农业物料物理特性的研究及其应用进展
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击、 振动、 屈服强度、 硬度、 蠕变、 松弛和流变等特性， 散粒体 物料的摩擦、 粘附、 变形、 流动、 离析等特性， 液体物料的 流 体 力学特性、 流变、 黏性、 黏弹性等特性， 声学特性和超声波特
［!］ 。 性。 这些力学特性是农业物料物理特性中极其重要的内容
国内外学者对此进行了广泛深入的研究， 研究成果 在 农 业 工 程中得到了大量的应用。 农业固体物料的力学特性 农业固体物料 （如作物茎秆、 果实等） 在农业物 料 中 占 较 大比例， 研究及应用范围十分广泛。袁志华等人［!"］ 通过对农 作物茎秆的弹性模量、 秆长、 穗位、 截面尺寸等物理量 的 测 量 分析， 利用力学理论和方法， 建立了农作物茎秆的力学 模 型 ， 对玉 可用于对农作物抗倒伏能力的综合评价； 李得孝等 人［!#］ 米抗倒伏性指标进行了试验研究， 测定了玉米茎秆 的 穿 刺 强 度、 田间抗拉弯强度、 室内横折强度， 分析了茎秆力学 特 性 与 试验研究了 不 同 栽 培 植株农艺性状的相关性； 郭玉华等人［!$］ 条件对水稻茎秆弯折力、 断面模数、 基节折断弯矩、 弯曲应力 和株高的影响。这些研究成果为作物抗倒伏理论研 究 、 抗倒 伏作物品种选育、生产管理等提供了理论基础和技 术 支 持 。
ห้องสมุดไป่ตู้
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基金项目： 山西省科技攻关项目： 小杂粮机械化生产装备及关键技术的研究 （项目编号： ； 山西农业大学科技创新基金项目： 小型人畜力 #!!#$# ） 谷子精量 （半精量） 播种机的研究 （项目编号： 。 !##%%& ） 作者简介： 崔清亮 （%’$" —） ， 男， 山西繁峙人， 副教授， 在读博士， 主要从事农业机械化研究； 通讯作者： 郭玉明 （%’(& —） ， 男， 山西平定人， 教授， 博士生导师， 主要从事农业生物力学与物料机械特性研究。 收稿日期： 修回日期： !##$)#*)!! ； !##$)#’)#(
［*］ 等人根据苹果表面的碰伤 产品品质检测和分级。?LMN712LK
。
随着农业现代化进程的不断发展， 农业物料物理特 性 的 研究领域不断拓宽和加深， 研究方法、 测试手段和技术不断 改进， 研究成果在农业生产和农业物料加工机械装备及系 统 的设计、 生产工艺过程的检测与控制等领域得到了广泛的 应 美、 日等发达国家就在该领域展 用。早在 !# 世纪 &# 年代欧、 并 开了研究，我国在 !# 世纪 "# 年代才开始这方面的研究 ， 取得了一定的成绩， 但与国际同类研究相比， 在研究对象、 测 试方法、 应用领域等方面均存在很大差距［%］ 。
［"#］ 。研究农业物料的声学特性对农业物料的 作用的基本规律
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性强的玉米良种。 对玉米秸秆的茎叶连接力、 叶鞘的抗拉特 高梦祥等人［!,］ 性和茎秆、 叶鞘的抗冲击特性进行了测试分析研究， 结果表 叶 鞘 抗 拉 力 为 #0"!1 ， 叶鞘抗冲 明： 茎 叶 连 接 力 为 -./0!,1 ， 茎 秆 抗 冲 击 能 量 为 ".#0$".23， 这些力学 击 能 量 为 -.+0#.23， 特性参数是玉米秸秆固有的， 并具有统计规律性， 为玉米收 获、 加工机械的茎叶分离装置提供了重要的设计参 数 。 张 彦 对玉米秸秆的破碎力学特性进行了研究， 做了 玉 米 秸 秆 河［!/］ 的径向剪切、 轴向剪切试验， 测定分析了秸秆含水率、 茎节状 况、 生长部位、 剪切变速度对剪力的影响， 结果表明： 含水率 是影响径向破碎的主要因素， 而茎节的状况是影响 轴 向 破 碎 的主要因素， 另外， 从应力角度看， 轴向破碎要比径向 破 碎 容 易得多， 为玉米茎秆切割装置的设计提供了依据。 王荣等人
［%， !］
