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1、食品无损检测食品无损检测潘磊庆潘磊庆南京农业高校食品科技学院南京农业高校食品科技学院05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院2第三章第三章 电学特性检测电学特性检测 了解：了解：1.1.电特性检测食品和农产品特性的应用。电特性检测食品和农产品特性的应用。驾驭：驾驭：1.1.电特性的主要参数；电特性的主要参数；2.2.食品和农产品电特性的常用检测仪器和方法。食品和农产品电特性的常用检测仪器和方法。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院3 食品与农产品电特性的变更主要表现：介电常数食品与农产品电特性的变更主要表现：介电常数(电容电容率率)、电导率、电阻、电容等。、电导率、电阻、电容等
2、。广义上电特性分为：主动电特性和被动电特性两种类广义上电特性分为：主动电特性和被动电特性两种类型。型。主动电特性：食品与农产品物料中存在的某些能量源主动电特性：食品与农产品物料中存在的某些能量源而产而产 生的电特性，其能量源可能产生一个电生的电特性，其能量源可能产生一个电动势或动势或 电势差，在生物系统中表示为生物电势，电势差，在生物系统中表示为生物电势，在压在压 电晶体中表现为应变诱导电势；电晶体中表现为应变诱导电势；05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院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电场和电 流流(电荷电
3、荷)的分布特性，还可影响电场中食的分布特性，还可影响电场中食品与农产品与农产 品的行为，是由食品与农产品物料的化品的行为，是由食品与农产品物料的化学成分和物学成分和物 理结构所确定的固有特性。理结构所确定的固有特性。表现变更：表现变更：电导率、介电常数、击穿电位、电导率、介电常数、击穿电位、刺激电位等。刺激电位等。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院5一、电磁场一、电磁场 在真空中电磁波的波长与频率在真空中电磁波的波长与频率/的关系可用下式表示：的关系可用下式表示：电磁波的波长，电磁波的波长，m；f电磁波的频率，电磁波的频率，Hz；c真空中光速，真空中光速，c=3108m/s。第一节
4、第一节 电特性的主要参数电特性的主要参数05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院6 对于不同波段的电磁波，运用波数概念。对于不同波段的电磁波，运用波数概念。定义：每厘米长度内出现完整波形的个数。定义：每厘米长度内出现完整波形的个数。电磁波的波长，电磁波的波长，cm；电磁波的波数，电磁波的波数，cm-1。二、电阻与电阻率二、电阻与电阻率 电阻是电流通过导体时受到的阻力。电阻常用电阻是电流通过导体时受到的阻力。电阻常用R表表示，单位欧姆示，单位欧姆()。电阻器通常被认为是消耗电能量变成热能的元件。电阻器通常被认为是消耗电能量变成热能的元件。电阻棒长为电阻棒长为d，截面积为，截面积为S，电阻可
5、用下式表示：，电阻可用下式表示：05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院7 电阻：是与物体的形电阻：是与物体的形态或大小有关的物体常数。态或大小有关的物体常数。电阻率电阻率：是物质常数，：是物质常数，即它与组成物体的物质属即它与组成物体的物质属性有关，与物体的大小或性有关，与物体的大小或形态无关。形态无关。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院8 三、电容与介电常数三、电容与介电常数 式中：式中：C C电容器的电容量，电容器的电容量，F F；Q Q电容器蓄积的电量，电容器蓄积的电量，C C（库仑）；（库仑）；V V两极间的电压，两极间的电压，V V；D D两极间的距离，两极间的距
6、离，m m；S S电极的表面积，电极的表面积，m m2 2；r r物质的相对介电常数物质的相对介电常数 =材料介质的电容量材料介质的电容量 真空介质的电容量真空介质的电容量 0 0物质的真空介电常数，物质的真空介电常数，F/mF/m。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院9v 介质的介电常数可表示为：介质的介电常数可表示为：=0r=0r，一般状况下，一般状况下，r 0r 0。v 相对介电常数：相对介电常数：v 空气空气 1.0006 1.0006；水水 81.57 81.57；v 木材木材 2.5 2.57.77.7；纺织材料纺织材料2 25 5。v 注：注：由于水比食品与农产品物料的
7、相对介电常数大几十由于水比食品与农产品物料的相对介电常数大几十倍，因此可以依据物料介电常数的不同来测定食品与农产品倍，因此可以依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。物料的含水率。介电常数愈大，物料的含水率愈高。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院10四、阻抗与复电容量四、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大多数食品和农产品不属于导体和绝缘体两种极限状况，而是介于二者之间。往往将电阻器和电容器串联或状况，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并联起来考虑以复数形式来描述。串联电路
