穀物的電特性主要包括電阻特性和電容特性。其主要與含水率、品種和測試頻率等因素有關。幹燥狀態下的穀物,像電介質一樣,其電阻值高達108Ω以上,而潮濕時,卻像導體或半導體一樣。因此,這就決定了穀物既有電阻特性又有電容特性。根據穀物的結構和生物膜電特性研究成果,RC並聯電路可作為穀物的等效電路。
穀物的電特性研究常采用交流電測定法測定穀物的電阻率和介電常數,因為這兩個參數的實用價值較大。首先由信號發生器將流信號輸入AC端,並用頻率計測量輸入信號的頻率,然後,用毫伏表同時測量出輸入端電壓UAC和標準電阻RH上的電壓降UBC,再用相位計測量出UAB與UBC的相位差θ。
穀物的電阻隨其含水率的增加以指數形式減少。這是因為穀物作為生命體,當含水率很低時,其細胞中的原生質呈凝膠狀態,細胞中的離子運動十分緩慢,生命體的生理活動極其微弱。此時,細胞電阻很大,穀物的宏觀電阻率也很大。隨著穀物含水率的增加,細胞水勢急劇上升。在水的作用下,穀物代謝加快,包括酶的活化與重新合成,細胞中的離子運動迅速增大,從而降低了細胞的電阻,穀物的宏觀電阻率也隨之迅速下降。
穀物的介電常數是在散粒集合條件下測定的。用特製的電容器與交流電測定法可以一次性測出穀物的電阻率、介電常數和耗散正切。穀物的介電常數,除與含水率有關外,還與檢測的頻率、穀物的品種和容重等因素有關。
有人做過穀物介電常數與含水率之間關係的研究,認為兩者之間存在如下關係:
ε=1+exp(aεω+bε)
式中aε、bε——實驗常數
由上式可看出,穀物的介電常數在其含水率較低時,變化較小,隨著含水率的增大,介電常數變化較大。其原因是當穀物的含水率較低時,穀物的細胞處於休眠狀態,原生質呈凝膠態,這時,導電離子和水分子多以結合態存在,導致水分對穀物的介電常數影響較小,此時的介電常數與幹態值接近。隨著含水率的增加,穀物吸收水分,使其中細胞的原生質溶解,細胞膨脹,體積擴大,代謝速率增加,因而穀物的介電常數增加。另外,水的介電常數(71~81)遠大於幹物料的介電常數,所以,隨著穀物含水率的增加,介電常數也增大。但穀物的介電常數隨含水率的增加而增大並不是無限的,它同穀物的生理過程有著十分密切的關係。
(三)利用番茄的電特性無損檢測成熟度
番茄屬於生物體,故它也可以看成是電介質。電介質都可以用理想電容和電阻組成的並聯電路或串聯電路來等效。由於電介質的等效電阻很大,因此,並聯等效電路與電介質的實際性能相符合。
該係統的主要組成部分是LCR電橋測量儀和電極係統。其中LCR電橋測量儀內置信號發生器,輸出頻率範圍為20Hz~150kHz,輸出信號的電壓為0.01~2.55V。可選擇並聯或串聯模式來測量電容、等效阻抗、品質因素、介質耗散角等多項電特性參數。電極係統是特製的,采用厚0.3mm,半徑為45mm的圓形鐵皮製成,導線皆采用屏蔽電纜。
采用新鮮的青(未成熟)、微紅(微成熟)和紅(已成熟)3組不同成熟度且形狀規則、大小一致和無損傷的番茄為分析檢測樣品。當固定兩電極板間距時,由於番茄在高度上微小差異會引起檢測數據較大的變化,因此,實際檢測時需要保持番茄的頂部與上電極板的距離為定值。試驗選取的頻率段為4~150kHz,頻率點分別是4,5,7.5,10,12,15.7,20,30,37.5,50,75,100和150kHz,共13個頻率點。交變信號的有效值為1V。
在某一頻率下,成熟的番茄(紅色組)的相對介電常數最小,微成熟(微紅組)的相對介電常數處於中間的位置,而未成熟的番茄(青色組)的相對介電常數最大。雖然隨著檢測頻率的增加,相對介電常數略有減少,但三組的變化趨勢一致且三者之間的差值基本為一常量,因此在4~150kHz的頻率範圍內,通過檢測某一個頻率下的相對介電常數來判斷番茄的成熟度。
在整個頻率範圍內,隨著頻率的增加,等效阻抗減小。其中在頻率較低時,等效阻抗變化較快,而在高頻時,等效阻抗變化較慢。另外,在一定的頻率下,青色組番茄的等效阻抗最大,微紅組的在中間,紅色組的等效阻抗最小,在低頻段3組的差距較大。
研究表明:在一定頻率下,番茄的成熟度與相對介電常數和等效阻抗之間有明顯的相關關係存在,可以通過檢測番茄的相對介電常數和等效阻抗來判斷其成熟度。