基于介电特性小粒咖啡含水率的检测研究

于启洋，张付杰，杨 薇

（昆明理工大学现代农业工程学院，云南昆明 650500）

基于介电特性小粒咖啡含水率的检测研究

于启洋，*张付杰，杨 薇

（昆明理工大学现代农业工程学院，云南昆明 650500）

为了研究带壳咖啡豆介电特性与含水率之间的关系，利用LCR测试仪研究频率信号（1～1 000 kHz）、温度（20～45℃）和含水率（11.18%～43.69%）对带壳咖啡豆介电特性的影响。结果表明，在1～1 000 kHz频段内，相对介电常数（ε'）随着频率的增大单调减小，却随着含水率的升高而增大；温度对相对介电常数（ε'）基本没有影响，介质损耗因数（ε''）随频率增大先递减后增大；当温度和含水率升高，介质损耗因数（ε''）呈增大趋势。在500 kHz下建立相对介电常数（ε'）预测带壳咖啡豆含水率（W，%）的模型，该模型R2=0.987 5；制作了20个样本，将测量值与模型计算值进行比较，发现其绝对误差范围为-3.07%～2.47%，说明所建立的模型可行。此项研究对了解带壳咖啡豆的介电特性，以及开发带壳咖啡豆含水率检测仪有一定的指导意义。

带壳咖啡豆；含水率；介电特性

咖啡是特色热带农产品，也是世界贸易中最重要的农产品之一。我国的小粒咖啡主要在云南、广西、贵州等地种植，云南是我国最大的小粒咖啡种植、烘焙咖啡豆生产和初制加工的基地，促进了我国咖啡产业的积极发展[1]。带壳咖啡豆是咖啡加工过程的中间产品，其含水率直接影响咖啡豆品质。含水率是影响咖啡豆在收购、加工、贮存过程中的重要因素，当含水率超过13%时，会引起咖啡豆的霉烂[2]等问题。所以，带壳咖啡豆含水率范围应控制为11%～13%[3]。目前，农业物料含水率的测定方法主要有干燥称重法、红外加热法、中子法、声学法、微波加热法和核磁共振法等[4]。但是，上述方法存在耗费时间过长、检测费用过高、仪器设备昂贵等问题。因此，国内外学者开始对粮食的介电特性进行研究[5-7]，并通过基础研究设计了一系列电容式或电阻式的粮食含水率检测仪器[8-9]。例如，国内学者郭文川、陈育中等人[10-11]开发了基于平行极板技术的小杂粮、大豆等农作物的含水率测试仪，杨薇等人[12]对三七粉的介电特性进行了研究，刘海沧等人[13]设计了数字式油品传感器。基于农产品介电特性的含水率检测方法成本低、速度快的特点，可以在实际生产中实现实时检测，因此基于介电特性的研究在农业方面得到了广泛关注。

国内外对小粒咖啡含水率基于介电特性的检测研究较少，目前检测小粒咖啡含水率主要依靠农户的个人经验，缺少用于检测小粒咖啡含水率的测试仪。为此，试验以小粒咖啡（带壳） 为研究对象，利用LCR测试仪测量频率信号（1～1 000 kHz）、温度（20～45℃）和含水率（11.18%～43.69%）对小粒咖啡介电参数的影响；在500 kHz下建立相对介电常数（ε'） 预测带壳咖啡豆含水率（W，%） 的模型，验证模型的可靠性，以期为开发小粒咖啡含水率测试提供一定的基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜咖啡豆，采购于云南省保山市，在实验室对新鲜咖啡豆进行去皮、脱胶处理，得到试验所用材料。

带壳咖啡豆的初始含水率为57.82%（湿基）。

1.2 样品制备

用电子天平称取1份约600 g带壳咖啡豆样品，置于电热干燥箱内，依次干燥4，3，2，4，5 h，经计算得到试验样品的对应含水率依次为43.69%，35.39%，28.18%，19.47%，11.18%。

1.3 测量方法

1.3.1 含水率

试验参照国标GB/T 5009.3—2010对试验样品进行含水率测量。

1.3.2 介电参数

介电参数测量系统由LCR测试仪（TH2827型，常州同惠，测量精度0.1%），同心圆式电容器（自制）测得。同心圆式电容器由2个高为55 mm，厚度为3 mm，外筒内径为50 mm，内筒外径为28 mm的铜管组成；分别将2个空心铜管固定在绝缘板上，使铜管间隙保持一致，空心铜管成为电容器的极板，保证极板高度远大于极板间距，避免电场的边缘效应。测量前对仪器进行开路和短路校正，预热仪器30 min。

