呈凝膠狀態(tài)，離子運動十分緩慢，生理活動極其微弱，因此細胞電阻很大，谷物的宏觀電阻率也很大；隨著谷物含水率的增加，細胞水勢急劇上升，代謝加快，細胞中的離子運動迅速增大，降低了細胞的電阻，宏觀電阻率也隨之迅速下降。谷物的介電常數(shù)與其含水率的關系如下：利用谷物的電特性進行品質(zhì)檢測介電常數(shù)測量技術電特性檢測內(nèi)部品質(zhì)電特性進行谷物干燥谷物電特性檢測的應用2024/10/735第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術

二、利用西紅柿的電特性無損檢測成熟度

西紅柿屬于生物體，故它也可以看成是電介質(zhì)。電介質(zhì)都可以用理想電容和電阻組成的并聯(lián)電路或串聯(lián)電路來等效。由于電介質(zhì)的等效電阻很大，因此，并聯(lián)等效電路與電介質(zhì)的實際性能相符合。

西紅柿電特性檢測系統(tǒng)圖2024/10/736第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術

采用新鮮的青（未成熟）、微紅（微成熟）和紅（已成熟）不同成熟度且形狀規(guī)則、大小一致和無損傷的西紅柿為分析檢測樣品。固定兩電極板間距，實際檢測時需要保持西紅柿的頂部與上電極板的距離為定值。西紅柿相對介電常數(shù)與頻率的關系西紅柿等效阻抗與頻率的關系2024/10/737第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術

三、利用電特性檢測茶葉的品質(zhì)茶葉的品質(zhì)國內(nèi)外歷來都是由評茶師通過感官審定的。感官評定包括干看審評外形、開湯審評內(nèi)質(zhì)兩個方面。外形、香氣、湯色、滋味和葉底等5個審評項目。正確評定的難度很大。這種方法既要求評茶師有豐富的經(jīng)驗和技藝，又要求他們不受主客觀條件的影響。在茶葉生產(chǎn)、流通過程中有一個嚴格、公證和統(tǒng)一的標準，采用儀器檢測茶葉的品質(zhì)是有效的手段之一。

2024/10/738第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術

以茶葉的電容值（C值）和電阻值（R值）兩個電特性作為主要因素，為提高檢測精度將茶湯電導、干茶容重等物理性狀等作為參考因素，對茶葉的品質(zhì)進行檢測鑒定。研究表面，通過1~2個茶葉的電特性參數(shù)來評定茶葉品質(zhì)的方法是可行的，其中尤其以電容參數(shù)的影響最為明顯。對全國主要的7套炒青標準樣及杭炒青、平炒青2套生產(chǎn)樣的檢測均反映出一致的規(guī)律性，其中對原商業(yè)部指定鑒定用茶樣的檢測結(jié)果的判斷正確率達94%。

2024/10/739第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術

四、利用介電常數(shù)檢測酵母的濃度1．發(fā)酵過程的檢測方法

傳統(tǒng)檢測發(fā)酵液中生物量（生物體積）的方法是離線的，主要有干重法、光密度法和亞甲基藍染色法等。干重法看成是一種參照方法，因為用其他方法測得的生物量一般都要與用干重法測得的數(shù)值相對照。光密度法是另一種參照方法，當用一定波長的光線照射發(fā)酵液時，酵母和顆粒狀懸浮物對光有反射和散射作用。用細胞計數(shù)器或用亞甲基藍染色，然后用顯微鏡觀察計數(shù)。

2024/10/740第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術

理論依據(jù)是Maxwell效應(或稱為Maxwell-Wagner分布)，即發(fā)酵液的介電常數(shù)對于酵母濃度和測量頻率的依賴性。2．介電常數(shù)檢測的理論基礎設酵母的形狀是球形的，在一定測量頻率范圍內(nèi)(0＜f＜∞），發(fā)酵液的相對介電常數(shù)可表示為：

r…酵母的平均半徑m；Cm…細胞膜單位面積的電容F／m2；εo…是真空中的介電常數(shù)F/m；P…體積系數(shù)，所有酵母菌的體積與發(fā)酵液體積的比；2024/10/741第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術若用水作為培養(yǎng)基，水的相對介電常數(shù)在60至85之間，其典型值是78，隨著溫度和電導率的不同，εf

