食品品质无损检测新技术_2-10

（1）检测果蔬坚实度的冲击力方法 （2）检测果蔬坚实度的振动频率分析法
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第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第二节 利用力学特性的检测技术
（1）检测果蔬坚实度的冲击力方法
利用冲击力检测果蔬坚实度的力学原理是弹性球体与 刚性平面的跌落冲击问题。冲击力与弹性球(即果蔬)的 质量、几何尺寸、材料杨氏模量等参数有关。研究的核 心是当得到冲击力后如何估计或计算出材料的杨氏模量， 并与成熟度联系起来。 有人提出了一种非线性的球体与平板冲击的力学模型， 并通过最小二乘法拟合出球体的刚度。
(6 2 ) 2/3 2(1 ) 2 2/3 E f m 2
E……… 果蔬的杨氏模量，MPa； ρ …… 果蔬的密度，g/cm3； µ……… 果蔬的泊松比； m…… 果蔬的质量，g； Ω …… 归一化频率，Hz； f…… 果蔬的固有频率，Hz。
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需要继续研究的内容：
（1）果蔬等物料的基本力学特性和生物组织关系的系统研 究。另外，果蔬等生物材料的基本性质随品种和生长地域 不同而异，国外的研究数据不一定能用于我国的情况。 （2）将果蔬视为粘弹性、非线性材料，它跌落时与刚性平 面冲击的动力学特性的理论和试验研究。 （3）果蔬组织材料特性的时效规律研究，目前试验数据分 散和差异很可能是与对这一规律缺乏认识有关系。
质量（重量）、密度、应力-应变规律、冲击、振 动、屈服强度、硬度、蠕变、松弛、流变模型等； （2）散粒体的力学特性包含摩擦、黏附、变形、流动、 离析等； （3）液体物料的力学特性主要包含流体力学特性、 流变特性、黏性、粘弹性等；
（4）声学特性和超声波特性等。
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第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第一节 常用的力学(机械)特性
第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第二节 利用力学特性的检测技术
（3）冲击力时间特性参数 c
冲击力时间特性参数定义为冲击力峰值与到达冲击力 峰值所经过的时间之比。由前面的图可得物料的冲击力 峰值fp、达到最大力峰值所需时间tp。由此可算得冲击力 时间特性参数c：
c
fp tp
c ………… 物料的冲击时间特性，N/s； fp ………… 物料的最大冲击力，N；
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第二章 利用力学(机械)特性的检测技术
第二节 利用力学特性的检测技术 食品、农产品的力学特性是其成熟状态和品 质的一个重要指标。
果蔬生长和存储过程中，细胞间的结合力发 生变化，反映细胞间结合力变化的物理指标是其 坚实度。除此之外物料的重量、表面和内部颜色、 形状、硬度、黏度等指标均会产生一系列的变化。
利用食品与农产品的力学（机械）特性进行品质的检测 是无损检测最为常用的方法之一，及时控制生产过程。 泊松比可以衡量面包等膨松食品的膨松程度； 在面包生产中，面团的流变特性(弹性、延迟弹性、压 力松弛等)直接影响到面包的质量； 浓缩过程中，用表现黏度的变化确定其浓缩点，黏度过 大会导致变稠，过低则可能出现脂肪分离与糖沉淀。 水果的硬度直接反映出其新鲜度和糖度等内在品质指标。
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1．冲击力特性图
下面以桃子的为 例，介绍有关冲击 特性检测中的基本 定义和方法。 在高度和质量一 定时，桃子硬度不 同冲击力特性也不 同。桃子硬度越高，连续2次冲击的时间间隔长,在接触过程 中，接触冲击力开始由零快速升到峰值，随后又快速下降， 这期间力作用时间较短。
tp ………… 到达最大冲击力的时间，s。
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2．冲击力特性参数与硬度的关系
(1) 恢复系数r与硬度H的关系 由图可知，桃子硬度高，恢复 系数也高，两者关系类似于指数 曲线或双曲线。 指数曲线模型：
一般的结论：无损检测的坚实度与M-T试验结果之间的相
关性不可能好，M-T测量的是果蔬组织材料压缩和剪切共同 引起的破坏强度，它受压缩和剪切弹性模量的共同影响，而 振动固有频率无损检测仅与压缩弹性模量有关。
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如果能测得自由下落第一次碰撞结束时到回弹再次开始 碰撞时的时间间隔 t，在不计空气阻力时有：
t V2 g 2
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恢复系数计算的公式:
V2 g (t/2) g r t V1 8h 2 gh
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测试系统。
在金属平板下安装3 只压力传感器，等边三 角放置，边长为20cm。 压力传感器型号为 CL-YB-11，量程5kg， 精度等级0.3。桃子在
一定高度自由下落至金属平板上，下落同时由触发器引发示 波器记录仪表。桃子的硬度由TG-2型水果硬度计测得。
r ae
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b/H
双曲线模型：
1 b a r H
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（3）冲击力时间特性参 数C与硬度H的关系 图表示了桃子的冲击 时间特性与硬度之间的关 系曲线。硬度增加，冲击 力时间特性参数值变大。 将试验所得数据分别用：
（4）简便的在线测量、分析方法的研究，开发相应的测试 设备，使之实用化。
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二、果蔬的冲击特性的检测
检测的意义
