介电特性在粮食水分检测中的应用

尹丽妍 吴文福 张亚秋

(吉林大学生物与农业工程学院，长春 130022)

介电特性在粮食水分检测中的应用

尹丽妍 吴文福 张亚秋

(吉林大学生物与农业工程学院，长春 130022)

针对介电特性在粮食水分检测中的广泛应用，全面介绍了影响粮食介电特性的5个因素，包括粮食含水率、空气湿度、测试频率、温度和容重，其中含水率影响介电特性的变化最大，这是以介电特性作为检测粮食水分的主要原因;另外分别介绍了这些影响因素对介电特性的影响情况。系统地阐述了国内外对介电特性在粮食水分检测研究中的发展现状，介绍了介电特性在非常规条件下——如粮食真空干燥中的应用，并指出目前粮食介电特性在水分检测研究中存在的问题和今后的发展趋势。

介电特性 粮食 水分检测 真空干燥

粮食水分的检测方法概括起来可分为无损检测和有损检测两大类。利用介电特性来检测粮食水分是无损检测重要方法之一。粮食是介于导体和绝缘体之间的电介物质，在外电场作用下呈现出一定的介电特性。近年来，对粮食介电特性的研究非常广泛，它对粮食水分的无损和快速检测的实现有着重要的意义。而对物料介电特性的研究主要包括对相对介电常数、损耗因数和损耗角正切的研究，其中相对介电常数反映了物质储存电场能量的能力，符号ε″;损耗因数反映物质消耗电场能量的能力，符号ε″;损耗角正切反映物质能量损失特性，是电容和电阻的综合反映，符号tanδ［1］。

1 粮食介电特性的影响因素

1.1 粮食的含水率和环境空气湿度

水分是影响粮食介电特性的重要因素，粮食中的水分可分为自由水和结合水。其中结合水不参加导电，但电特性分析时它仍保持强极性分子的介电特性［2］。在低水分情况下，粮食中的水基本都是结合水，在高水分下，自由水占主导地位。从电磁理论分析，粮食的介电特性是由粮食的各种成分及其分子结构的电特性所共同决定的，但大量试验测量表明，失去自由水的干燥粮食，相对介电常数很小，因此粮食的介电特性主要取决于自由水水分含量［3］。在低频下，自由水的介电常数接近80，而结合水的介电常数为4.5到5.0［4］，可安全储存谷物的介电常数一般为2～3，不同水分的粮食经过电容传感器，由于自由水含量不同，使电容传感器内介质的介电常数发生变化［5］，这就为通过对介电特性的测定而确定粮食含水量提供了理论根据，可实现快速检测。

另外空气湿度对介电特性也有一定影响，在干燥过程中，由于粮食内部水分的排出，使得传感器周围的空气湿度加大，介电常数变大［6］，使得测量结果偏大，需要在计算水分的数学模型中引入空气湿度因素对粮食水分进行补偿。

1.2 外加电场的测试频率和温度

介电常数随测试频率的增加而降低，这是因为粮食中的极性水分子在施加激励信号后，偶极子就会伴随电场的转动而取向，伴随频率的增加，偶极子由于赶不上电场的变化而产生时间延迟，表现为介电常数的减小。损耗角正切则随频率增加而可能增加或减小，这要根据不同作物或含水率而定［1］。

对于同一含水率的样品，电容量受温度变化的影响较大，温度越高，电容量变大，导致ε'变大，不同温度下，ε'－M(水分)曲线的上升速率不同，ε″和tanδ与温度的正负相关性取决于当时的频率、含水率［7－9］。试验过程中须在不同温度下测量介电特性的变化，从而进行温度补偿。

1.3 容重(物料密度)

容重即单位容积内物料的质量。粮食容重的不同，致使颗粒间的空隙不一样，也就是计算介电常数时空气介电常数所占的比例发生变化，所以不同容重的粮食测量会产生测量误差。Shahab Sokhansanj［10］以3.4%～24.2%含水率的整粒加拿大红硬冬小麦为研究对象，测试频率为1、18、300和2450 MHz，建立了关于介电常数和容重求水分的方程式，发现容重对小麦的介电常数影响较大，而对介电损耗影响较小。Nelson［11］在研究颗粒状作物介电特性与容重的关系后，得出颗粒状物料的介电常数平方根和立方根是容重的线性函数。试验过程中对同一样品需重复多次确保粮食容重的差别不大，从而减小测量误差。

