库尔勒香梨电学参数检测基础研究

师广强 王晓妍 赵劲飞 刘 扬 田勇浩 张存雍 吴建帮 张 宏

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔市843300）

库尔勒香梨地处南疆，产于塔克拉玛干沙漠边缘，此地光照充足，沙质土壤中富含微量元素，使得香梨皮薄肉脆，甘甜爽口，香味浓郁，是非常优良的具有芳香气味的脆肉型梨品种［1-3］。

目前普遍的估算成熟度做法主要依据目测和品尝，通过颜色、硬度、气味、口感等来判断，但这种做法因人而异，会存在主观判断的差异而影响香梨最佳采摘时间［4-7］。根据库尔勒香梨成熟规律采用电学特性分析成熟度的方法可以指导库尔勒香梨成熟度的成熟情况，也为选择最佳采摘时间提供理论依据［8-10］。

电学特性分析是香梨电参数测量的一种常用方法。由于电学特性的测定具有敏捷、迅速、易操作等优点，基于电特性的检测技术已成为研究果蔬成熟度检测的重要手段［11-12］。 其中，平行电极法是基于电学特性检测果蔬电参数的一种重要方式。平行电极法采用两个平行极板与检测对象接触，从而检测该对象的电学特性，检测结果与两平行极板尺寸及检测对象的夹持力有一定关系［13-16］。

基于此，本研究利用塔里木大学自主研制的测量系统测量库尔勒香梨电学特性，通过不同夹持力和不同电极尺寸对比分析成熟期内香梨电学特性的变化情况，研究结果可为库尔勒香梨电学特性的检测研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1电学特性测试系统

果蔬电特性检测的测试系统由塔里木大学自主研制，主要包括测力机构、加载电机、力传感器、测试电桥等部分组成。试验前通电30 min 使电极预热以降低测量时的数据误差，然后将准备的试验香梨横放在测量极板中，测量极板的夹持装置铜质探头直径分别为10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 。将测试香梨横向放入测量极板中，使香梨与极板的接触点在同一轴线上。然后一边手动调节微型手轮，一边观察测力机构显示屏的数据。当夹持力保持不变时，记录测试电桥显示屏上的数据。夹持力数值通过力传感器将数据传到测力控制器，电学特征值通过测量极板将数据传到测试电桥。测试系统二维结构示意图如图1所示。

图1 电学特性测试系统

1.2 试验材料

试验用库尔勒香梨样品采摘于新疆兵团第一师阿拉尔市塔里木大学校园内的香梨园。本试验香梨的采集自2018年9月20日，采摘香梨形状规则、无斑点、无病虫害、无机械损伤。采摘后香梨立即运回实验室进行香梨电学特性的测量，测量电压为1 V，测量频率为1 MHz。

1.3 试验方法

第一组试验：分别选取电极尺寸10 mm、电极尺寸15 mm、电极尺寸20 mm、电极尺寸25 mm、电极尺寸30 mm，在不同夹持力下进行香梨电学特性试验，每次试验均重复10 次，测量结果取平均值，并采用Excel软件进行数据处理。当香梨表皮开始出现损伤试验结束。第二组试验：分别选取夹持力0. 5 N、夹持力1.5 N、夹持力2.5 N，在不同电极尺寸下进行香梨电学特性测试，每次试验均重复10 次，取平均值，使用Excel 软件对试验数据进行处理和分析，并运用Origin2018 软件绘制夹持力、电极尺寸与电学特性值之间的关系图。

2 结果与分析

图2 不同电极尺寸下夹持力与并联等效电感之间的关系

在塔里木大学自主研制的测量系统LCR 电桥下我们测得香梨电学参数特性，可以得到串联等效电感、并联等效电感、并联等效电容、串联等效电容、品质因数、阻抗、导抗等参数。由于香梨内部组织相当于一个并联电路，因此我们这里只分析与其相关的并联等效电感、并联等效电容、品质因数、阻抗。Wang S 和Zhang L 等人研究也表明果蔬的介电特性可用并联等效电感、并联等效电容、品质因数、阻抗等来表示［17-18］。从图2 可以看出，随着夹持力的增加，不同电极尺寸下测量获得的并联等效电感均逐渐增大，增长速率先快后慢，最后接近一条水平线，各曲线变化情况大体一致。

表1 不同电极尺寸下夹持力与并联等效电感之间的变化

从表1 可得：当电极尺寸为10 mm 时，末值与初值的差值为1.7 mH，变异系数最小，该条曲线上的参数波动较小。当直径为20 mm时，末值与初值的差值为1.22 mH，变异系数最大，该条曲线上的参数波动较大。所以检测并联等效电感使用20 mm 电极尺寸时，要更加注意控制夹持力，因为夹持力对电学特性变化影响较大。

