物料电特性检测研究与应用

辛倩倩+张学军+鄢金山+靳伟+宋玲

摘要：介绍目前国内外常用的电特性测量技术，以及其测量系统组成、优缺点、适用范围等，按相关研究领域列举物料电特性的应用现状，提出电特性技术研究的重点和方向，为物料电特性检测技术发展提供借鉴。

关键词 ：电特性；测量技术；应用；趋势

中图分类号：S125 文献标识码：A 文章編号：1674-1161（2017）07-0028-03

物料的导电特性和介电特性统称为电特性，其中介电特性是指分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性。因内部组织、结构、成分不同，导致物料组织内部含有大量等效中心不重合、带一定间距的极性分子，在电场的作用下表现出不同电特性，成为一种介于导体及绝缘体间的电介质。在外电场作用下，测量系统能够测量物料的电特性，包括电容率、电导率、介电损耗、电流密度等。

1 介电测量技术概述

在测定电特性参数时，需要将测试物料等价转换为电学系统，如图1所示。等效电路模型由1个电容和3个电阻构成。

1.1 平行极板技术

平行极板技术又称电容器技术，其利用电介质填充在电容器中电容容量的变化，测定物料样品的电特性。测量系统由LCR电桥测量仪、平行极板、物料样品、计算机等组成。此法的优点是测量原理简单、测量仪器成本较低、精度较高；缺点是测量频率范围较窄、要求物料样品为平板型，多适用于平板型固体材料的介电特性测量。

1.2 同轴探头技术

终端开路的同轴探头与物料接触，根据测试条件反馈到分析仪器的信号幅值和相位来计算物料的电参数和频率的关系。测量系统由网络分析仪、测试探头、测试软件和计算机组成。此法的优点是简单方便、精确度高；缺点是对物料样品的要求比较严格：非磁性，各向同性且同质，厚度大于1 cm，且截面应较大。此法适用于宽频带范围内的物料检测。

1.3 传输线技术

将物料放在密闭传输线中，通过线路负载引起的阻抗和传输特性变化来检测电特性参数。测量系统由矢量网络分析仪、计算机、测试软件组成。此法的优点是精度比较高，缺点是物料样品制备比较麻烦，要求样品断面形状与传输线的断面形状一致，适用于较窄频率范围检测。

1.4 自由空间技术

通过天线将网络分析仪发射的微波聚焦或通过物料样品得到反射和传输系数，并由此计算样品的电参数。测量系统由网络分析仪、发射和接受天线、软件和计算机组成。优点是非接触，实现无损检测；缺点是校准仪器比较麻烦，并要求物料样品为大平面薄板型，适用于高温或恶劣环境下电参数测量。

1.5 谐振腔技术

在一定频率下发生谐振迅速测量中心频率和品质因子，并通过计算得到一定频率下的介电常数。测试系统由网络分析仪、谐振腔、软件和计算机组成。优点是测量精度高且不需要校准网络分析仪，物料制备简单；缺点是要求物料为低损耗、小体积，且仅能在一个或几个频率下测量，分析较为繁琐，适用于高温或低温环境测量。

2 电特性应用领域

关于物质电特性的研究已获诸多成果，应用研究领域也非常广泛，在灭菌灭虫、清选分级、无损检测、贮藏、加工、保鲜、土壤干旱检测等领域均有应用。

2.1 农产品加工过程在线监测

研究表明，介电特性检测可用于发酵过程中的活菌数等生物量检测、果蔬贮藏和分级过程检测、调理食品加工过程检测、食用油品质及油炸过程检测，干燥过程检测、鱼品质和冻结鱼体冷冻粉碎解冻等加工工艺检测。

羽仓义雄利用介电特性在线检测干燥加工过程中的产品含水量。秦文等研究发现，在温度60 ℃下热风干燥新鲜蔬菜，水分含量随干燥时间增加而下降，电容值变化趋势与水分变化相同，两者存在极显著的线性相关性。Ryszard Z等利用电特性参数值电容、电导、阻抗和电阻等检测苹果汁的浓度和品质，实现生产过程在线监控。

2.2 种子清选分选

介电特性与籽粒中的化学成分、生物质有密切联系，故可利用不同籽粒间的介电特性（导电性、电介质参透性、极化程度等）进行种子分选。与传统的机械分选相比，这种方法能分选出成熟度好、发芽率高、活力强的的优异种子。

Briggs等在20世纪初研究发现，水分含量与介电参数之间存在相关性，提出通过测量小麦种子电阻来获得水分含量。王庆惠等研制一种介电式种子分选机，通过对油白菜和苜蓿等小颗粒种子进行试验，得出以分选电压和滚筒转速为分选因素的回归方程和分选参数。

2.3 谷物含水率测定

国内外大量研究文献报道，可以通过检测介电特性来确定粮食谷物含水率，其中谷物湿度电测法是最具代表性的应用之一。目前，基于介电特性已成功研制出谷物水分快速测定仪，用以实现谷物干燥过程中的温度湿度测量，其简单准确，方便谷物收购、贮藏等。

