基于介电特性的花椒湿基含水率预测研究

2022-05-08韦昱伶王关平王成江

林业机械与木工设备 2022年4期

韦昱伶，王关平，王成江，于莹

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃兰州 730070)

干燥是部分农产品收获后的重要环节，决定着农产品的生产品质。花椒每年仅结果一次，每年7～9月收获，季节性强；湿花椒不易保存，若保存不当会影响花椒内部成分流失，导致品质下降甚至不能使用。因此，为了确保产品的质量，需要对花椒进行干燥处理。最初，主要通过人工主观经验判断花椒干燥品质，此方法精确度低，与精准农业发展不相适应。随着农业技术的发展，研究者通过对干燥物料进行取样分析判断物料品质，这种方法耗时耗力，且不能实时监测花椒品质的变化[1，2]。因此，在干燥过程中对农产品品质高效快捷地在线监测是至关重要的。

近年来，无损检测技术在农产品品质检测方面得到了发展。无损检测技术按照检测方法可以分为70多种，其中基于介电特性的无损检测技术方法原理简单、成本低、效率高，能够实现高质量的农产品内部品质检测[3-6]。目前，基于介电特性对农产品含水率的快速检测应用比较广泛。张国坤[7]等自制平行电极板研究玉米叶片中的含水率与其介电特性的变化，并建立模型设计了一款玉米叶片含水率检测系统；王琴[8]等研究微波干燥过程中介电参数与含水率的关系，建立了数学模型，并将其应用于介电检测系统。然而，对含水率的检测仅仅是农产品内部品质无损检测的基础，因此，更多研究者探究了利用介电特性实现农产品内部品质的检测。Nelson[9，10]等对西瓜、蜜瓜的内部品质与介电参数的关系进行了研究，发现密瓜果肉和果汁的相对介电常数和介电损耗因子具有良好的线性关系；高亚平[11]等对基于介电特性的青萝卜干燥品质进行预测，检测了16～3 500 MHz频段内的介电特性参数，分析了介电参数和含水率、糖度、密度的关系，并建立了相关模型，验证得到预测青萝卜干燥品质的模型是准确的；李光辉[12-15]等研究新疆红枣在干燥过程中温度和检测频率对介电参数的影响，得出结论在干燥温度为55 ℃，检测频率为0.1 kHz时，其介电参数与内部品质的变化规律最为明显，并在此条件下，建立了预测红枣内部品质的回归模型。

目前，仍未见报道有关基于介电特性干燥花椒品质检测的相关文章。物料干燥过程中含水率的变化是研究其他特性的基础。本文主要研究在不同温度和检测频率下含水率与介电特性的关系，并且建立回归模型进行相关性分析，为之后研究基于介电特性预测花椒品质提供数据参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料、仪器及设备

试验材料选择八月份成熟的新鲜大红袍，购于陕西省韩城市。试验时，从其中摘除花椒枝叶，挑选出大小均匀，没有任何损伤的优质花椒。样品花椒的湿基含水率在55.0±2%之间，将样品装入自封袋保存；试验仪器及设备主要有：电子天平；DHG-9030A型鼓风干燥箱；IM3536LCR测量仪。

1.2 试验方法

在进行花椒干燥试验之前，从中挑选出质量均匀、无任何损伤的花椒，花椒称重、装盘，然后进行热风干燥试验。花椒进行热风干燥时，干燥温度分别设置为40 ℃、50 ℃、60 ℃，装载量为300 g，干燥周期为1 h，当花椒含水率降低至安全含水率10%时停止干燥试验。干燥期间每隔1h使用LCR数字电桥对介电特性进行检测，选择测量频率范围为0～100 kHz，检测电压为1 V。每组试验重复三次，取平均值。本文引入了电阻RQ、复阻抗ZQ、损耗系数D、单重品质因数Q这四个介电参数对干燥花椒进行试验。一般用干基含水率和湿基含水率表示物料中水分的含量，湿基含水率W是由物料质量计算获得的，本实验研究花椒干燥过程中湿基含水率W与其介电特性的关系，并建立相关模型。

2 试验结果与分析

2.1 频率对花椒介电参数的影响

为了更好体现花椒在干燥过程中湿基含水率W对介电参数的影响，本文选择在干燥温度为40 ℃时，根据检测结果选出1 kHz、10 kHz、40 kHz、70 kHz、100 kHz频率下介电参数的变化，不同频率下湿基含水率与介电参数变化关系如图1所示。