吸附性等物理特性，对油菜籽的预处理方法和压榨工艺选 对包 择， 提高油脂提取效率有重要的指导意义。 张桂华等人［(］ 衣稻种的粒径、 球度、 千粒重、 密度、 休止角、 摩擦角等物理 参 数进行了测试研究， 其研究结果为排种器结构和排种 性 能 设 对常见农产品的几何形态、 纤维 计提供了设计依据。 王文奎［$］ 性、 软脆性、 硬脆性、 塑韧性、 弹性、 粘附性等物理特性及相 应 的切片加工工艺进行了分析研究， 给出不同物理性状 农 产 品 最佳切制加工工艺方法， 为农产品深加工切片工艺装 备 的 研 发提供了技术支持。根据农产品物料的大小、 形状、 色彩 、 文 理、 表面缺陷等基本物理特征， 利用机器视觉技术可实现农
第 !" 卷第 % 期
农业现代化研究 农业现代化研究
第 !" 卷 HI2;!" FI;%
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农业物料物理特性的研究及其应用进展 >
崔清亮， 郭玉明
（山西农业大学工程技术学院， 山西 太谷
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农业物料基本物理特性的研究及其应用
农业物料的基本物理特性，主要包括物料的单元素尺
色泽和固酸比与柑橘成熟度的关系，利用机器视觉技 术 ， 建 对 立了用于柑橘成熟度检测的机器视觉系统。张健平等人［%#］ 烟叶的颜色特征进行了分析，并利用计算机图像处理 技 术 ， 综合运用多种色度系统得出了烟叶颜色的定量分析判别方 法， 可作为烟叶分级的辅助手段。
摘
要： 农业物料物理特性的研究为农业生 产 、 农业物料加工机械装备及系统的设计、 生产工艺过程的检测与控制
等提供了理论基础和技术手段， 其研究成果的应用对提高农业机械及装备现代化水平有重要的作用。本文对主要农 业物料的基本物理特性、 力学特性、 光学特性和电学特性的研究及其应用进展进行综述。 关键词： 农业物料； 物理特性 中图分类号： 9:!#!;% 文献标识码： < 文章编号： （!##* ） %###)#!*( #%)#%!&)#&
寸、 综合尺寸、 外观形状和颜色、 密度、 空隙率、 摩擦因数、 表 面特征、 宏观和微观结构等。农业物料的种类繁多， 其基本物 理特性各异， 研究内容丰富， 许多研究成果得到了广泛应用。
［&］ 和 DKL83 等人 研究了油菜籽的形态、 结构、 细胞组 李诗龙［=］
织、 散体的密度、 摩擦因数、 弹性模量和泊松比以及渗透性和
［!+］ 利用茎秆的穿刺强度作为选择指标， 选育出抗倒伏 %&’()*
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中介绍： 一般来说， 蜂蜜的含水量是决定其流变特性的主
要 因 素 ， 蜂 蜜 的 测 定 结 果 显 示 ， 当 含 水 量 从 !4.2F 增 加 到 黏度随之而减小， 并随含水量的变化其速率也由大 "4.-F时， 变小。这些研究成果表明， 可用蜂蜜的含水量和黏度指标， 迅 速准确地评价蜂蜜的品质。 农业物料的声学特性 农业物料的声学特性是指物料在声波作用下的反射特 性、 散射特性、 透射特性、 吸收特性、 衰减系数和传播速度及 其本身的声阻抗与固有频率等， 它们反映了声波与 物 料 相 互
特点，应用黑白图像处理技术对苹果表面的碰伤进行 检 测 ， 对 并能根据美国的苹果等级标准进行分级。 D3KOM30P 等人［"］ 马铃薯的尺寸和形状特性参数进行了研究， 设计出一 种 计 算 机视觉系统，能把马铃薯按不同尺寸和形状分成不同的级
［’］ 应义斌等人 根据柑橘表面 别， 分选速度可达到 &# 个 Q 8/0 。
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第!期
崔清亮等： 农业物料物理特性的研究及其应用进展
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农业物料力学特性的研究及其应用
农业物料力学特性包括固体物料的应力 —应 变 规 律 、 冲
