农业物料电学特性及其在农业科学中的应用前景

农业物料电学特性及其在农业

科学中的应用前景

农业机械化及其自动化2014级一班赵宗坤

摘要：通过对国内外农业物料电学特性研究资料的分析，表明物料的电学特性呈现出较为复杂和多变的特点,在测量中应采用适宜的等效电路及相应的测量系统农业物料的电学特性参数如电导、电阻抗、相对介电常数、相对介质损耗因数等与农业物料的品质及生物组织的生命活力存在一定相关性。农业物料电学特性的研究在农业生产和农产品加工、贮藏等方面其有广阔的应用前景。

关健词：农业物料电学特性应用前景

农业物料指农业生产和加工的对象,如谷物、果蔬、动植物体等。农业物料的电学特性分为两类,一类是研究物料内部存在的某种能量而产生的电位差。另一类是指影响物料所在空间的电磁场及电流分布的一些特性,如电阻、电导、介电特性等川。国内外农业物料电学特性的研究起步较早,如美国、日本、前苏联等国对农业物料的研究高度重视,从0年代起就开展了大量的研究工作,特别是近0年来采用了微电脑、有限元等先进技术和方法,已形成了研究、开发、应用有机结合的完整体系。我国在此领域的研究由于种种原因,于0年代初期才开始恢复,目前尚处于探索阶段,对农业物料电学特性形成的微观机制、测试方法及手段等方面的研究还存在一定差距。随着农业生产由传统经营方式向规模化、机械化、自动化的推进,农业物料物理特性的研究、开发和应用,将是现代农业研究的必然要求。本文的目的是为农业生产、农产品加工的研究提供一个可资借鉴的物理方法,同时也为基础理论应用的研究提供一个新的连接点和领域。以下主要就第二类电学特性进行分析说明。

农业物料的电学特性参数

农业物料的电阻抗是指生物组织(包括器官)和细胞的电阻抗。生物膜是细胞进行生命活动的重要结构基础,许多生命活动都是在膜上进行的。膜的绝缘性较高,阻隔着膜两侧离子的扩散,但对某些离子又很易通过。因此,膜除具有电容性质还具有电阻性质。生物膜可用电阻、电容并联电路来模拟,生物组织也具有电阻抗特性。

生物体内存在着能迁移的带电粒子,生物体电导率可表示为:下户,其中。分别表示带电粒子的电荷和浓度,产为带电粒子的迁移率,即带电粒子在单位电场强度作用下所获得的宏观平均流速。电阻率则是电导率的倒数

物料电学特性参数的测量

直流电阻及交流电阻抗的测量

物料的直流电阻可用伏安法或补偿法测量。用低频桥式电路装置可测定其电阻抗,当采用高频电流时,还可测定物料电阻抗随频率变化的阻抗轨迹介电特性参数侧量

在高频段(50sHz以上),可用谐振回路法及驻波法测试。一般情况下常用电桥法测量,如图所示。图中物料用等效并联电路模式。根据电桥平衡条件,可确定试样的电容和损耗角正切,进而求出相对介电常数及相对介质损耗因数。

另外,也可采用间接方法,利用双向开关和高精度电压表分别测出信号发生器的输出电压和可变电阻箱两端的电压,根据选用的等效电路模式,算出待测试样的等效阻抗、介电常数和损耗因数,。还可使用介电特性测试仪或采用智能LcR 测试仪直接测定电容、电阻、阻抗模及幅角。

另外,也可采用间接方法,利用双向开关和高精度电压表分别测出信号发生器的输出电压和可变电阻箱两端的电压,根据选用的等效电路模式,算出待测试样的等效阻抗、介电常数和损耗因数。还可使用介电特性测试仪或采用智能LcR 测试仪直接测定电容、电阻、阻抗模及幅角。

物料质量评估和控制

对果蔬的实验研究发现,在100Hz一100KHz频段,苹果新鲜度降低,但未腐烂时,其果肉阻抗值趋于增加,相对介电常数和介质损耗因数下降。在5MHz-900MHZ 频段,苹果成熟时,相对介电常数和介质损耗因数有较为明显的变化。在15KHz 以下,对桃子的无损检测表明,当桃子开始腐烂受损时,电特性数值出现了一个大的反复。根据电学特性参数评价果蔬质量,实现果品分级、分选自动化,是一种发展趋势。

研究表明,正常组织与死亡组织电阻抗变化明显不同,正常组织的阻抗随频率而变,而死亡组织的阻抗不随频率而变。因此,常用低频和高频阻抗的比值表示生物组织的损伤程度和生命力的大小。在植物抗逆性和对毒性效应的研究中,电阻抗法是比外渗电导法更直接和更灵敏的方法。此外,电阻值还与树高生长量、直径生长量、材积生长量、韧皮部含水率等多种因素呈负相关。以此可正确地选择良种、诊断病虫害等。近年来,植物组织电阻抗在植物嫁接的理论研究和实践中取得了新的成果。

种子的电场处理和电力分级

谷物种子的活力与其电导率呈正相关。外加电场将诱导生物膜电位的增加,也影响着种子的电导率。试验表明,在100~500KV/m的静电场中处理黄瓜种子,其发芽率增力1%~7%,发芽势增加5%一15%。经电场处理过的马铃薯种块,电导率提高7.2%一22.4%。静电处理种子的增产效益可达10%。经处理过的种子活力指数提高10%一12%,ATP增加76.7%一216.7%,淀粉酶和脱氢酶也有一定程度的增加。应用电场处理农作物种子,为农业增产提供了一种新的原理和方法。

不同生命力的种子除电导率有差异,介电常数也存在差异,这种差异可实现种子的电选分级。电选分级具体又可分为静电式和介电式等。电选分级能有效地按生命活力进行种子分选,提高了种子的发芽率和发芽势。电选过程中,静电场对种子进行处理,将更有效地促进生长。电选分级还可有效地清除杂草种子。种子电分选是对传统种子清选的一种突破。

综上所述,农业物料电学特性与其品质及生物组织生命活力有一定相关性,利用这些特点可对农产品品质进行评定,利用讨一算机技术可实现自动检测及分选,为农业生产及农产品的加工、贮运,提供了新的手段和方法。随着农业现代化进程的推进,国内外对农业物料电特性的研究将越来越重视。因此开展农业物料电学特性理论和技术的研究蕴藏着很大的潜力,具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]毕世春原所佳植物阻抗测量的技术方法山东农业大学学报1997.28(1):45~47

[2]孙源余登苑农业生物力学及农业生物电磁学北京：中国农业出版社1996