8、：两个元件看成一个假想电阻，以复数串联电路：两个元件看成一个假想电阻，以复数Z*。表示其阻抗。表示其阻抗。并联电路：可视为一假想电容，用复电容并联电路：可视为一假想电容，用复电容C*表示。表示。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院1105 十一月 2022南京农业高校食品科技学院12五、介电损耗五、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，使分子间发随着
9、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，因而介质将吸取的一部分电能转生碰撞和摩擦。摩擦消耗能量，因而介质将吸取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，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。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：可用单位时间、单位体积介质放出的热能表示：Q：电场消耗的功率，：电场消耗的功率，W/cm2；f：电场频率，：电场频率，Hz；E：电场强度，：电场强
10、度，V/m；：物物质的介的介电常数，常数，F/m;tan：介电损耗角的正切。：介电损耗角的正切。tantan称为称为介电损耗因数介电损耗因数，是反映材料介电性质的参数，它与电场频率以，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。及材料结构有关。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院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取，水分很快蒸发，而材料本身因吸取能量少，温度比较低。食品与农产品中含水分越多，吸取的能量越多，水分蒸发越快。随着材料的渐渐干燥，介质耗散渐渐削减。利用介电损耗原理，
11、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。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院14其次节其次节 常用仪器与方法常用仪器与方法一、常用仪器一、常用仪器 电特性检测的主要内容包括电阻率、电导率、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。电容量、介电常数等项目。设备主要是设备主要是LCRLCR和和LCZLCZ。LCR LCR：代表电感、电容、电阻，指用来测试电：代表电感、电容、电阻，指用来测试电感、电容、电阻的。感、电容、电阻的。LCZ LCZ：代表电感、电容、阻抗，也就是用来测：代表电感、电容、阻抗，也就是用来测试电感、电容、阻抗。试电感、
12、电容、阻抗。例如：例如：v利用电特性检测茶叶品质的探讨中运用的就是利用电特性检测茶叶品质的探讨中运用的就是LCRLCR数字式检数字式检测仪。测仪。v该仪器接受微机限制的自动测量电容和阻抗的仪器，内置信该仪器接受微机限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；号发生器，并配有微机接口和测试夹具；v接受了四端电桥测量原理，可用并联或串联等效电路形式干接受了四端电桥测量原理，可用并联或串联等效电路形式干脆测定电极两端的电容和电阻、阻抗膜和幅角。脆测定电极两端的电容和电阻、阻抗膜和幅角。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院16LCR-612 LCR数字电桥数字电
13、桥 05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院17二、常用方法二、常用方法 主要有四种：主要有四种：切片法、突刺法、接触法和非接触法切片法、突刺法、接触法和非接触法。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院18 切片法是将被测物料加工成规则的形态后，放人平行电切片法是将被测物料加工成规则的形态后，放人平行电极间检测其电特性；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；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干脆放人平行电极且保持电极与物接触法是将被测物料干脆放人平行电极且保持电极与物料的接触，检测其电特性；料的接触，检测其电特性；非接触
14、法则是将被测物料放于一组平行电极间，在不与非接触法则是将被测物料放于一组平行电极间，在不与电极干脆接触或通过其他介质电极干脆接触或通过其他介质(如接受水槽如接受水槽)的状况下检测的状况下检测物料的电特性。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全部的食品与农产品法和接触法以及非接法则能适用几乎全部的食品与农产品的快速检测，并且不受其形态的影响。的快速检测，并且不受其形态的影响。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院19第三节第三节 静电特性的检测静电特性的检测 一、利用作物生理电阻检测
15、需水信息一、利用作物生理电阻检测需水信息 农业生产常常用土壤含水量作为浇农业生产常常用土壤含水量作为浇灌指标，但对作物缺水而言，土壤含水量灌指标，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更为依据，才好以作物本身内在信息的变更为依据，才显得更合理。显得更合理。1 1植物生理电阻植物生理电阻 原理：干旱缺水植株体液浓度增高，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。反映在电导率增高，电阻下降。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院20 方法：在植物茎秆上插入两根金属方法：在植物茎秆上插入两
