基于电学特性的库尔勒香梨振动损伤检测

于世辉，唐玉荣，牛希跃，李小龙，王佳丽，张宏 ，刘扬，兰海鹏*

（1塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

（2南疆特色农产品深加工兵团重点实验室，新疆 阿拉尔 843300）

库尔勒香梨是新疆特色水果之一，以色泽悦目、皮薄肉细、酥脆爽口而驰名中外［1］。截止2019年底，新疆库尔勒香梨总产量达到100×104t以上［2］。因香梨自身属性等原因，香梨从采摘到上市销售等过程中易遭受不同程度的振动损伤，每年因振动损伤造成的果实损失率在15%～45%左右［3］。若香梨在入库贮藏前遭受振动损伤，则易遭受细菌等微生物的侵袭而发生变质腐烂，迫使香梨贮藏期缩短；若香梨在运输销售过程中遭受振动损伤，则严重影响香梨的口感品质，极大降低香梨的货架期和商品价值。因此对香梨进行振动损伤检测，在入库贮藏或者上市销售之前及时将振动损伤的香梨剔除，可有效减少因振动损伤造成的经济损失，对于增加香梨产业经济效益具有重要理论指导意义和实践价值。

在果实振动损伤方面，吴琼等［4］研究发现果实经历长途运输后会发生形变、营养成分比例降低、风味口感改变，还会加速果实的后熟软化以及乙烯释放速率；刘春娣［5］发现振动对果实生理生化指标有不同程度的影响，振动后的储藏阶段对果实的各项生理活性指标均呈先升后降的趋势；李晓娟［6］研究发现以相同的加速度进行振动时,振动频率越小，鸭梨越容易产生损伤；MEHDI K等［7］发现对“Shahroudi”品种的杏子发生最严重伤害的频率和持续时间分别为17 Hz和30 min；ZHOU J F等［8］研究发现振动频率对果实整体损伤百分率影响较大，14 Hz的损伤百分率最低，为47.1%，同时高强度机械冲击持续时间越短，对果实的损伤程度越高。关于果实振动方面的研究主要集中在振动对果实损伤影响规律的探究，现亟需一种科学有效的检测技术实现对库尔勒香梨振动损伤的检测。目前主要应用高光谱成像、红外热成像、磁核共振和电特性等技术检测水果损伤，对检测的信息参数进行处理分析，与受损后水果褐变几何尺寸建立数学关系从而实现水果损伤程度的快速测量［9-12］。库尔勒香梨皮薄肉细，果肉多汁，其内部存在大量带电粒子，有利于发挥电学特性检测技术快速、灵敏、操作方便的优点。屠鹏等［13］基于介电特性技术预测贮藏期苹果损伤体积，得到相对介电常数与损伤体积关系的预测模型；唐燕等［14］、郭文川等［15］、陈志远［16］研究了多种水果损伤后电学参数变化规律，发现无损伤与有损伤果实的电学参数变化规律存在明显区别，不同机械损伤形式对电学参数的影响规律也不同。基于上述研究表明，电学特性在水果损伤检测应用方面具有可行性，然而基于电学特性对香梨振动损伤检测方面的研究鲜有报道。

本研究以不同成熟度的库尔勒香梨为试验材料，探究不同振动频率下振动时间与振动损伤面积的变化规律，采用电学特性检测系统装置对不同振动频率下的损伤香梨进行电学参数的获取，构建电学参数与香梨振动损伤面积的数学模型，筛选出最佳表征香梨振动损伤的电学参数，以期为香梨的振动损伤程度量化研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

库尔勒香梨样品采自新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市十团十连常规管理梨园，该地区是南疆优质香梨生产基地。截止2019年，树龄12年。选取特征为形状大小相似、无畸形、无隐性损伤、无病虫害、色泽均匀的库尔勒香梨作为试验样品。采摘过程中佩戴手套进行采摘，采摘时间为2019年9月1日—2019年9月29日，每隔4 d对库尔勒香梨进行一次采摘，共计8次，成熟度依次记为H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8。每次采摘450颗库尔勒香梨，共计采摘3 600颗库尔勒香梨。