2 介电特性用于粮食水分检测的研究进展

2.1 国外研究现状

国外学者对介电特性的研究以Nelson、Kandala和Trabelsi Samir为代表，他们在介电特性方面做过大量的试验研究，研究包括利用平行板技术研究了1～5 MHz间单粒玉米的阻抗，证明了介电常数与含湿量之间的关系，介电常数随玉米含水率的升高而变大，并开发了单粒玉米的射频阻抗而计算含湿量的样机［12］;在频率为2.45、11.5、22 GHz下，提出了用无线电频率对微粒物料的湿度和容积密度分别进行在线检测的方法，发现介电常数和损耗因数都分别与容重和水分呈正线性相关［13－14］;利用介电光谱检测10 MHz到1.8 GHz范围内硬红冬小麦的介电特性，发现介电常数和介电损耗角都随频率的增加而减少，随含水率和温度的增加而增加［15］;通过介电常数的标度函数来检测颗粒状物料的水分而不考虑容积密度影响，开发出适用于工业生产的水分传感器［16］;频率在2～18 GHz，温度在－80～10℃条件下，对红冬小麦做了结合水介电特性的研究，结果发现每种小麦样品在单一频率、－20℃下其介电常数和损耗因数都随温度线性增大［17］;以小麦、燕麦、玉米和大豆、有壳和无壳的花生为研究对象，认为介电常数和损耗因数二者与容重的比值间存在正线性相关关系［18－20］;研究小麦、玉米等在2～13 GHz的介电特性，发现介电常数和损耗因子随频率增大降低并随密度、含水率和温度增大而线性增大［21］;做了在5～15 GHz频率范围内室温条件下，小麦中非平衡水的介电反应的研究，发现在初始阶段介电常数和损耗因数都存在明显的陡降［22］。

Berbert P A和Stenning B C［23］研究在线检测冬小麦水分，得出在0.5 MHz其水分与(ε'－1)/ε″线性相关，而(ε'－1)/ε″与物料流速相关;Berbert P A等［24］对用于检测菜豆含水率的三种介电模型进行了研究，发现三个模型都与菜豆的密度有关，但公式在菜豆收获后期的操作中在预测含水率上没有产生预期的效果;Kandala C V［25］以黄玉米为研究对象，在1～5 MHz频率范围内，利用平行极板电容系统测量电容、阻抗和相位差，得到含水率与电容、阻抗和相位差的三元二次关系，电容越大，含水率越高，阻抗和相位差对含水率的影响通过具体情况而定，该方法可用于测量如花生类的带壳坚果。

2.2 国内研究现状

沈以煦［26］研究了利用变 Q值法测量水稻、小麦、油菜籽3种物料介电特性，研究发现介电常数与物料含水率呈线性相关，且当含水率一定时，物料的介电常数随频率的下降增大，损耗角正切随频率的增大呈下降趋势，随含水率的减小其下降趋势减缓。徐保江等［27］对水稻、玉米和大豆的含水率进行了测试，得出了物料的介电特性与含水率之间的函数关系主要与物料的品种有关，由于介电常数随含水率的增大而增大，使电压比(空气为介质时的电压和物质为介质时的电压)也随含水率的增加而变大。程卫东［28］根据介质介电常数变化引起电容式传感器振荡频率的变化来测量谷物水分，建立在定流量条件下谷物水分同电容传感器振荡频率、谷物温度相关的数学模型，认为水分与电容传感器电容值的变化互为单值函数，并做了温度补偿。李振涛等［29］研究了粮食水分传感器电容变化量与粮食水分、温度、紧实度及粮食品种的关系，测试结果表明，当温度升高时，电容量将增大，检测电路的输出电压随之升高;粮食水分越大，粮食的紧实程度越小。郝晓莉等［30］通过对水稻、玉米和大豆3种物料介电特性的研究，得出了空气为介质和物料为介质电阻两端的电压比与物料含水率之间的关系，若测出未知含水率物料的电压比，利用方程可得出相应的含水率。刘嫣红等［31］以水稻、玉米、小麦为研究对象，研制了一种电容式谷物水分传感器，认为谷物含水率较低时，该传感器的测量结果非常稳定，对于高水分谷物，测量结果波动较大，影响精度。阮欢［32］等研制了一种电容式稻谷含水率测试仪，该测量仪的测量精度在很大程度上取决与激励频率的大小，并得出100 MHz的激励频率下稻谷含水率与峰值电压的单调关系最优。

由以上分析可知，国内外学者在利用物料介电特性在检测水分方面的应用已取得了一定的理论和应用成果，且在不断地深入研究，但尚缺乏非常规条件下(如真空等条件下)利用介电特性对粮食水分测控的分析。