會有所變化。培養(yǎng)基中加入酵母后，其介電常數(shù)會顯著增加。當測量頻率由高到低變化時，發(fā)酵液的介電常數(shù)會在培養(yǎng)基的介電常數(shù)基礎上逐漸增加。當培養(yǎng)基中沒有酵母時，即P=0，εf＝ε∞因此由于酵母的存在所引起的介電常數(shù)的變化為：Δεf=9PrCm/4ε0，其中Δεf稱為介電常數(shù)增量，它與體積系數(shù)P成正比。2024/10/742第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術

發(fā)酵液的介電常數(shù)和電導率是兩個獨立的參數(shù)，但要把它們準確地測量出來并非易事，特別是當發(fā)酵液的介電常數(shù)比較高時更是如此。

發(fā)酵液介電常數(shù)的檢測系統(tǒng)示意圖3.測量系統(tǒng)簡介2024/10/743第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)利用交流電特性的檢測技術

如果在發(fā)酵液中放置一對電極(構(gòu)成了一個電容器)，設電極的表面積為A。距離為d，則發(fā)酵液的介電常數(shù)εf

與電極電容C之間有如下關系：或其中：上面的式子中，d/A定義為電極常數(shù)，其單位為cm-1，電極常數(shù)與電極的形狀和電極尺寸有關。Δεf

經(jīng)過標定之后，用來指示酵母濃度。2024/10/744

電極示意圖第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)

利用交流電特性的檢測技術

電極由工程塑料棒、橡膠密封圈、引線和鉑電極組成。為了克服極化電壓對測量結(jié)果的影響，電極用鉑片制作，電極具有同軸圓桶形結(jié)構(gòu)，內(nèi)電極的直徑大約為5mm，外電極的直徑大約為14mm。在外電極上鉆有許多小孔，一方面使得酵母容易通過，另一方面使得內(nèi)、外電極的面積盡量相等。特制的電極2024/10/745第三章利用電特性的檢測技術第三節(jié)

利用交流電特性的檢測技術

4．麥芽汁的檢測結(jié)果與分析2024/10/746第三章利用電特性的檢測技術第四節(jié)

電特性檢測的常用儀器與方法第四節(jié)

電特性檢測的常用儀器與方法1．食品與農(nóng)產(chǎn)品電特性檢測的常用儀器

電特性的檢測的主要內(nèi)容包括電阻率、電導率、電容量、介電常數(shù)、磁通量和電流電壓的相位角等項目。食品與農(nóng)產(chǎn)品的電特性檢測使用的設備主要是LCR檢測儀和電橋等常用儀器。在電特性檢測中，電極是專用或?qū)ｉT設計制造的。電極的好壞直接影響到檢測數(shù)據(jù)的準確性、重復性和可靠性。2024/10/747第三章利用電特性的檢測技術第四節(jié)

電特性檢測的常用儀器與方法食品與農(nóng)產(chǎn)品電特性的檢測方法主要有4種：切片法，突刺法，接觸法和非接觸法。2．食品與農(nóng)產(chǎn)品電特性檢測的常用方法2024/10/748第三章利用電特性的檢測技術第四節(jié)

電特性檢測的常用儀器與方法

在食品與農(nóng)產(chǎn)品的電特性的檢測中，被檢測物體可以看成是生物體，因此通常使用等效電路來模擬。2024/10/750第三章利用電特性的檢測技術第五節(jié)

利用電特性檢測的應用實例

第五節(jié)

利用電特性檢測的應用實例

利用物料的電特性進行快速檢測品質(zhì)的研究已經(jīng)歷了一段較長時間的發(fā)展階段。早在20世紀40年代就在農(nóng)植物的形狀和種類及生長過程的檢測