试剂：戊二醛（分析纯，天津欧博凯化工有限公司）、丙酮（分析纯，天津市致远化学试剂有限公司）、无水乙醇（分析纯，天津市北联精细化学品开发有限公司）。

1.2 振动损伤试验

选用振动损伤试验台对香梨进行振动，参考胡洋［17］和孙骊等［18］的方法，将香梨放置于自制的四面纸板围挡中，香梨与围挡间隙距离为1 mm左右，四面围挡被紧固在试验台上，如图1所示。

图1 振动损伤试验台

依据肖越等［19］和曾媛媛等［20］的相关试验研究，试验台转速选取120 r/min、180 r/min、240 r/min，得到三种速度下对应的振动频率分别为2 Hz、3 Hz、4 Hz。每个转速下对应的振动时间为1 h、2 h、3 h、4 h、5 h。每组选取30颗香梨进行振动损伤试验。当完成每个香梨振动损伤试验后立即进行电学参数的测量，记录试验数据，试验结果取平均值。

1.3 电学参数检测系统

电学参数使用自制的电学参数检测装置进行测定（图2），使用前将LCR测试电桥预热1 h，随后进行调零操作以减少误差。在测试电压为1 V和测试频率为1 MHz的条件下测定电学参数。研究发现电学参数Cp和Rp对水果损伤比较敏感，常作为评价水果损伤程度的电学参数指标［21-23］。电学参数Cp反映的是在给定电位差下的电荷储藏量，一般来说电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质则去阻碍电荷移动从而使电荷累积在导体上，从而造成电荷的累积储存［24］。电学参数Rp是相对一定频率的交变信号来说的，在交变电场中除了电阻会阻碍电流以外电容及电感也会阻碍电流的流动，因而它是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和［23-24］。故本研究选取电学参数Cp和Rp来研究与香梨振动损伤面积的关系。

图2 电学参数检测系统装置

1.4 香梨损伤面积的测量

将损伤后的水果在常温环境放置24 h以上使受损部位充分褐变，测量褐变部位的面积、体积或深度作为损伤程度的度量［25］。香梨表面损伤面积可用肉眼识别，有助于损伤程度的判断，所以采用损伤面积法进行香梨损伤程度量化评价。测量损伤区域的长半轴a和短半轴b，如图3所示。每组试验结果为30颗香梨损伤面积的平均值。损伤面积采用吴杰等［26］的测量方法进行计算，如式(1)所示：

图3 库尔勒香梨损伤面积测量示意图

式（1）中S为香梨振动损伤面积，mm2；a为椭圆损伤区域长半轴，mm；b为椭圆损伤区域短半轴，mm。

此外，香梨在高频率、长时间的振动下，香梨表面则会出现绕表面一周的带状损伤，测量其幅宽与香梨的周长，将损伤面积近似为长方形，损伤面积周长为长方形的长，损伤面积幅宽为长方形的宽，由此计算出香梨损伤面积，计算方程式为：

式（2）中S为香梨振动损伤面积，mm2；C为香梨表面周长，mm；b为香梨损伤的宽度，mm。

1.5 库尔勒香梨扫描电子显微镜试验

1.5.1 样品制作

选取库尔勒香梨皮下果肉组织，每颗香梨选取一处损伤部位作为样品。使用手术刀将库尔勒香梨表皮去除，选取厚度为1 mm，长和宽为1 cm的正方体皮下果肉组织样品放入戊二醛溶液中，将放置有香梨样品的戊二醛溶液存放在4℃冰箱，待24 h之后进行后续试验。

1.5.2 梯度脱水

30%乙醇，浸泡香梨样品40 min；50%乙醇，浸泡香梨样品40 min；70%乙醇，浸泡香梨样品40 min；90%乙醇，浸泡香梨样品40 min；95%乙醇，浸泡香梨样品40 min；100%乙醇，浸泡香梨样品40 min；100%乙醇，浸泡香梨样品40 min；100%乙醇和100%丙酮以1：1的比例进行混合，浸泡香梨样品40 min；100%丙酮，浸泡香梨样品40 min；100%丙酮，浸泡香梨样品40 min。