图1 不同频率下湿基含水率与介电参数变化关系

由图1可知，在不同检测频率的情况下，随着花椒在干燥过程中湿基含水率逐渐降低，相应介电特性参数的变化趋势各自相近。由图1(a)和(b)可知，RQ和ZQ的变化一致，先急速上升再急速下降。当检测频率为1 kHz时，变化幅度波动很大，含水率在40%左右时达到最大值；当检测频率为10～100 kHz时，变化幅度波动较小；由图1(c)可知，在不同的检测频率下，损耗系数D的变化趋势整体为上升趋势。当检测频率为1 kHz时，损耗系数D的数值比其他检测频率的数值都高，且变化幅度明显；从图1(d)可知，随着花椒湿基含水率的降低，Q在含水率55%～50%时先下降，然后在含水率50%～45%时上升，在含水率45%～25%时又开始下降，在含水率20%之后急剧上升再急剧下降，且在含水率15%左右时达到最高值。整个干燥过程中，当检测频率为1 kHz时，Q的变化幅度比较小，且数值都小于1；当为其余检测频率时，Q的变化幅度波动较大。

综上所述，当干燥温度为40 ℃、检测频率为1 kHz时，RQ、ZQ、D这三个介电参数的变化幅度比较大，容易体现出含水率与介电特性的变化关系，且此时Q的值都小于1。因此，在干燥温度为40 ℃时，用介电特性对花椒品质进行无损检测较为理想的检测频率为1 kHz。

2.2 温度对花椒介电参数的影响

检测频率为1 kHz时，随着湿基含水率的降低，介电特性在不同温度(40 ℃、50 ℃、60 ℃)下的变化规律如图2所示。由图2(a)和(b)可知，在干燥过程中，RQ和ZQ在不同干燥温度下，变化规律基本一致。当干燥温度为40 ℃时，RQ和ZQ的变化幅度比较大，而干燥温度为50 ℃与60 ℃变化幅度相对较小；由图2(c)可知，随着花椒的含水率降低，D在不同干燥温度时变化趋势不一致，因此干燥温度对D是有影响的，而且在干燥温度为40 ℃时，D的变化相比较其他两个温度变化较为稳定；由图2(d)可知，当干燥温度为40 ℃时，Q的变化幅度比较小，且数值基本都小于1；当干燥温度为50 ℃和60 ℃时，Q的变化趋势大致相同，先下降再上升。

图2 不同温度下湿基含水率与介电参数变化关系

综上所述，当检测频率为1 kHz、干燥温度为40 ℃时，介电参数与含水率之间的变化相比其他温度更稳定，且线性度更好。因此，热风干燥花椒对介电特性的检测过程中，选择干燥温度40 ℃、检测频率为1 kHz达到的效果最佳。

3 模型的建立

3.1 介电特性与湿基含水率的回归模型

为了进一步分析介电特性参数与湿基含水率的关系，通过Origin软件，在干燥温度40 ℃、检测频率1 kHz条件下，对介电特性参数与湿基含水率的关系进行多项式拟合，其拟合结果如图3所示。

由图2(a)和(b)可以看出，电阻RQ与复阻抗ZQ的变化趋势基本一致，所以选择任意一个参数进行介电特性与湿基含水率相关性分析，这里选择复阻抗ZQ。从图3(a)可以看出，对复阻抗ZQ和花椒湿基含水率W进行多项式拟合得出决定系数R2为0.698 5，其相关性较差；从图3(b)可以看出，对损耗因数D和花椒湿基含水率W进行多项式拟合得出决定系数R2为0.944 1，其相关性较好，可用来预测干燥过程中花椒湿基含水率的变化；从图3(c)可以看出，对单重品质因数Q和花椒湿基含水率W进行多项式拟合得出决定系数R2为0.612 8，其相关性较差，因此，Q不能用来预测干燥过程中花椒湿基含水率的变化。

综上所述，损耗因数D和花椒湿基含水率W进行拟合得到的R2比其他两个介电参数的R2更大，相关性更明显，所以选择损耗因数D对干燥过程中花椒湿基含水率的变化进行预测。

图3 介电特性参数与湿基含水率变化关系及拟合曲线

3.2 模型检验

为了进一步验证利用损耗因数D对花椒干燥过程中湿基含水率的预测效果，本文按照1.2的试验方法再次测量干燥温度为40 ℃、检测频率为1 kHz下花椒不同湿基含水率的损耗因数D，将测得的试验数据代入损耗系数D与湿基含水率W的回归模型并计算出结果，将计算值与实测值进行对比，湿基含水率实测值与预测值关系图如图4所示。由图4可以看出，花椒干燥过程中实际湿基含水率与预测湿基含水率的决定系数R2为0.989 3，湿基含水率的预测模型误差较小，因此利用损耗因数D对花椒干燥过程中湿基含水率变化的预测是可行的。