3 介电特性在真空干燥技术中的应用

干燥是粮食收获后的重要单元操作，干燥条件的好坏直接影响到干燥后粮食的品质，对粮食的质量及后序的深加工起着决定性的作用。目前，我国干燥机大多采用的是热风干燥机，存在干燥速度慢、干燥后品质差等缺点，而真空干燥技术除能降低使水分蒸发的温度，使粮食在低温条件下就能达到较好的干燥效果外，还因为压力梯度的存在可以加快干燥速度，减少干燥时间，并具有环保、节能等优点。低温真空干燥技术在粮食干燥方面的应用是该技术应用领域的新突破［33］。

而粮食真空连续干燥属非常规条件下的生物多孔介质的传热和传质过程，其过程的测控是该项技术推广应用的瓶颈之一。对粮食真空干燥过程实时测控的研究，可从真空条件下生物多孔介质的介电特性研究出发，揭示介电特性参数与介质温度、真空度等的关系，可提出粮食水分在线检测、滚动预测和实时控制的方法，目前尚未见直接相关基础研究和应用研究的报道。

从2008年起，本项目组展开了对粮食低温真空干燥介电特性的研究，研究发现由于真空度的介入，使其与常规下的介电特性不同。在真空环境下，随真空度的变化，使真空箱内空气稀薄程度不同，真空环境下压强的变化很容易影响到真空箱内的偶极子，引起偶极子间碰撞频率的变化，从而导致介电常数的变化。在真空干燥粮食水分测控中，利用介电特性的变化规律，进行非线性补偿和温度补偿，以实现介电特性在新技术领域中的应用。

4 利用介电特性研究谷物水分的发展趋势

针对国内外对谷物介电特性的研究技术发展的现状，认为将出现如下的发展趋势。

(1)提高电容式谷物水分传感器测试的准确性和重复性。开发多品种、工作稳定、适应性强、操作方便、控制精度高的粮食水分检测系统，并推广应用。通过国内外现状的分析发现，尽管前人在介电特性水分测量方面研究比较多，但方法缺乏标准化，应建立粮食介电特性研究成果数据库，使众多研究成果的测量方法标准化，并不断积累和改善。

(2)利用非线性、智能理论发展具有自适应、自学习能力的实际测量过程来描述和谷物水分变化的数学模型，以方便实际干燥过程的监测、预测和控制。研究有效的数据融合技术，通过对多个物理量检测并利用大量的试验数据，找出多因素间的数学模型，使检测水分值更准确。利用计算机建立系统辨识，减小误差，实现高智能化检测。

(3)拓展到非常规条件下的物料介电特性的分析，如在真空干燥等过程中，建立非常态、新环境下的介电特性与粮食水分的关系，并建立干燥过程中非破坏性、连续性控制模型。

5 结论

目前，粮食介电特性应用的研究领域正在拓宽，研究品种不断增多，测试方法和手段日益完善，测试频率范围不断扩大。基于介电特性的理论分析和实际应用已趋向成熟化，但目前的研究仅限于对常规状态下物料介电特性的研究，可利用现有的研究基础实现介电特性对非常规下粮食水分的无损快速检测的深入研究，如真空干燥过程中，由于真空度影响因素的存在，使介电特性的变化规律发生变化，需要重新建立介电特性和水分的关系，实现真空干燥下的粮食水分的动态检测。

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Applying Dielectric Properties in Determination of Grain Moisture

Yin Liyan Wu Wenfu Zhang Yaqiu
(Schools of Biological and Agricultural Engineering，Jilin University，Changchun 130022)

Aiming at the wide application of dielectric properties in detecting grain moisture content，this paper introduces five influencing factors on grain dielectric properties，including grain moisture，air humidity，measuring frequency，temperature，and bulk density.Moisture is the main influencing factor and this is the reason for detecting grain moisture by using dielectric properties.The influences of these factors on the dielectric properties are introduced.The research progress in applying dielectric properties for determining grain moisture is summarized.Moreover，application of dielectric properties in grain vacuum drying is introduced.Problems existing in domestic research in this fields and development trend in the future in China are discussed.

dielectric properties，grain，moisture determine，vacuum drying

S126 文献标识码:A 文章编号:1003－0174(2010)11－0119－05

国家自然科学基金(30871443)

2009－10－15

尹丽妍，女，1983年出生，博士，农业生产智能控制理论与技术

吴文福，男，1965年出生，教授，博士生导师，农业机械测试与控制技术、智能机械