16、根金属(不锈钢不锈钢)针，测量两电极间的生理电阻，针，测量两电极间的生理电阻，用电阻值的变更反映植株亏水程度。对一株干旱状态的玉米，在玉米茎秆第用电阻值的变更反映植株亏水程度。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(k)。（A：电流上：电流上下；下；B：下：下上；上；C：更干旱）：更干旱）图图3-10表明：生理电阻值与电极截取的玉米茎秆长度表明：生理电阻值与电极截取的玉米茎秆长度L(mm)成线性正比。成线性正比。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院21二、生物电
17、特性鉴别受精蛋二、生物电特性鉴别受精蛋1.原理原理 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簇新度之间存在较大的相关性，可以鉴别和剔除无精蛋、弱及蛋品簇新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。精蛋和死胚蛋。2.鸡蛋生物电测试系统鸡蛋生物电测试系统 鸡蛋的各种内容物鸡
18、蛋的各种内容物(胚胎、蛋黄、蛋白胚胎、蛋黄、蛋白)之间的电位差产生一个电之间的电位差产生一个电场，其电场的变更可在蛋壳外测得。但鸡蛋的生物电信号很微弱，场，其电场的变更可在蛋壳外测得。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，须要有一套高性能的测试系统。为了将其精确地检测并记录下来，须要有一套高性能的测试系统。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院22 鸡蛋生物电位测量方法及等效电路如图鸡蛋生物电位测量方法及等效电路如图3-153-15所示。通过两个电所示。通过两个电极测得的上述电位的极测得的上述电位的矢量和矢量和，即为即为鸡蛋的生物电位鸡蛋的生物电位。05 十一月 20
19、22南京农业高校食品科技学院23 鸡蛋生物电检测系统如图鸡蛋生物电检测系统如图3-163-16所示。它包括电极、鸡蛋夹紧装所示。它包括电极、鸡蛋夹紧装置、放大器、置、放大器、A AD D采集器、计算机和监控示波器等。采集器、计算机和监控示波器等。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院24 2 2鸡蛋生物电信号的测试及分析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。通过受精蛋与无精蛋的生物电信号的波形有较大的差异。通过100100只样本只样本(60(60只种蛋和只种蛋和4040只无精蛋只无精蛋)连续连续l0dl0d的跟踪观测；的跟踪观测；发觉：发觉：无精蛋的
20、电信号的波幅很小，其时域信号大多近乎直线；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。受精蛋的生物电信号较为丰富。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院25三、种子静电清选分级装置三、种子静电清选分级装置 传统传统:机械式清选分级装置。机械式清选分级装置。工作原理工作原理:利用种子与混杂物之间以及种粒之间利用种子与混杂物之间以及种粒之间的机械物理特性的机械物理特性(如外形尺寸、密度、表面粗糙度如外形尺寸、密度、表面粗糙度和悬浮速度等和悬浮速度等)进行风选、筛选或窝眼精选。进行风选、筛选或窝眼精选。但是试验证明但是试验证明:种子的机械物理特性并不能完全种
21、子的机械物理特性并不能完全反映出种子的内部品质反映出种子的内部品质种子活力，依据机械物种子活力，依据机械物理特性所选出的种子并不确定是活力最高者。理特性所选出的种子并不确定是活力最高者。v种子生理学探讨表明：种子的电特性种子生理学探讨表明：种子的电特性(如膜电阻、介电常数如膜电阻、介电常数等等)与其活力相关。活力高的种子，膜电阻大、介电常数小；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。活力低的种子，膜电阻小、介电常数大。v基于上述缘由，可以借助电场力来实现按种子活力大小进行基于上述缘由，可以借助电场力来实现按种子活力大小进行清选分级清选分级.v静电分
22、选就是其中的一种方法。静电分选就是其中的一种方法。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院27 图所示为图所示为复合式静电选复合式静电选种机种机的结构原理。该机可以的结构原理。该机可以将种子按活力分级。将种子按活力分级。不同活力的种子由于不同活力的种子由于电特性（电导率）电特性（电导率）上的差异，上的差异，在进入静电场后，所受到的在进入静电场后，所受到的电场力不同，因而电场力不同，因而各自按不各自按不同的轨迹运动同的轨迹运动而入集种箱中而入集种箱中不同的分隔腔内，从而实现不同的分隔腔内，从而实现按种子的活力大小分级按种子的活力大小分级。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院28活
23、力低活力低活力高活力高劣质种子劣质种子杂物杂物 活力高，介电常数小；活力高，介电常数小；活力低，介电常数大。活力低，介电常数大。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院29第四节第四节 沟通电特性的检测沟通电特性的检测一、利用谷物的电特性检测含水率一、利用谷物的电特性检测含水率1.1.电特性的检测原理电特性的检测原理 谷物的电特性主要包括电阻特性和电容特性。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。其主要与含水率、品种和测试频率等因素有关。干燥状态：谷物电阻值高达干燥状态：谷物电阻值高达108108以上；以上；潮湿时：却像导体或半导体一样。潮湿时：