程卫东采用同心圆式电容传感器对谷物干燥设备进行在线水分测量及控制，建立定流量条件下谷物水分与电容传感器振荡频率、谷物温度相关的数学模型。徐保江等根据物料含水率对介电常数的影响，得出物料介电特性与含水率之间的函数关系主要与物料品种有关的结论，并提出简便测定水稻、玉米和大豆3种物料含水率的方法。

2.4 果蔬内部品质测定

果蔬品质（含水率、新鲜度，成熟度、损伤程度、含糖量，酸度，硬度等）会对介电特性产生直接或者间接影响，所以可以将介电特性应用于果蔬品质检测与识别。研究表明，含水率是果蔬分级筛选、贮藏加工中的重要参数。

Nelson等开展关于果蔬介电特性的研究，奠定了介电检测果蔬品质的试验基础。Tulasidas等通过试验得出以含水率和温度为变量的葡萄的介电参数模型。Wen Qin利用叶类蔬菜水分含量、色泽、硬度等指标与介电常数的相关性，建立新鲜度与介电参数相关性模型。

2.5 土壤干旱监测endprint

微波遥感在土壤水分监测中具有某些独特的优越性，其原理是土壤介电特性与水分含量的密切关系。水的介电常数在常温下约为81，而干土的介电常数仅为3，且其介电常数随土壤湿度变化而变化。

马孝义用介电法测量土壤容重、化学成份、质地及其温度变化时发现，用介电法测量土壤水分是一种适应面广、精度较高的方法。田国良在对比分析几种遥感土壤湿度方法后，认为微波遥感可解决遥感土壤湿度问题。陈权等针对土壤介电常数到土壤水分之间的转换开展研究，并建立了适于微波辐射计和微波散射计监测的介电常数与土壤体积含水率转换的简化模型，具有良好的精度和实用性。

2.6 杀菌、消毒及识别虫害

用微波对食品（如常见的牛奶）杀菌消毒，可大大减少细菌和大肠杆菌的数量，使其达到国家食品卫生标准要求。与此同时，牛奶的营养成分不受任何影响，产品稳定性提高，能更好地被人体吸收。微波处理食品有升温快、杀菌效果好、作用时间短等优点。

陈新生利用微波对鱼丸、酱油、香肠等食品物料进行电特性和含水量测量，确定杀菌时间、功率密度等工艺参数，得到食品物料的介电机理和微波场升温理论模型，证实微波对食品灭菌有一定的非热作用。

2.7 食品无损伤检测

食品的组织、成分、结构、状态等与电特性有密切关系，研究食品电特性的目的是对食品的成分、组织、状态等品质进行检测和评价。

加藤宏朗对果品的试验研究发现，在100 Hz～100 kHz频段内，随着苹果新鲜度降低，果肉阻抗趋于增加，相对介电常数和介质损耗因数下降，由此研制出最早的真正意义上的介电特性果蔬无损检测系统。

2.8 微波诊断

肿瘤和周围组织有很明显的差异，且皮下组织的电特性变化能够通过测量微波反射系数反应出来，这奠定了微波诊断肿瘤的物理基础和可行性。

利用多层生物组织对微波的反射特性，用开口矩形波导探头作为传感器和人体直接接触，然后用微波反射系数来体现人体组织的电特性变化，通常由网络分析仪或六端口反射计测定。探头在近场区域与人体组织相互作用，此时可根据反射系数确定肿瘤的大小和深浅。

3 电特性技术研究展望

近年来，国内有关农产品、农作物及食品的电特性研究深度和广度取得较大进展，但因仪器和电特性的影响因素多而导致生产应用方面成果较少。

3.1 研究内容

从物料单一参数测量发展为联合多参数测量，以便共同反映物料综合内部品质。比如开展营养成分、含糖量、含酸度、新鲜度、可溶性固形物等内部品质与电特性的关系研究，并分析其影响机理。

3.2 测试方法

将电特性检测技术应用到实际生产中（如在线长时间连续检测方面），研究简单、精确、成本低廉、便携式和在线连续应用的检测技术，取得国际社会和优秀同行认可的研究成果，用于现实检测。

3.3 应用开发

相关文献大多研究粮食作物和主要水果的电特性，且测试层面的研究成果居多，实际转化为开发设备的成果较少。因此，今后的研究重点应为成果转化，使之成为真正造福社会的生产力。探索与交叉学科的合作，将计算机视觉系统和图像处理技术应用于电特性检测。

参考文献

[1] RYSZARD SZWABA， PIOTR KACZYNSKI， PIOTR DOERFFER， et al. Flow structure and heat exchange analysis in internal cooling channel of gas turbine blade[J]. Journal of Thermal Science，2016，25（4）：336-341.

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[3]王伟，郭文川，王川.可充电一体式粮食含水率检测仪的设计[J].农机化研究， 2016（9）：161-164.

[4] 郭文川.梨生长发育后期介电特性—生理特性和内部品质的关系[J].现代食品科技， 2015， 31（11）： 56-61.

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