博文

[转载]食品的介电特性

已有 2276 次阅读 2019-4-4 19:18 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

https://baike.baidu.com/item/%E9%A3%9F%E5%93%81%E7%9A%84%E4%BB%8B%E7%94%B5%E7%89%B9%E6%80%A7/22217911

食品的介电特性
编辑讨论

本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目审核。

微波加热是利用物料的介质损耗吸收微波能转为热能的。在交变电场作用下，介质中分子极化，是介质中产生位移极化引起的瞬时电流，以及松弛极化引起的松弛电流和电导电流的共同作用的结果。当交变电场频率在微波频率范围内，介质中仅存在松弛电流和电导电流。

中文名
食品的介电特性
外文名
The dielectric property of food
处理
食品微波加热

微波加热
介质损耗吸收微波能转为热能
介质电流
松弛电流和电导电流
指导意义
如何选择加热条件等

果蔬介电特性

编辑

果蔬是一种主要的食品。影响果蔬介电特性的因素较多，但概括起来主要包括两方面的因素：测试条件和果蔬品质。了解测试条件，尤其是测试信号的频率和环境温度对果蔬介电特性的影响规律对于介电加热果蔬，研究介电加热设备意义重大。研究果蔬品质对介电特性影响的目的在于探索基于介电特性，识别果蔬品质，例如，含水率、成熟度、新鲜度、损伤以及糖、酸度等的新方法。目前，研究介电特性与果蔬品质的关系，探索基于介电特性无损评定果蔬品质方法的已被越来越多的科研工作者所关注。

（1）研究内容：大量的研究成果集中于介电加热、微波能应用方面。因此，在测试信号的频率和温度以及果蔬组织含水率对介电特性的影响方面成绩显著。而在基于介电特性识别除含水率以外的果蔬内部品质，例如新鲜度、成熟度、含糖量、酸度等品质或成分方面，研究成果颇少。因此，探索果蔬品质对介电特性的影响，分析影响机理应该是未来工作重点之一。

（2）测试方法：目前在果蔬介电特性测试方面主要采用两种方法。一是采用末端开口的同轴探针与阻抗分析仪或网络分析仪相配合测试介电参数。由于阻抗分析仪和网络分析仪比较昂贵，在国外应用普遍。由于信号源的频率范围比较广，比较高(3 GHz左右，有的在20GHz)，所以，可以得到比较详尽的介电特性。但是，频率越高，信号穿透果蔬组织的深度越浅。1.8 GHz下，穿越深度是6 mm。因而，国外主要测试果肉的介电特性。另一种方法是采用平板电极系统和无损接触测试方法研究低频(100 kHz左右)下果蔬的介电特性，该方法主要应用于国内。其特点是成本较低，但是测试值的大小受果蔬的大小、形状等影响显著，数据的可靠性较差。为了能将介电特性应用无损识别果蔬品质中，研究简单、精确、成本较低的果蔬介电特性无损测试方法应该成为今后的又一个研究重点。

（3）应用开发：现有的研究成果主要体现在测试方面，在应用结果开发设备方面成果很少。只有实现成果的转化，才能成为真正的生产力。探索将介电特性与日渐成熟并开始应用于水果无损检测中的计算机视觉和图像处理技术相结合的方法，应用信息融合技术建立高精度的果蔬品质无损检测系统是一个很有价值的研究方向 [1] 。

国外介电特性测量技术

编辑

通常农产品或食品的介电特性测试系统主要由4部分组成，即精确的介电参数测量仪器、夹持被测样品的夹具、计算材料介电参数的软件和计算机。目前国外流行的介电特性测量技术有平行极板(电容器)技术、同轴探头技术、传输线技术、自由空间法和谐振腔技术等。

平行极板技术

平行极板技术又称为电容器技术，它是将薄板型材料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而测量材料的介电特性，这是传统的介电特性测量方法。该技术中常用的测量仪器为LCR测量仪，用于测量被测样品的电容、损耗或等效阻抗等。根据电容值和样品的物理尺寸可计算样品的介电常数和耗散因数。本方法的特点是测量原理简单、测量仪器不太昂贵、精度比较高，但测量信号的频率范围一般在100 MHz以下，且要求样品必须是平板型。图1是平行极板技术测试系统的组成。

图1

同轴探头技术

终端开路的一轴探头是一个同轴传输线的断面。当探头浸入液体样品中或探头与固体样品表面相接触时，根据测试件反射给分析仪的信号幅值和相位而计算材料的介电参数和频率的关系。其测量系统主要由网络分析仪或材料/阻抗分析仪、测试探头、测试软件和计算机等组成，如图2所示。同轴探头技术是目前国外最流行的介电特性测试技术。该方法的特点是简单、方便、无损、精确度较高，适用于宽频带范围(500 M～110 GHz)内液体或半固体状材料介电特性的测量。但要求材料是非磁性、各向同性且同质、厚度大于1 cm、样品截面比较大。对于介电常数和损耗因子小的材料，该方法的精度有限。

图2

传输线技术

传输线技术是将样品放在密闭的传输线中(通常该传输线是矩形的波导或者同轴线)，由于线路中的负载会引起线路中阻抗特性和传输特性的变化，因此常用矢量网络分析仪测量负载线路中的反射系数(S11)和传输系数(S21)，利用计算机和软件计算被测样品的介电常数等。本技术的特点是其精度比同轴探头法高，但要求样品的断面形状与传输线的断面形状完全相同，材料断面应平坦、光滑、且与长轴对称，因此制备样品比较麻烦。另外，该技术适用的频率范围较窄。

自由空间法

自由空间法中的典型测试系统由网络分析仪、发射和接收天线、软件和计算机组成，如图3所示。由网络分析仪发射频率变化的微波，通过天线将微波能聚焦在被测样品上或使微波能通过被测样品。根据网络分析仪测量得到的反射系数(S11)和传输系数(S21)(或中心频率f和品质因子Q)，由软件计算被测样品的介电参数。

该方法的特点是非接触、无损，适用于高温或恶劣环境下介电参数的测量，但是校准网络分析仪非常麻烦。另外要求材料是大平面、薄板型，材料的两个表面必须平行。

图3

谐振腔技术

该技术的典型测试系统是由网络分析仪、谐振腔、软件和计算机组成。谐振腔是在一定频率下发生谐振的具有高品质因子的腔体。测量时将样品放于腔体中，通过网络分析仪迅速测量到中心频率厂和品质因子Q。根据f和Q计算一定频率下的介电常数，而根据腔体中品质因子的变化可以计算材料的损耗因子。本技术要求网络分析仪必须具有非常好的频率分辨率(1 Hz)以测量Q的微小变化。其特点是测量前不需要校准网络分析仪，测量非常准确，对于耗散因数低的产品非常敏感；材料准备比较容易，测量比较省时，适合于高温或低温环境下的测量。但要求样品是低损耗、小体积。该技术仅能在一个或几个频率下测量，分析比较复杂，而且必须知道样品截面的精确尺寸 [2] 。