24、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。依据即：谷物既有电阻特性又有电容特性。依据谷物的结构和生物膜电特性探讨成果，谷物的结构和生物膜电特性探讨成果，RCRC并联电并联电路可作为谷物的等效电路。路可作为谷物的等效电路。谷物的电特性探讨常接受沟通电测定法测定谷谷物的电特性探讨常接受沟通电测定法测定谷物的电阻率和介电常数。物的电阻率和介电常数。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院30 谷物的谷物的电阻率电阻率主要与主要与其含其含水量水量和和测试频率测试频率有关。谷物的有关。谷物的电阻率与其含水量的关系如下：电阻率与其含水量的关系如下：式中，式中，、C分别分别为试验常数，由
25、被测谷物为试验常数，由被测谷物的品种、容重、测试频率，的品种、容重、测试频率，环境的温度和湿度等因素环境的温度和湿度等因素确定，其值通过试验确定。确定，其值通过试验确定。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院31 2谷物电特性检测的应用 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。接受介电常数测量技术。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。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。利用谷物和
26、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。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院32二、西红柿的电特性无损检测成熟度二、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。电介质都可以用志向电容和电阻组成的并联电路或串联电路介质都可以用志向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。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西红柿电特性的检
27、测系统主要组成部分是LCR电桥测量电桥测量仪和电极系统。仪和电极系统。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院33 在某一频率下：在某一频率下：成熟的西红柿成熟的西红柿(红色组红色组)的相对介电常数的相对介电常数最小最小；微成熟微成熟(微红组微红组)的相对介电常数处于的相对介电常数处于中间的位置中间的位置；未成熟的西红柿未成熟的西红柿(青色组青色组)的相对介电常数的相对介电常数最大最大。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院34 可以发觉，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，等效阻抗变更较快，而在高频时，等效阻抗变更较慢。另外，在确定的频率下，青色组
28、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推断西红柿的成熟度。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院35三、电特性检测茶叶的品质三、电特性检测茶叶的品质 传统：由评茶师通过感官审定的。感官评定包括干看传统：由评茶师通过感官审定的。感官评定包括干看审评外形、开汤审评内质两个方面，特别形、香气、汤色、审评外形、开汤审评内质两个方面，特别形、香气、汤色、味道和叶底等五个审评项目，每个项目又包含很多因子。味道和叶底等五个审评项目，每个项目又包含很多因子。电特性检测：茶叶的电容值电特性检测：茶叶的电容值(C值值)和电阻值和电阻值(R值值
29、)两个电两个电特性作为主要因素。特性作为主要因素。试验结果表明：试验结果表明：茶叶电容值随茶叶的等级的上升而增大，同时也随含水茶叶电容值随茶叶的等级的上升而增大，同时也随含水率的增加而增加，这两个因素对电容值的影响都是极显著率的增加而增加，这两个因素对电容值的影响都是极显著的。的。用含水率对电容值进行一元线性回来分析，得到回来方用含水率对电容值进行一元线性回来分析，得到回来方程的相关系数大于程的相关系数大于0.966。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院36第五节第五节 电特性检测的应用电特性检测的应用 水果、蔬菜的成熟度、损伤的快速检测，水果、蔬菜的成熟度、损伤的快速检测，饮料、啤
30、酒、乳制品的细菌检测和保存期、平安期饮料、啤酒、乳制品的细菌检测和保存期、平安期的限制。的限制。苹果：苹果：在在300-900kHz300-900kHz的频率范围内苹果的介电常数与的频率范围内苹果的介电常数与成熟度有着特别亲密的关系成熟度有着特别亲密的关系 不成熟的苹果的介电常数值在全频率范围内几不成熟的苹果的介电常数值在全频率范围内几乎不变更，大约为乎不变更，大约为4444；而成熟的苹果则在该频率范；而成熟的苹果则在该频率范围内随着频率的增加从围内随着频率的增加从3434左右下降到左右下降到2020旁边。旁边。无伤的苹果，阻抗随着贮存时间的延长有较大无伤的苹果，阻抗随着贮存时间的延长有较大的增加；损伤的苹果，阻抗却随着贮存时间的延长的增加；损伤的苹果，阻抗却随着贮存时间的延长有所下降。有所下降。05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院3705 十一月 2022南京农业高校食品科技学院38 一些水果蔬菜的电特性的应用状况一些水果蔬菜的电特性的应用状况 05 十一月 2022南京农业高校食品科技学院3905 十一月 2022南京农业高校食品科技学院40