1.5.3 CO2置换丙酮

使用临界点干燥仪对选取的香梨样品进行干燥，至干燥仪停止即结束对香梨样品丙酮的置换，实现CO2对丙酮的置换。

1.5.4 喷金

使用离子溅射仪对干燥完的香梨样品进行镀膜，使香梨样品表面得到厚度均匀的镀膜材料，以便观察。

1.5.5 扫描电子显微镜观察

对不同振动损伤程度的库尔勒香梨样品进行扫描电子显微镜观察并保存样品组织结构图片。

1.6 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2007进行试验数据处理和分析，采用Origin 2018软件进行绘图和拟合处理分析。

2 结果与分析

2.1 香梨振动损伤面积的量化

如图4所示，在2 Hz振动频率下，低成熟度香梨振动1 h后果实未出现显性损伤。不同成熟度香梨振动2 h后表皮均出现轻微损伤，振动时间小于4 h的香梨损伤面积增长速率缓慢，当香梨振动5 h，果皮果肉均产生损伤，其损伤面积明显高于振动4 h产生的损伤面积，且成熟度越高损伤面积增长变化趋势越明显。因为香梨处于低频振动条件下，前期细胞组织完整，伴随着长时间的振动会对细胞组织产生损伤，当超过细胞组织所能承受范围内的载荷阈值后，香梨逐渐软化，损伤面积随之增大。在3 Hz振动频率下，随着振动时间的延长，香梨表面出现的损伤面积逐渐增大。振动1～2 h之间时香梨损伤面积增长速率较快，在振动2 h之后香梨损伤面积缓慢增加。在4 Hz振动频率下，随着振动时间的延长，香梨出现大面积损伤。当振动4 h之后，损伤面积增长速率较之前变化较小，是因为当香梨在4 Hz振动频率振动4 h时，香梨大部分表面已经出现损伤，随着振动时间的延长，主要增加的是香梨损伤深度。

图4 不同振动频率下香梨损伤面积随振动时间变化规律

在相同振动时间和振动频率下，香梨振动损伤面积均随成熟度的增大而增大。同一振动频率下，随着振动时间延长香梨损伤面积不断增加，随着振动时间的增加，香梨遭受振动载荷作用次数增多，所以振动时间越长香梨损伤面积越大。同一振动时间下，振动频率越大香梨损伤面积越大，随着振动频率增加，振动加速度变大，在单位时间内受到的载荷作用次数增多，所以振动频率越高香梨损伤面积越大。

2.2 香梨振动损伤面积量化模型的构建

2.2.1 电学参数Cp与振动损伤面积量化模型的构建

如图5所示，不同成熟度下香梨的电学参数Cp与振动损伤面积变化规律较为明显。在2 Hz振动频率下，电学参数Cp与振动损伤面积呈现出递增的变化趋势，振动4 h后，电学参数Cp与损伤面积呈现出急剧增长的变化趋势；在3 Hz振动频率下，振动1 h与振动2 h的电学参数Cp与振动损伤面积的变化波动幅度较大，增长速率较快，振动2 h后电学参数Cp与损伤面积呈现出波动式增长变化规律；在4 Hz振动频率下，电学参数Cp与损伤面积呈现出“平缓—快速—平缓”的递增变化趋势，不同成熟度下的电学参数Cp与损伤面积的关系曲线稀疏程度呈现“紧密—稀疏—紧密”的变化趋势。

图5 不同振动频率下并联等效电容与振动损伤面积关系曲线

为了构建不同频率下电学参数与香梨损伤面积间关系的数学模型，对试验数据做拟合分析，得到数学模型方程式为：

式（3）中S为振动损伤面积，mm2；V为损伤香梨的电学参数；a、b、c为常数。

电学参数Cp与振动损伤面积的数学模型如表1～3所示。在2 Hz、3 Hz和4 Hz振动频率下，电学参数Cp与损伤面积的变化规律均符合方程式（3），数学模型拟合度良好。在2 Hz振动频率下，香梨成熟度为H1和H5的数学模型R2分别为0.952 5和0.956 7，数学模型拟合效果较优。在3 Hz振动频率下，在香梨成熟度为H6和H7时，电学参数Cp值与损伤面积的数学模型拟合效果较优，R2分别为0.994 1和0.996 5，拟合效果较其它成熟度较为良好。在4 Hz振动频率下，香梨成熟度为H5时，电学参数Cp值与损伤面积拟合方程的R2为0.971 8，拟合效果较优。各振动频率下的电学参数Cp与振动损伤面积的数学模型拟合度较好，电学参数Cp可用于量化香梨振动损伤面积，所构建的数学模型可量化不同成熟度香梨的振动损伤面积。