1.4 测量步骤

将预热完成的电容器连接LCR测试仪，在1～1 000 kHz频段内选取不同的26个频率测量点，测量装置的电容。将不同含水率（11.18%～43.69%）的带壳咖啡豆通过自由落体和振动方式将同心圆式电容器装满，测量电容器电容，记录输出电容和损耗角正切。根据相关文献的研究结论[14]，容积密度对介电特性的影响很小，因此试验不考虑容积密度对介电特性的影响。将装有带壳咖啡豆的容器装入恒温水浴箱中，利用红外温度测试仪测量带壳咖啡豆表面的温度，数字温度计测量带壳咖啡豆内部的温度，以保证内外温度一致。当样品温度达到20，25，30，35，40，45℃定值时，测量电容值和损耗角正切，每个样品在每个温度下测量3次，取其平均值作为测试结果，计算样品的相对介电常数（ε'）和介质损耗因数（ε''）。

2 结果与分析

2.1 频率对介电参数的影响

不同含水率下频率对带壳咖啡豆介电参数的影响（25℃）见图1。

图1 不同含水率下频率对带壳咖啡豆介电参数的影响（25℃）

由图1（a） 可知，当频率信号在1～1 000 kHz内，带壳咖啡豆的相对介电常数（ε'）随频率的增大而减小，＜10 kHz；在不同含水率（W，%）下，（ε'）下降比较明显；随着频率增大，ε'下降比较平缓；同一频率下，含水率越高ε'越大。ε'的变化主要是由于非均匀混合物中的偶极子与离子的极化和Maxwell-Wagner效应造成[6，15]。低频时，ε'和总电容量增大，由于物料电荷的积累，偶极子的取向极化与其振动速度由频率变化引起的，频率持续增大会导致电场的变化超过偶极子的振动速度，因此偶极子的取向极化会随着频率变化逐渐停止，导致ε'的减小[16]。

由图1（b） 可知，当频率信号在1～1 000 kHz内，带壳咖啡豆的介质损耗因数（ε''）随频率的增大先减小后增大。由介质极化理论可知，低频电场下会发生表面极化现象[15]。而离子的电导性是引起ε''随频率增大而减小的主要原因[17]。频率在 1～10 kHz时，主要由离子导电性引起，ε''随频率增大而减小；频率在10～100 kHz时，分子固有电矩的转向极化已经完成基本不作响应；频率在100～1 000 kHz时，偶极子的极化起主导作用，成为介电损耗变化的原因，此时ε''的变化随含水率的升高而增大[18]。

2.2 不同温度下含水率对带壳咖啡豆介电参数的影响

根据查阅文献可以得知，农产品的含水率是影响介电参数的主要因素之一[19-21]。

不同温度下含水率对带壳咖啡豆介电参数的影响（500 kHz）见图2。

图2 不同温度下含水率对带壳咖啡豆介电参数的影响（500 kHz）

由图2可知，测量频率在500 kHz时，当温度相同时，带壳咖啡豆的相对介电常数（ε'）和介质损耗因数（ε''）随含水率升高而增大；由图2（b）也可知，含水率＞28.18%时介质损耗增大较明显。这是因为水是一种极性分子，也是影响ε'和ε''的主要因素。随含水率的升高导致物料内部整体代谢的速度加快，使内部离子活动增强，这将引起带壳咖啡豆的ε'和ε''均表现出增大的趋势[22]。

2.3 不同含水率温度对带壳咖啡豆介电参数的影响

不同含水率下温度对带壳咖啡豆介电参数的影响（500 kHz）见图3。

图3 不同含水率下温度对带壳咖啡豆介电参数的影响（500 kHz）

图3（a）为测量频率500 kHz时，温度对带壳咖啡豆相对介电常数（ε'）的影响。关于温度对农产品介电常数的影响，不同的研究物料得到不同的结论，有研究猪肉的ε'随温度的变化比较复杂，介电常数和温度在一定频率下有较好的相关性[23]；也有研究小麦和豆类的介电常数与温度的关系，小麦和豆类的介电常数随温度升高而增大[24]。农产品介电常数的变化，是温度、含水率和频率共同作用的结果[25]。图3所示温度对带壳咖啡豆的ε'影响较小，与文献[23-24]有一定的差别，造成这种现象的原因主要是试验所用物料与文献报道中不同。

图3（b）为测量频率500 kHz时，介质损耗因数（ε''） 随着温度的升高呈递增趋势，当含水率＞35.39%时ε''增大明显；在同一温度下，含水率越高ε''增长比较明显。根据电介质理论可知，低频范围内，偶极子的取向极化能力增强由温度升高引起，可是电场的变化超前偶极子的取向极化速度，因此会消耗较多的能量，同时温度升高会促进水分子的极化扩散和离子的导电性，温度升高会导致介质损耗逐渐增大[11]。