业跨学科的流变学学会。 56& 等人［!4］ 研究了大豆及大豆种皮 在不同温度和含水率下的粘弹性，建立了广义的 789:)(( 模 型，并于 !44- 年研究了大豆叶的力学特性和 大 豆 籽 粒 的 破 坏力， 通过应力松弛、 压缩、 弯曲试验， 测得了大豆子叶的松 进行了稻米的应 弛模量、 极限压缩和拉伸强度。 ;8<=> 等人［"-］ 力松弛试验， 研究表明： 稻米是线性粘弹性体， 其弹性 模 量 和 压缩强度随变形速率的增大而增大， 随温度及含水 率 的 增 大 对大 而减小， 在含水率较低时温度影响较大。马小愚等 人［"!］ 豆和小麦籽粒进行了力学流变学性质的试验研究， 给出了性 能数据及有关影响因素。这些研究成果为谷物加工工艺及加 工设备的设计制造提供了技术依据。 采用流变学方法对国产蜂蜜流变特性进 潘 君 拯 等 人［""］ 行了研究，流变试验数据分析表明：国产蜂蜜流变模型为 而 非 以 前 所 认 为 的 A6@BC8< 体 ， 影响国产蜂蜜粘 1):>?@ 体 ， 度的诸因素中， 水分的影响最为显著， 建立了国产蜂 蜜 DE>E 以充分描述其水分、 温度与粘度之间的各种关系。文献 ! 图，
［!2］
检测、 分类、 分级等有重要的意义。近 #- 年， 声学特性在农产 品无损检测技术中的研究和应用发展很快。目前， 美国在这 方面的研究处于领先地位。 对苹 果 的 声 学 特 性 进 行 了 研 究 ， 发现苹果 GHH?>> 等人［"$］ 在受到声波激励后有许多共振点， 还可利用苹果的 声 学 特 性 测出苹果的杨氏模量、 密度和泊松比等机械特性。 I&B6*8<<8 等人［"+］ 为了监测甜瓜在生长过程中的成熟度， 研究了甜瓜的 声波响应特性， 发现随着甜瓜的成熟， 甜瓜的共振频率 降 低 ， 据此研制出一种便携式的甜瓜硬度测定仪。 GJ<=>J?@B 等人［",］ 通过研究桃子的声学特性，发现桃子的声波响应特性与其 认为可以利用硬度因子作为 KLL)EB6 硬度具有较高的相关性， 的研究表明， 硬度指标来检验桃子 的 成 熟 度 。 I8(M)6> 等 人［"/］ 西红柿在声波作用下的共振频率随贮藏时间的延长 而 减 小 ， 并与硬度显著相关，为西红柿的贮藏提供了技术支持。 提出了基于第一共振频率和西红柿质量的硬度检 INC?>>)［"2］ 测因子， 试验表明： 利用该硬度因子来测定西红柿的硬度比 专家主观评审具有更高的可重复性和精确度， 为西 红 柿 质 量 利用声 检测和评定提供了实用定量的技术参数。 A)(6) 等人［"4］ 脉冲响应技术对生长在梨树上的梨的硬度变化进行了实时 监测，发现梨的硬度与其声脉冲响应特性的相关性达到 依此可以确定梨的适宜采收时间。 -.2" ， 我国在这方面的研究起步较晚，但近年来有长足的发 测定了西瓜果实的打击声波曲线 ， 研究发 展。何东健等人［#-］ 现： 未熟果在打击瞬时， 其声波振幅达到最大， 随后急剧衰
农业物料通常指与农业工程直接相关的动物、植物 、 微 生物等农产品及与农业生产直接相关的一些生产资料 （如 种 子， 肥料， 果实等） 。农业物料的种类不同， 其物理特性也不 同。农业物料的物理特性主要包括农业物料的基本物理特 征、 力学特性、 电特性、 光特性、 热特性等， 以及某些特性之间 的相互影响
击、 振动、 屈服强度、 硬度、 蠕变、 松弛和流变等特性， 散粒体 物料的摩擦、 粘附、 变形、 流动、 离析等特性， 液体物料的 流 体 力学特性、 流变、 黏性、 黏弹性等特性， 声学特性和超声波特
［!］ 。 性。 这些力学特性是农业物料物理特性中极其重要的内容
国内外学者对此进行了广泛深入的研究， 研究成果 在 农 业 工 程中得到了大量的应用。 农业固体物料的力学特性 农业固体物料 （如作物茎秆、 果实等） 在农业物 料 中 占 较 大比例， 研究及应用范围十分广泛。袁志华等人［!"］ 通过对农 作物茎秆的弹性模量、 秆长、 穗位、 截面尺寸等物理量 的 测 量 分析， 利用力学理论和方法， 建立了农作物茎秆的力学 模 型 ， 对玉 可用于对农作物抗倒伏能力的综合评价； 李得孝等 人［!#］ 米抗倒伏性指标进行了试验研究， 测定了玉米茎秆 的 穿 刺 强 度、 田间抗拉弯强度、 室内横折强度， 分析了茎秆力学 特 性 与 试验研究了 不 同 栽 培 植株农艺性状的相关性； 郭玉华等人［!$］ 条件对水稻茎秆弯折力、 断面模数、 基节折断弯矩、 弯曲应力 和株高的影响。这些研究成果为作物抗倒伏理论研 究 、 抗倒 伏作物品种选育、生产管理等提供了理论基础和技 术 支 持 。