结合图2、表1 分析可得：在电极尺寸分别在10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 下，随着夹持力的增加，并联等效电感分别达到-0. 42 mH、-0. 2 mH、-0. 1 mH、-0. 08 mH、-0. 09 mH 后果皮开始破裂。破裂时的夹持力分别为3.5 N、6 N、8 N、12 N、13 N。

图3 不同电极尺寸下夹持力与并联等效电容之间的关系

从图3 可以看出：随着夹持力的增加，不同电极尺寸下测量获得的并联等效电容逐渐减小，减小速率先快后慢，最后接近一条水平线，各曲线变化情况大体一致。

表2 不同电极尺寸下夹持力与并联等效电容之间的变化

从表2 可得：当电极尺寸为10 mm 时，末值与初值差值为-1.12 PF，变异系数最小，该条曲线上的参数波动不大。当电极尺寸为25 mm时，末值与初值差值为-1.08 PF，变异系数最大，该条曲线上的参数波动较大。所以检测并联等效电容使用25 mm 电极尺寸时，要更加注意控制夹持力，因为夹持力对电学特性变化影响较大。

结合图3、表2 分析可得：在电极尺寸分别在10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 下，随着夹持力的增加，并联等效电容分别达到0. 76 PF、0. 55 PF、0.33 PF、0.28 PF、0.24 PF 后果皮开始破裂。破裂时的夹持力分别为3.5 N、6 N、8 N、12 N、13 N。

图4 不同电极尺寸下夹持力与品质因数之间的关系

从图4 可以看出：随着夹持力的增加，不同电极尺寸下测量获得的品质因数逐渐减小，减小速率先快后慢，最后接近一条水平线，各曲线变化情况大体一致。

表3 不同电极尺寸下夹持力与品质因数之间的变化

从表3 可得：当电极尺寸为10 mm 时，末值与初值差值为-5. 64，变异系数最小，该条曲线上的参数波动不大。当电极尺寸为25 mm时，末值与初值差值为-6.22，变异系数最大，该条曲线上的参数波动较大。 所以检测品质因数使用25 mm 电极尺寸时，要更加注意控制夹持力，因为夹持力对电学特性变化影响较大

结合图4、表3 分析可得：在电极尺寸分别在10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 下，随着夹持力的增加，品质因数分别达到3.45、2.27、1.64、1.47、1. 79 后果皮开始破裂。破裂时的夹持力分别为3.5 N、6 N、8 N、12 N、13 N。

图5 不同电极尺寸下夹持力与阻抗之间的关系

从图5可以看出：随着夹持力的增加，不同电极尺寸下测量获得的阻抗逐渐减小，减小速率先快后慢，最后接近一条水平线，各曲线变化情况大体一致。

表4 不同电极尺寸下夹持力与阻抗之间的数值关系

从表4 可得：当电极尺寸为20 mm 时，末值与初值差值为-7.63 KΩ，变异系数最小，该条曲线上的参数波动不大。当电极尺寸为10 mm时，末值与初值差值为-11.21 KΩ，变异系数最大，该条曲线上的参数波动较大。 所以检测阻抗使用10 mm 电极尺寸时，要更加注意控制夹持力，因为夹持力对电学特性变化影响较大。

结合图5、表4 分析可得：在电极尺寸分别在10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 下，随着夹持力的增加，阻抗分别达到2. 51 KΩ、1 KΩ、0. 47 KΩ、0. 49 KΩ、0. 48 KΩ 后果皮开始破裂。破裂时的夹持力分别为3.5 N、6 N、8 N、12 N、13 N。

图6 不同夹持力下电极尺寸与并联等效电感之间的关系

综上所述：同电极尺寸下的香梨在变化夹持力进行测量电学特性时，香梨电学特性有一个极限值区域，如果超过该极限值区域，此梨可能为损伤香梨，因为香梨损伤后电解质溢出，改变了香梨的电学特性。

从图6 可以看出：香梨在不同夹持力下，随着电极尺寸的增加，并联等效电感逐渐增大。多条曲线对比分析，在同一电极尺寸下夹持力越大并联等效电感越大。通过对比图2发现，夹持力对并联等效电感影响比电极尺寸对并联等效电感的影响更显著。

表5 不同夹持力下电极尺寸与并联等效电感之间的数值关系

从表5可得：当夹持力为2.5 N时，末值与初值差值为-0.14 mH，变异系数最小，该条曲线上的参数波动不大。当夹持力为0.5 N 时，末值与初值差值为-1. 55 mH，变异系数最大，该条曲线上的参数波动较大。所以当夹持力为0.5 N 时，要更加注意控制电极尺寸，因为电极尺寸对电学特性变化影响较大。