表1 2 Hz振动频率下并联等效电容与振动损伤面积的数学模型

2.2.2 电学参数Rp与振动损伤面积量化模型的构建

如图6所示，不同成熟度下香梨的电学参数Rp与损伤面积变化规律较为明显。在2 Hz振动频率下，电学参数Rp与振动损伤面积呈现出递减的变化趋势。当香梨成熟度低于H3时，电学参数Rp与损伤面积的曲线变化范围较小，当香梨成熟度高于H3时，香梨电学参数与损伤面积的曲线变化范围逐渐增大；在3 Hz振动频率下，不同成熟度香梨的电学参数与损伤面积的变化曲线波动较大，但整体呈现出随着香梨损伤面积的增加，电学参数Rp值逐渐减小的变化趋势；在4 Hz振动频率下，随着振动损伤面积的增加，电学参数Rp值呈现出降低的变化趋势，在香梨整个成熟期内，随着损伤面积的增加，电学参数Rp的变化波动幅度逐渐缩小，趋向于0 kΩ。

图6 并联等效电阻与损伤面积关系曲线

表2 3 Hz振动频率下并联等效电容与振动损伤面积的数学模型

表3 4 Hz振动频率下并联等效电容与振动损伤面积的数学模型

电学参数Rp与振动损伤面积的数学模型如表4～6所示。3种振动频率下的香梨电学参数与损伤面积的变化规律均符合方程式（3），数学模型拟合度良好。在2 Hz振动频率下，当成熟度为H4时，其数学模型R2为0.996 7，数学模型拟合效果最优；在3 Hz振动频率下，在成熟度为H1时，电学参数Rp值与损伤面积的数学模型拟合效果最优，R2为0.997 1，拟合效果较其它成熟度较为良好；在4 Hz振动频率下，成熟度为H2时，电学参数Rp值与损伤面积拟合方程R2为0.994 3，拟合度较优。各振动频率下电学参数Rp与振动损伤面积的数学模型拟合度较好，R2值均大于0.839 8，电学参数Rp能够较好的量化评价损伤面积，所构建的数学模型可量化不同成熟度香梨的振动损伤面积。

表4 2 Hz振动频率下并联等效电阻与振动损伤面积的数学模型

表5 3 Hz振动频率下并联等效电阻与振动损伤面积的数学模型

表6 4 Hz振动频率下并联等效电阻与振动损伤面积的数学模型

2.3 香梨振动损伤微观组织结构

为揭示香梨振动损伤机制，对振动损伤香梨微观组织结构进行扫描电子显微镜试验。如图7（a）所示为正常香梨果肉组织微观结构图，图7（b）为在振动频率3 Hz、振动时间2 h条件下的损伤香梨微观组织结构图。可以看出振动损伤果肉发生轻微塌缩和折叠，果肉组织较为平整，符合平浅形特征。当香梨遭受振动损伤时，香梨损伤前后电学参数值变化较大，这是因为随着振动频率的增大香梨受损严重，香梨遭受损伤后，细胞膜破损，离子通透性增加，同时胶体结合水变成自由水，电流阻力减小，损伤香梨在给定电位差下的电荷储藏量大于无损伤香梨，因此与无损伤香梨相比，损伤后香梨的电学参数Cp增加、Rp减小［26-29］。当振动频率较小和振动时间较短时，对香梨的破坏性较小，细胞膜破裂程度较轻，香梨损伤面积较小。此时自由水和电解质溢出较少，电学参数与损伤面积的曲线变化规律较为平缓。但随着振动频率的增大和振动时间的延长，香梨遭受的载荷强度逐渐增强，香梨自身承受载荷的能力不断下降，导致香梨损伤面积快速增加，细胞膜破裂严重，自由水和电解质溢出增多，表现为电学参数与损伤面积关系曲线变化速率急增。