通常成熟度判断大都采用破坏方法，如硬度、糖酸度测量。 也有非破坏法，如按颜色、呼吸强度等，一般只能作定性判 断，不适用于机械化自动分级。为此，通过研究与硬度有关 的水果冲击力学特性，建立起恢复系数、能量吸收百分率和 冲击力时间特性参数等与硬度的数学模型。可为设计水果快 速检测仪和自动分级机提供科学依据。 果蔬的冲击力特性参数主要有恢复系数、能量吸收率和时 间特性参数。
第二章 利用力学(机械)特性的检测技术
第一节 常用的力学(机械)特性 第二节 利用力学特性的检测技术
第三节 利用声学特性的检测技术 第四节 利用超声波的检测技术 第五节 力学(机械)特性的检测的常用仪器 第六节 应用实例
第二章 利用力学(机械)特性的检测技术
第一节 常用的力学(机械)特性
（1）固体物料的力学特性
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（2）检测果蔬坚实度的振动频率分析法
模型一 : 利用果蔬振动的固有频率检测其坚实度。Cooke
等建立了果蔬简化为线弹性球体的动力学模型，并通过理 论分析得到了各向同性的线弹性球状果蔬，固有频率与其 材料杨氏模量E的关系为：
（2）能量吸收率 E 第1次碰撞回弹高度势能为物料碰撞后所具有的机械能：
1 t h1 g 2 2
2
hl¨¨¨¨¨为回弹高度，m。
金属平板质量远大于桃子质量且冲击变形极小，其能量 吸收可不计。因此物料本身吸收的能量百分率 E 为：
h h1 E 100% h
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h ………… 物料的自由下落高度，m； g ………… 重力加速度，m/s2。
硬度高，t 值大，r 值变大。实际上，恢复系数为下 落后最初两次碰撞中的第二次碰撞冲量与第一次碰撞冲 量之比，故 r 是与冲量有关的参数。
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第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第二节 利用力学特性的检测技术
研究表明，西瓜的固有频率随成熟度的增加而降低，坚 实度指数与含糖量也存在明显的相关关系。 人们对检测坚实度的共同认识： (1)试验和理论分析都表明，冲击力和果蔬的固有频率随成 熟度变化，这些变化的原因是果蔬组织的杨氏模量的改变。
r ae
b/H
双曲线模型 ：
1 b a r H
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(2) 能量吸收率E与硬度H 的关系 图表示了桃子能量吸收 率与硬度之间的关系曲线。 硬度越高，桃子的吸收能量 下降。同样，将试验所得数 据分别用指数曲线模型：
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（1）恢复系数 r
恢复系数 r 的测定类似于工程材料中的恢复系数的测定， 可由自由下落至金属平板的试验测得。恢复系数的定义为：
r
V2
V1
r ………… 恢复系数，%； V1………… 物料冲击前的速度，m/s； V2 ………… 物料冲击后的速度，m/s。
第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第二节 利用力学特性的检测技术
有人用冲击振动产生的噪声和振动信号分别研究了水果 的坚实度。 苹果的结果：振动法测定的杨氏模量与压缩试验得到杨氏 模量相关性较好（0.75）；与M-T试验结果相关性较差。
桃子的结果：用固有频率测定桃子的坚实度与M-T试验
结果相关性仍不好。
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一、果蔬坚实度的检测
检测坚实度的主要原因有下面三个方面：
（1）果蔬生长中成熟度的监测和分析，决定合适的收获期。 （2）果蔬收获过程按其成熟度分级，以便存储。 （3）果蔬内部品质的检测，保鲜、存储期的确定。 坚实度检查的常用方法是M-T戳穿试验方法。 用一定直径的钢制压头，按一定的压缩速度对果蔬进行压 缩试验，同时测量压缩力，压缩力的最大值称为其坚实度。
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食品物性测试仪 （食品质构测定仪）
人民币：42.3万元
英国Stable Micro System
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1.果蔬组织材料的特性
在果蔬坚实度无损测量中，组织的杨氏模量是一个重 要的基本参数。 上世纪70年代，有人研究了果蔬被切割的方法、位置及 方向影响其物理参数。以苹果为例分成上、中、底3个高度； 东、西、南(光照面)、北4个方位；考虑径向、切向和垂直 3个方向，对这些参数组合下的试样进行了压缩试验。
模型二 理论分析认为坚实度指数应为S=2m/3f22（f2第2
固有频率）。有人对存储苹果定期进行0~600Hz宽带随机激 励，结果表明存储期内坚实度指数S=2m/3f22有明显变化。 Abott等对苹果的坚实度作了系统深入的工作。对两个主 要苹果品种用固有频率、M-T试验和苹果组织压缩试验3种 方法测量其坚实度，并进行了对比。试验表明：当固有频率 在480Hz和850Hz有二阶和三阶共振频率f2、f3存在，用f2， f3计算的坚实度指数相关性很好，因此可以用坚实度指数作 为苹果坚实度的非损伤检测指数。
结果：杨氏模量径向最大，切向最小，底部比中部和上部
大，苹果的材料性能沿圆周方向分布比较一致，但外层和 内层材料性能相差较大，比较成熟时内外层材料性能差异 变小。
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2．果蔬坚实度检测方法
基于动力学原理的果蔬坚实度检测方法有多种， 如机械冲击产生的声频信号、机械冲击响应的频率分 析和果蔬冲击力等方法。其研究分为两类。
(2)冲击力和冲击引起的振动的固有频率是有潜力成为无 损、在线检测的两个基本物理量。
(3)冲击力和果蔬的固有频率这些参数与M-T试验结果不 完全相同，这是两种不同的检验手段，因此这两者的相关系 数不高是必然的。
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