结合图6、表5分析可得：在夹持力分别为0.5 N、1. 5 N、2. 5 N 下，随着电极尺寸的增加，并联等效电感分别达到-1.13 mH、-0.67 mH、-0.46 mH 后果皮开始破裂。

图7 不同夹持力下电极尺寸与并联等效电容之间的关系

从图7 可以看出：香梨在不同夹持力下，随着电极尺寸的增加，并联等效电容逐渐减小。多条曲线对比分析，在同一电极尺寸下夹持力越大并联等效电容越小。通过与图3 对比发现夹持力对并联等效电容的影响比电极尺寸对并联等效电容的影响更显著。

表6 不同夹持力下电极尺寸与并联等效电容之间的数值关系

从表6可得，当夹持力为2.5 N时，末值与初值差值为0. 18 PF，变异系数最小，该条曲线上的参数波动不大。当夹持力为0.5 N 时，末值与初值差值为0.49 PF，变异系数最大，该条曲线上的参数波动较大。所以，当夹持力为0.5 N 时，要更加注意控制电极尺寸，因为电极尺寸对电学特性变化影响较大。

结合图7、表6分析可得：在夹持力分别为0.5 N、1. 5 N、2. 5 N 下，随着电极尺寸的增加，并联等效电感分别达到1.39 PF、0.95 PF、0.74 PF后果皮开始破裂。

图8 不同夹持力下电极尺寸与品质因数之间的关系

从图8 可以看出：香梨在不同夹持力下，随着电极尺寸的增加，品质因数逐渐减小。多条曲线对比分析，在同一电极尺寸下夹持力越大品质因数越小。通过与图4 对比发现夹持力对品质因数的影响比电极尺寸对品质因数的影响更显著。

表7 不同夹持力下电极尺寸与品质因数之间的变化

从表7可得：当夹持力为0.5 N时，末值与初值差值为0.84，变异系数最小，该条曲线上的参数波动不大。当夹持力为1.5 N 时，末值与初值差值为1.07，变异系数最大，该条曲线上的参数波动较大。所以当夹持力为1.5 N 时，要更加注意控制电极尺寸，因为电极尺寸对电学特性变化影响较大。

结合图8、表7分析可得：在夹持力分别为0.5 N、1. 5 N、2. 5 N 下，随着电极尺寸的增加，品质因数分别达到5.67、2.70、1.85后果皮开始破裂。

图9 不同夹持力下电极尺寸与阻抗之间的关系

从图9 可以看出：香梨在不同夹持力下，随着电极尺寸的增加，阻抗逐渐减小。多条曲线对比分析，在同一电极尺寸下夹持力越大阻抗越小。通过与图5 对比发现夹持力对阻抗的影响比电极尺寸对阻抗的影响更显著。

表8 不同夹持力下电极尺寸与阻抗之间的变化

从表8可得：当夹持力为2.5 N时，末值与初值差值为0.83 KΩ，变异系数最小，该条曲线上的参数波动不大。当夹持力为0.5 N 时，末值与初值差值为3.6 KΩ，变异系数最大，该条曲线上的参数波动较大。所以当夹持力为0. 5 N 时，要更加注意控制电极尺寸，因为电极尺寸对电学特性变化影响较大。

结合图9、表8分析可得：在夹持力分别为0.5 N、1. 5 N、2. 5 N 下，随着电极尺寸的增加，并联等效电感分别达到8.04 KΩ、4.07 KΩ、2.74 KΩ 后果皮开始破裂。

综上所述：同夹持力下的香梨在变化电极尺寸进行测量电学特性时，香梨电学特性有一个极限值区域，如果超过该极限值区域，此梨可能为损伤香梨，因为香梨损伤后电解质溢出，改变了香梨的电学特性。

3 结论

本研究结果表明：随着夹持力的增加，不同电极尺寸下测量获得的并联等效电感逐渐增大、增大速率先快后慢。并联等效电容、品质因数、阻抗均逐渐减小，减小速率先快后慢，各曲线变化情况大体一致。不同电极尺寸下随着夹持力的增大，并联等效电感逐渐增大。并联等效电容、品质因数、阻抗逐渐减小，各曲线变化情况大体一致。综合分析：夹持力和电极尺寸的变化对香梨电学特性有一定的影响，而夹持力对电学特性的影响比较显著。研究结果可为库尔勒香梨电学特性的检测研究提供理论依据。