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随着农业现代化进程的不断发展， 农业物料物理特 性 的 研究领域不断拓宽和加深， 研究方法、 测试手段和技术不断 改进， 研究成果在农业生产和农业物料加工机械装备及系 统 的设计、 生产工艺过程的检测与控制等领域得到了广泛的 应 美、 日等发达国家就在该领域展 用。早在 !# 世纪 &# 年代欧、 并 开了研究，我国在 !# 世纪 "# 年代才开始这方面的研究 ， 取得了一定的成绩， 但与国际同类研究相比， 在研究对象、 测 试方法、 应用领域等方面均存在很大差距［%］ 。
［"#］ 。研究农业物料的声学特性对农业物料的 作用的基本规律
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吸附性等物理特性，对油菜籽的预处理方法和压榨工艺选 对包 择， 提高油脂提取效率有重要的指导意义。 张桂华等人［(］ 衣稻种的粒径、 球度、 千粒重、 密度、 休止角、 摩擦角等物理 参 数进行了测试研究， 其研究结果为排种器结构和排种 性 能 设 对常见农产品的几何形态、 纤维 计提供了设计依据。 王文奎［$］ 性、 软脆性、 硬脆性、 塑韧性、 弹性、 粘附性等物理特性及相 应 的切片加工工艺进行了分析研究， 给出不同物理性状 农 产 品 最佳切制加工工艺方法， 为农产品深加工切片工艺装 备 的 研 发提供了技术支持。根据农产品物料的大小、 形状、 色彩 、 文 理、 表面缺陷等基本物理特征， 利用机器视觉技术可实现农
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崔清亮， 郭玉明
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农业物料基本物理特性的研究及其应用
农业物料的基本物理特性，主要包括物料的单元素尺
色泽和固酸比与柑橘成熟度的关系，利用机器视觉技 术 ， 建 对 立了用于柑橘成熟度检测的机器视觉系统。张健平等人［%#］ 烟叶的颜色特征进行了分析，并利用计算机图像处理 技 术 ， 综合运用多种色度系统得出了烟叶颜色的定量分析判别方 法， 可作为烟叶分级的辅助手段。
摘
要： 农业物料物理特性的研究为农业生 产 、 农业物料加工机械装备及系统的设计、 生产工艺过程的检测与控制
等提供了理论基础和技术手段， 其研究成果的应用对提高农业机械及装备现代化水平有重要的作用。本文对主要农 业物料的基本物理特性、 力学特性、 光学特性和电学特性的研究及其应用进展进行综述。 关键词： 农业物料； 物理特性 中图分类号： 9:!#!;% 文献标识码： < 文章编号： （!##* ） %###)#!*( #%)#%!&)#&
寸、 综合尺寸、 外观形状和颜色、 密度、 空隙率、 摩擦因数、 表 面特征、 宏观和微观结构等。农业物料的种类繁多， 其基本物 理特性各异， 研究内容丰富， 许多研究成果得到了广泛应用。
［&］ 和 DKL83 等人 研究了油菜籽的形态、 结构、 细胞组 李诗龙［=］
织、 散体的密度、 摩擦因数、 弹性模量和泊松比以及渗透性和
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中介绍： 一般来说， 蜂蜜的含水量是决定其流变特性的主
要 因 素 ， 蜂 蜜 的 测 定 结 果 显 示 ， 当 含 水 量 从 !4.2F 增 加 到 黏度随之而减小， 并随含水量的变化其速率也由大 "4.-F时， 变小。这些研究成果表明， 可用蜂蜜的含水量和黏度指标， 迅 速准确地评价蜂蜜的品质。 农业物料的声学特性 农业物料的声学特性是指物料在声波作用下的反射特 性、 散射特性、 透射特性、 吸收特性、 衰减系数和传播速度及 其本身的声阻抗与固有频率等， 它们反映了声波与 物 料 相 互
