基于微波介电特性无损测量水果品质的研究

摘 要：水果从结果到成熟再到腐败的过程中，其风味会不断发生变化，如何甄别品质优越的果品对于果农选种育种、建立优质品牌形象以及消费者获得良好消费体验十分重要。近年来，无损检测技术以其无损性、快速性在果品检测方面占据重要地位。目前常见的无损检测方法有X射线检测、近红外光谱法、高光谱成像技术、太赫兹光谱技术、机器视觉检测技术、声学特征检测、光学特征检测以及介电特性分析法等，而微波介电技术以其无损、快速、精确的优点在评估水果品质方面得到广泛研究。本文综述了基于介电特性测定果品品质的原理、基于介电特性的无损检测方法以及各技术的适用场景、优缺点，分析了无损检测的重要性以及微波介电技术未来的研究方向。

关键词：水果品质;介电特性;无损检测;机器学习

Study on Nondestructive Measurement of Fruit Quality based on Microwave Dielectric Properties

ZENG Xinhai， WANG Wei

（Northwest University of Agriculture and Forestry Science and Technology， Xianyang 712100， China）

Abstract： In the process of fruit from fruiting to ripening and then to spoilage， its flavor will change constantly. How to identify high-quality fruits is very important for fruit farmers to select seeds and breeding， establish high-quality brand image and consumers to obtain good consumption experience. In recent years， non-destructive testing technology plays an important role in fruit detection because of its non-destructive and rapid performance. At present， the common non-destructive testing methods include X-ray testing， near-infrared spectroscopy， hyperspectral imaging technology， terahertz spectroscopy， machine vision testing technology， acoustic feature testing， optical feature testing and dielectric property analysis. Microwave dielectric technology has been widely studied in the evaluation of fruit quality because of its non-destructive， fast and accurate advantages. In this paper， the principle of measuring fruit quality based on dielectric properties， the non-destructive testing methods based on dielectric properties， and the applicable scenarios， advantages and disadvantages of each technology are summarized. The importance of non-destructive testing and the future research direction of microwave dielectric technology are analyzed.

Keywords： fruit quality; dielectric properties; non destructive testing; machine learning

果品的品质可以由糖度、硬度、可溶性固形物含量以及含水率等理化性质指标综合判别，最直观的联系就是找出理化性质及理化指标含量与果品成熟度的相关性。传统的判别方法主要为果农主观经验判断，但对于大产量的水果判别，人工识别耗时耗力，且该方法的准确度没有统一标准。除传统人工识别外，其他通过测量水果理化性质的方法需要对果品产生损伤以获取果品样本实现检测，受限于检测成本与时间成本，该方法并不能应用于基量大的水果检测中。

为解决以上问题，无损检测技术应运而生，其通过对被测物加以外部激励，研究从被测物中透射与反射出的物理指标，实现对待测物体的化学及物理性质的评价与判断。目前常见的无损检测方法有X射线检测、近红外光谱法、高光谱成像技术、太赫兹光谱技术、机器视觉检测技术、声学特征检测、光学特征检测以及介电特性分析法等。Soltani等[1]研究了香蕉果实介电常数与品质参数的关系，结果表明在一定的频率下该方法建立起了介电参数与香蕉果实成熟度的关系模型，并可以很好地预测香蕉果实的成熟程度。商亮[2]利用介电谱技术实现了对苹果的可溶性固形物含量、酸度以及含水率的检测与对苹果种类的识别。郭交等[3]基于微波自由空间测量不同频率、温度、含水率和容积密度下的小麦介电常数，分析了上述因素对介电特性的影响，并以此建立起了对小麦含水率的预测模型。Golic等[4]利用近红外光谱技术对核果（桃子、油桃和李子）的内部食用品质参数进行了无损检测，研究了总可溶性固形物（TSS）属性的校准模型性能（R2>0.88，RMSECV 0.53%～0.88%TSS，SDRCV 2.9～3.7），并分析了温度变化对模型鲁棒性的影响。郭志明等[5]采集苹果330～1 100 nm的高光谱图像，分别提取不同大小的圆形感兴趣区域和方形感兴趣区域的平均光谱，采用偏最小二乘法分别建立苹果的糖度定量分析模型，分析了高光谱图像中感兴趣区域形状和大小对苹果可溶性固形物含量预测性能的影响，指出合适形状和大小的感兴趣区域选择可以显著提高预测精度。

此外，电学特性检测中基于介电特性的无损检测在果品品质评估中也发挥着极其重要的作用。国内外众多学者已对果品的品质与介电特性之间的关系进行了大量的研究分析，如Soltani 等[6]研究了香蕉果实介电常数与品质参数的关系，在预测成熟程度的最佳正弦波频率100 kHz下，成熟水平预测的决定系数R2为0.94，该方法可以很好地预测香蕉果实的成熟程度。马飞宇等[7]针对高压脉冲电场作用果蔬细胞层面，分析了电参数对果蔬介电特性的影响，对果蔬生物组织等效电路模型和电参数对果蔬等效电容、等效阻抗等介电特性的影响等方面进行了综述分析及机理分析。Fang等[8]利用开放式同轴探针和矢量网络分析仪，对来自不同地区的168个库尔勒香梨在10～4 500 MHz的201个离散频率下的介电常数和介电损耗因子进行了测量，实现了利用库尔勒香梨的介电光谱无损检测其含糖量和硬度。因此，本文基于果品介电特性的无损检测展开研究总结，并讨论其未来的发展方向。