2.4 不同含水率和温度对带壳咖啡豆介电参数的综合影响

500 kHz下不同含水率和温度对带壳咖啡豆介电参数的综合影响见图4。

由图4（a）可知，在此频率下，含水率一定时温度对带壳咖啡豆相对介电参数（ε'）的影响基本不变；当温度一定时，随着含水率升高而增大。由图4（b）可知，在此频率下，含水率一定时随温度升高而增大；当温度一定时，介质损耗因数（ε''） 随含水率增大而增大。受含水率和温度的共同影响，在温度45℃和含水率43.69%下，达到最大值。

图4 500 kHz下不同含水率和温度对带壳咖啡豆介电参数的综合影响

3 含水率模型的建立

3.1 回归方程的建立

不同频率下ε'与W（%）模型的相关系数见表1。

表1 不同频率下ε'与W（%）模型的相关系数

由表1可知，温度T（20～45℃）对带壳咖啡豆的相对介电常数（ε'）基本没有影响，带壳咖啡豆的含水率W与相对介电常数（ε''）之间有明确的相关性。为了在实际应用时能够预测带壳咖啡豆的含水率，本文利用软件Design Expert.8.0.6对带壳咖啡豆试验数据进行回归方程的拟合，在频率2，5，10，50，100，500 kHz下建立相对介电常数（ε'）对含水率W（%）的预测模型，计算不同频率下预测模型的相关系数。

同时在频率2，5，10，50，100，500 kHz下建立介质损耗因数（ε''）对温度T、介质损耗因数（ε''）对含水率W（%）的预测模型，计算不同频率下模型的相关系数。

不同频率下ε''与T、W（%）模型的相关系数见表2。

表2 不同频率下ε''与T、W（%）模型的相关系数

由表1可知，在频率500 kHz下相关系数R2最高。由表2可知，在频率500 kHz下相关系数R2最高。比较表1和表2可知，在频率500 kHz下，相对介电常数（ε'）对含水率W（%）相关系数R2最高，利用Design Expert.8.0.6对带壳咖啡豆试验数据进行回归方程的拟合，得到相对介电常数ε'对含水率W（%）的回归方程模型：

W=-135.38+144.83ε'-28.9（ε'）2（R2=0.987 5）.

方程回归模型方差分析见表3。

表3 方程回归模型方差分析

由表3可知，方程中和2的p值均＜0.000 1，模型的p值＜0.000 1，说明模型具有极显著性，得到最佳预测方程。

3.2 模型的验证

为了验证带壳咖啡豆含水率预测模型的准确性，对500 kHz含水率模型进行了试验验证。在含水率10%～50%范围内得到20个样本，将测得的相对介电常数带入预测方程，得到含水率计算值，并将其与含水率实际测量值进行比较。

带壳咖啡豆测量含水率与计算值的关系见图5。

图5 带壳咖啡豆测量含水率与计算值的关系

由图5可知，计算含水率相对于测量含水率的点均匀地分散在45°线的周围，反映计算含水率与测量含水率的差距不大。相对于测量含水率，计算含水率的绝对误差为-3.07%～2.47%，平均绝对误差为1.7%，说明在500 kHz下建立的模型可以很好描述带壳咖啡豆含水率与相对介电常数之间的关系。

4 结论

（1）在测量频率1～1 000 kHz内，带壳咖啡豆的相对介电常数与频率及含水率有较明显的相关性，随频率的增大而减小，随含水率增大而增大，随温度升高基本不变；介质损耗因数与频率、温度以及含水率有明显的相关性，随频率的增大先减小后增大，随温度升高和含水率升高而增大。

（2）建立带壳咖啡豆在500 kHz频率下相对介电常数对含水率的预测方程。结果表明，在500 kHz下，模型的计算含水率与测量含水率绝对误差为-3.07%～2.47%，平均绝对误差为1.7%。说明带壳咖啡豆含水率的检测可以通过测定500 kHz时的相对介电常数，由方程计算得到。该结论为基于介电特性带壳咖啡豆含水率检测仪的开发提供了理论依据。参考文献：

[1]胡路．云南咖啡产业发展战略研究 [D]．昆明：云南大学工商管理与旅游管理学院，2014.

[2]郝晓莉，张本华，孟淑洁，等．介电特性在粮食含水率检测中的应用研究 [J]．农机化研究，2006，28（2）：121－131.

[3]方卫山，牛宪伟，霍星光，等．云南小粒种咖啡豆精制加工工艺 [J]．农产品加工（学刊），2009（10）：116－118

[4]秦文，张惠，邓伯勋，等．部分农产品水分含量与其介电常数关系模型的建立 [J]．中国食品学报，2008，8（3）：62－67.

[5]Ahmed J，Ramaswamy H S，Raghavan G S V，et al. Dielectric properties of soybean protein isolate dispersions as a function of concentration，temperature and pH[J].LWTFood Science and Technology，2008，41（1）：71－81.