图7 香梨微观组织结构图

2.4 筛选最优电学参数

为了选取最优预测模型，利用RMSE和线性回归直线的R2均值对模型的预测性能进行评价。RMSE计算如下：

式（4）中N为样本总数；K1为数学模型R2值；K2为数学模型R2均值。

为筛选出最优检测振动损伤的电学参数，现将不同振动频率下对应的8种不同成熟度的数学模型进行R2均值处理和RMSE计算。由表7可知，电学参数Rp在2 Hz振动频率下的数学模型R2均值最高，电学参数Rp的RMSE与电学参数Cp的RMSE相比，差值仅为0.013 0，故在2 Hz振动频率下，电学参数Rp对振动损伤的检测效果最优；在3 Hz振动频率下，电学参数Rp的数学模型R2均值最高，其RMSE与电学参数Cp的RMSE相比，仅相差0.003 4，故电学参数Rp对3 Hz振动频率下的振动损伤检测程度最优；在4 Hz振动频率下，电学参数Rp的数学模型R2均值最高，其RMSE与电学参数Cp的RMSE相比，仅相差0.007 9，故电学参数Rp对4 Hz频率下的振动损伤检测程度最优。综上，电学参数Rp在2～4 Hz振动频率下的香梨损伤检测效果最优，电学参数Cp的R2均值也均在0.899 5以上，也可用于香梨振动损伤量化评价电学参数指标。

表7 各电学参数数学模型R2均值和RMSE统计表

3 讨论与结论

香梨机械损伤主要取决于香梨自身属性和外界载荷作用，成熟度作为香梨自身属性，对果实损伤程度影响显著。有学者认为成熟度与机械强度负相关，成熟度较大的果实易损伤［30］，也有学者认为成熟度与机械损伤敏感度负相关，成熟度较小的果实易损伤［30］。因此探究不同成熟度下香梨损伤是本试验探究的前提条件。本研究通过试验发现的振动损伤规律与李晓娟［6］进行的振动模拟试验研究结果一致。证明振动频率、振动时间以及成熟度对香梨损伤影响较大，在实际运输过程中，应考虑上述影响因素，将香梨损伤率降到最低。

库尔勒香梨果皮薄，果肉多汁，其内部存在大量带电粒子，香梨遭受振动损伤时，果肉发生轻微塌缩和折叠，内部物质和能量转换发生一系列变化，影响了生物电场的分布和强度，宏观上表现为电学特性发生改变，有利于发挥电特性检测技术快速、灵敏、操作方便的优点。本研究结果发现，随着振动频率的增大，香梨损伤前后电学参数变化较大，与无损香梨相比，损伤后的香梨电学参数Cp呈现增加、Rp呈现降低的变化趋势，与唐燕等［14］、郭文川等［15］、陈志远等［16］研究水果损伤后电学参数变化的规律一致，发现无损伤与有损伤果实的电学参数变化规律存在明显区别。

综上，在相同成熟度和振动频率下，香梨振动损伤面积均随振动时间的延长而增大。在相同振动时间和成熟度下，香梨振动损伤面积均随振动频率的增大而增大。在相同振动时间和振动频率下，香梨振动损伤面积均随成熟度的增加而增大。随着振动频率的增加，香梨损伤前后的电学参数Cp、Rp变化较大，与无损伤香梨相比，损伤后的香梨电学参数Cp呈现增加的变化趋势，而Rp呈现减小的变化趋势。在2 Hz、3 Hz和4 Hz振动频率下，电学参数Cp、Rp与损伤面积数学模型均符合二次函数，所构建的电学参数与损伤面积的数学模型能够有效量化香梨振动损伤面积，其中电学参数Rp能够较好的量化评价2～4 Hz振动频率下的香梨损伤面积。研究结果可为库尔勒香梨振动损伤量化提供理论指导。