特点，应用黑白图像处理技术对苹果表面的碰伤进行 检 测 ， 对 并能根据美国的苹果等级标准进行分级。 D3KOM30P 等人［"］ 马铃薯的尺寸和形状特性参数进行了研究， 设计出一 种 计 算 机视觉系统，能把马铃薯按不同尺寸和形状分成不同的级
［’］ 应义斌等人 根据柑橘表面 别， 分选速度可达到 &# 个 Q 8/0 。
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农业物料力学特性的研究及其应用
农业物料力学特性包括固体物料的应力 —应 变 规 律 、 冲
业跨学科的流变学学会。 56& 等人［!4］ 研究了大豆及大豆种皮 在不同温度和含水率下的粘弹性，建立了广义的 789:)(( 模 型，并于 !44- 年研究了大豆叶的力学特性和 大 豆 籽 粒 的 破 坏力， 通过应力松弛、 压缩、 弯曲试验， 测得了大豆子叶的松 进行了稻米的应 弛模量、 极限压缩和拉伸强度。 ;8<=> 等人［"-］ 力松弛试验， 研究表明： 稻米是线性粘弹性体， 其弹性 模 量 和 压缩强度随变形速率的增大而增大， 随温度及含水 率 的 增 大 对大 而减小， 在含水率较低时温度影响较大。马小愚等 人［"!］ 豆和小麦籽粒进行了力学流变学性质的试验研究， 给出了性 能数据及有关影响因素。这些研究成果为谷物加工工艺及加 工设备的设计制造提供了技术依据。 采用流变学方法对国产蜂蜜流变特性进 潘 君 拯 等 人［""］ 行了研究，流变试验数据分析表明：国产蜂蜜流变模型为 而 非 以 前 所 认 为 的 A6@BC8< 体 ， 影响国产蜂蜜粘 1):>?@ 体 ， 度的诸因素中， 水分的影响最为显著， 建立了国产蜂 蜜 DE>E 以充分描述其水分、 温度与粘度之间的各种关系。文献 ! 图，
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检测、 分类、 分级等有重要的意义。近 #- 年， 声学特性在农产 品无损检测技术中的研究和应用发展很快。目前， 美国在这 方面的研究处于领先地位。 对苹 果 的 声 学 特 性 进 行 了 研 究 ， 发现苹果 GHH?>> 等人［"$］ 在受到声波激励后有许多共振点， 还可利用苹果的 声 学 特 性 测出苹果的杨氏模量、 密度和泊松比等机械特性。 I&B6*8<<8 等人［"+］ 为了监测甜瓜在生长过程中的成熟度， 研究了甜瓜的 声波响应特性， 发现随着甜瓜的成熟， 甜瓜的共振频率 降 低 ， 据此研制出一种便携式的甜瓜硬度测定仪。 GJ<=>J?@B 等人［",］ 通过研究桃子的声学特性，发现桃子的声波响应特性与其 认为可以利用硬度因子作为 KLL)EB6 硬度具有较高的相关性， 的研究表明， 硬度指标来检验桃子 的 成 熟 度 。 I8(M)6> 等 人［"/］ 西红柿在声波作用下的共振频率随贮藏时间的延长 而 减 小 ， 并与硬度显著相关，为西红柿的贮藏提供了技术支持。 提出了基于第一共振频率和西红柿质量的硬度检 INC?>>)［"2］ 测因子， 试验表明： 利用该硬度因子来测定西红柿的硬度比 专家主观评审具有更高的可重复性和精确度， 为西 红 柿 质 量 利用声 检测和评定提供了实用定量的技术参数。 A)(6) 等人［"4］ 脉冲响应技术对生长在梨树上的梨的硬度变化进行了实时 监测，发现梨的硬度与其声脉冲响应特性的相关性达到 依此可以确定梨的适宜采收时间。 -.2" ， 我国在这方面的研究起步较晚，但近年来有长足的发 测定了西瓜果实的打击声波曲线 ， 研究发 展。何东健等人［#-］ 现： 未熟果在打击瞬时， 其声波振幅达到最大， 随后急剧衰
农业物料通常指与农业工程直接相关的动物、植物 、 微 生物等农产品及与农业生产直接相关的一些生产资料 （如 种 子， 肥料， 果实等） 。农业物料的种类不同， 其物理特性也不 同。农业物料的物理特性主要包括农业物料的基本物理特 征、 力学特性、 电特性、 光特性、 热特性等， 以及某些特性之间 的相互影响