1 介电特性无损检测原理

水果是一种非线性的各向异性的不均匀电介质，在外加电场作用下发生极化，同时水果内部的电子、原子与分子随电场变化发生移动与偏转。大量研究表明，水果的极化效应与其状态有密切关系，而极化现象反映了果品自身的介电特性。介电特性一般由被测物的复介电常数表征，如公式（1），其中相对介电常数ε′影响电场分布，并通过材料波的相位反映了材料在受到电场作用时储存能量的能力。介质损耗因素ε″影响能量的吸收和衰减，能够衡量材料对外界场的耗散或损耗程度，损耗正切tanδε反映了能量损耗特性[9]。水果自产生、成熟、损伤到腐烂的过程中，其硬度、糖度、含水量以及可溶性固形物等物理化学性质的变化会导致物质能量的转化，通过影响以上3个参数改变了果品的介电特性，因此可以通过建立在不同频率下果品介电特性与果品理化性质的关系模型实现对水果品质的无损检测与识别。

（1）

2 介电特性参数测量技术

目前常用的介电特性测量方法有平行极板技术、同轴探头技术、传输线法、谐振腔技术以及自由空间法。果品的无损检测技术是判断水果品质的重要依据，各种微波介电无损检测技术具有各自检测特点，正确认识和总结不同检测技术的优缺点，对果品精确测量与品质判定具有重要意义。以下对上述测量方法进行比较分析，实际中可以结合具体被测物、频率、精确度等要求选择适当的检测技术。

2.1 平行极板技术

平行极板技术是将一层薄薄的材料或液体夹在两个电极之间形成一个电容器，利用电介质填充于电容器中时电容容量的变化来测量材料的介电特性。按照被测物是否与电极接触可以分为接触式与非接触式。接触式的介电常数和损耗正切计算如公式（2）、公式（3）;非接触式的介电常数和损耗正切计算如公式（4）、公式（5）。

（2）

（3）

式中：Cp为被测物的等效并联电容;D为损耗因子（实测值）;tm为被测物的平均厚度;A为保护电极表面积;d为保护电极直径;ε0为自由空间介电常数。

（4）

（5）

式中：CS1为无样本时测得的电容;CS2为有样本时测得的电容;D1为无样本时的损耗系数;D2为有样本时的损耗系数;tg为保护电极与非保护电极的间隙;tm为被测物的平均厚度。

本方法的特点是原理简单、测量仪器便宜且精度较高，测量的频率范围不超过100 MHz，一般测量固体平板形物体。但由于水果的形状各异，使用平行极板技术时必须考虑形状因素对测量结果的影响。

2.2 同轴探头技术

同轴探头法是将终端开路同轴探头紧贴被测材料，通过测量探头终端的反射参数来获取材料的介电常数与损耗角正切的一种微波测量方法。该方法基于一种未知介电材料对传输线开口端所持的边缘进行扰动，不仅适用于固体介电材料，还适用于液体和气体。测试设备包括网络分析仪、测试探头、测试软件和计算机等。

该方法的优点是只需要一个小的平面进行接触即可测量，测量高损耗介电材料（tanδ<1）的特性是可能的，使用简单，结果易于解释，适合于批量处理。测量的频率为500 MHz至110 GHz的宽频。但其对于介电常数和损耗因子小的被测物体的测量精度有限。

2.3 传输线法

传输线法是一种较为传统的无损测量方法，其原理是将待测物置于封闭的传输线中，相对于原来的传输线，此时线路的特性阻抗发生变化，因此可以通过测量线路中的传输系数S21与反射系数S11实现对被测样本的介电参数的测量。测量频率不超过

100 MHz。该测量技术精准度高，且与同轴探针法相比，灵敏性更高，但比谐振腔精度低，比较费时。近年来基本很少使用该方法进行无损检测。

2.4 谐振腔技术

谐振腔法是通过测量谐振腔在某种工作模式下谐振频率的偏移及品质因数的变化，从而计算出材料的复介电常数。具体的实现方法有3种：①谐振腔微扰法[10];②圆柱形高Q腔法;③开放腔法[11]。测量的频率为1 MHz至100 GHz，需要的设备包括网络分析仪、谐振腔、软件与计算机。

该方法具有测量准确、样品易制备、测量时间短等优点，但同时也具有数据分析复杂、对网络分析仪的校准有一定要求等缺点。

2.5 自由空间法

自由空间法测量系统由发射和接收喇叭透镜天线、网络分析仪、模式转换和计算机组成。自由空间法测量系统如图1所示。

微波自由空间法利用S参数计算相对复介电常数，其实现过程为将待测样品置于两天线之间，矢量网络分析仪通过两喇叭天线发出微波信号并接收信号，数据传输给计算机实现数据储存与计算分析。

在该方法中选取了测量得到的平面样品在正常入射平面波时的自由空间反射系数S11与透射系数S21。其原理如下：