[6]Kamil S，Ahmet C.Determination of dielectric properties of corn seeds from 1 to 100 MHz[J].Powder Technology，2010，203（2）：365－370.

[7]罗承铭，师帅兵．电容法粮食物料含水率与介电常数关系研究 [J]．农机化研究，2011，33（4）：149－151.

[8]张永超，吴才章．基于多传感器信息融合技术的粮食水分测定仪 [J]．自动化技术与应用，2010，29（4）：66－69.

[9]付鹤翔，张利凤，郭文川．电容式粮食含水率测量仪的设计 [J]．农机化研究，2011，33（11）：131－134.

[10]郭文川，刘驰，杨军．小麦秸秆含水率测量仪的设计与试验 [J]．农业工程学报，2013，29（1）：33-40.

[11]陈育中．基于电容式传感器的水分测试仪的设计与实现 [J]．制造业自动化，2011，33（24）：84-87.

[12]杨薇，尹青剑，张付杰，等.基于介电特性的三七粉含水率检测与建模 [J]．昆明理工大学学报，2016，41（4）：86-92.

[13]刘海沧，滕召胜，刘静波，等.基于AD7745的数字式油品检测传感器设计 [J]．传感器与微系统，2011，30（9）：95-101.

[14]邓业胜．食用豆类介电特性研究 [D]．咸阳：西北农林科技大学机电学院，2011.

[15]Wang S，Monzon M，Johson J A，et al．Industrial-scale radio frequency treatments for insect control in walnuts: heating uniformity and energy efficiency[J].Postharvest Biology and Technology，2007，45（2）：240-246.

[16]王婧．小杂粮的介电特性与主要影响因素的关系研究[D]．咸阳：西北农林科技大学，2012.

[17]K Sacilik，C Tarimci，A Colak.Dielectric properties of flaxseeds as affected by moisture content and bulk density in the radio frequency range[J].Biosystems Engineering，2006，93（2）：153-160.

[18]郭文川，张鹏，宋克鑫，等．壤土介电特性与水分检测频率及温度影响 [J]．排灌机械工程学报，2013，31（8）：713－718.

[19]郭文川，王婧，朱新华．基于介电特性的燕麦含水率预测 [J].农业工程学报，2012，28（24）：272－279.

[20]刘志壮，吕贵勇．基于电容法的稻谷含水率检测 [J].农业机械学报，2013，44（7）：179－182.

[21]郭文川，王婧，刘驰．基于介电特性的薏米含水率检测方法 [J].农业机械学报，2012，43（3）：113-117.

[22]宋春芳，桑田，王燕，等．基于微波干燥的江南年糕介电特性的研究 [J]．现代食品科技，2015，31（11）：177－183.

[23]谷洪超．猪肉的介电特性 [D]．咸阳：西北农林科技大学机电学院，2009.

[24]Nelson S O，Trabelsi S.Dielectric spectroscopy of wheat from 10 MHz to 1.8 GHz[J].Measurement Science and Technology，2006，17：2 294-2 298.

[25]靳志强，王顺喜，韩培．频率、温度和含水率对玉米介电性能的影响 [J]．中国农业大学学报，2011，16（4）：141-147.◇

Predicating Moisture Content of Coffee Beans Based on Dielectric Properties

YU Qiyang，*ZHANG Fujie，YANG Wei
（Faculty of Modern Agricultural Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan 650500，China）

Coffee beans is used to study the influence of frequency（1～1 000 kHz），temperature（20～45℃） and moisture content（11.18%～43.69%） on the dielectric properties in the LCR measuring meter and after that the paper will analyze the reason for dielectric constant and loss factor changed with these factors.The results show that when the frequency is between 1 and 1 000 kHz，the dielectric constant（ε'） decreases with the increase of the frequency，and increases with the increase of water content.The dielectric constant（ε'） remains constant with the increase of temperature.The loss factor（ε''）decreases and then increases with the increase of frequency.The loss factor（ε''） increases with the increase of temperature and moisture content.The prediction equation of the moisture content establish based on relative dielectric constant（ε'） for the sample under the 500 kHz.And the most suitable coefficients of determination is 0.987 5.20 samples are used to compare the measured values and calculated values of moisture content，it shows that the absolute errors of predicated moisture contents of coffee beans based on dielectric properties at 500 kHz is within-3.07%～2.47%.The study is helpful to understand the dielectric properties of coffee beans,and is instructive to develop moisture sensor for coffee beans.

coffee beans；moisture content；dielectric properties

S24

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.12.010

1671-9646（2016）12a-0034-05

2016-09-02

于启洋（1989— ），男，在读硕士，研究方向为农业智能装备。

*通讯作者：张付杰（1977— ），男，博士，讲师，研究方向为农业智能装备。