食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)

食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)2023/6/71第一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第一節(jié)常用的力學(xué)(機(jī)械)特性（1）固體物料的力學(xué)特性質(zhì)量（重量）、密度、應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律、沖擊、振動(dòng)、屈服強(qiáng)度、硬度、蠕變、松弛、流變模型等；（4）聲學(xué)特性和超聲波特性等。

（3）液體物料的力學(xué)特性主要包含流體力學(xué)特性、流變特性、黏性、粘彈性等；（2）散粒體的力學(xué)特性包含摩擦、黏附、變形、流動(dòng)、離析等；2023/6/72第二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第一節(jié)常用的力學(xué)(機(jī)械)特性利用食品與農(nóng)產(chǎn)品的力學(xué)（機(jī)械）特性進(jìn)行品質(zhì)的檢測是無損檢測最為常用的方法之一，及時(shí)控制生產(chǎn)過程。水果的硬度直接反映出其新鮮度和糖度等內(nèi)在品質(zhì)指標(biāo)。

濃縮過程中，用表現(xiàn)黏度的變化確定其濃縮點(diǎn)，黏度過大會(huì)導(dǎo)致變稠，過低則可能出現(xiàn)脂肪分離與糖沉淀。泊松比可以衡量面包等膨松食品的膨松程度；在面包生產(chǎn)中，面團(tuán)的流變特性(彈性、延遲彈性、壓力松弛等)直接影響到面包的質(zhì)量；2023/6/73第三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)

食品、農(nóng)產(chǎn)品的力學(xué)特性是其成熟狀態(tài)和品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。果蔬生長和存儲(chǔ)過程中，細(xì)胞間的結(jié)合力發(fā)生變化，反映細(xì)胞間結(jié)合力變化的物理指標(biāo)是其堅(jiān)實(shí)度。除此之外物料的重量、表面和內(nèi)部顏色、形狀、硬度、黏度等指標(biāo)均會(huì)產(chǎn)生一系列的變化。2023/6/74第四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)檢測堅(jiān)實(shí)度的主要原因有下面三個(gè)方面：（1）果蔬生長中成熟度的監(jiān)測和分析，決定合適的收獲期。（2）果蔬收獲過程按其成熟度分級(jí)，以便存儲(chǔ)。（3）果蔬內(nèi)部品質(zhì)的檢測，保鮮、存儲(chǔ)期的確定。

堅(jiān)實(shí)度檢查的常用方法是M-T戳穿試驗(yàn)方法。用一定直徑的鋼制壓頭，按一定的壓縮速度對(duì)果蔬進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，同時(shí)測量壓縮力，壓縮力的最大值稱為其堅(jiān)實(shí)度。一、果蔬堅(jiān)實(shí)度的檢測2023/6/75第五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二食品物性測試儀（食品質(zhì)構(gòu)測定儀）

人民幣：42.3萬元英國StableMicroSystem2023/6/76第六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)

在果蔬堅(jiān)實(shí)度無損測量中，組織的楊氏模量是一個(gè)重要的基本參數(shù)。1.果蔬組織材料的特性結(jié)果：楊氏模量徑向最大，切向最小，底部比中部和上部大，蘋果的材料性能沿圓周方向分布比較一致，但外層和內(nèi)層材料性能相差較大，比較成熟時(shí)內(nèi)外層材料性能差異變小。

上世紀(jì)70年代，有人研究了果蔬被切割的方法、位置及方向影響其物理參數(shù)。以蘋果為例分成上、中、底3個(gè)高度；東、西、南(光照面)、北4個(gè)方位；考慮徑向、切向和垂直3個(gè)方向，對(duì)這些參數(shù)組合下的試樣進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)。2023/6/77第七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)

（1）檢測果蔬堅(jiān)實(shí)度的沖擊力方法2．果蔬堅(jiān)實(shí)度檢測方法

基于動(dòng)力學(xué)原理的果蔬堅(jiān)實(shí)度檢測方法有多種，如機(jī)械沖擊產(chǎn)生的聲頻信號(hào)、機(jī)械沖擊響應(yīng)的頻率分析和果蔬沖擊力等方法。其研究分為兩類。（2）檢測果蔬堅(jiān)實(shí)度的振動(dòng)頻率分析法2023/6/78第八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)

利用沖擊力檢測果蔬堅(jiān)實(shí)度的力學(xué)原理是彈性球體與剛性平面的跌落沖擊問題。沖擊力與彈性球(即果蔬)的質(zhì)量、幾何尺寸、材料楊氏模量等參數(shù)有關(guān)。研究的核心是當(dāng)?shù)玫經(jīng)_擊力后如何估計(jì)或計(jì)算出材料的楊氏模量，并與成熟度聯(lián)系起來。（1）檢測果蔬堅(jiān)實(shí)度的沖擊力方法

有人提出了一種非線性的球體與平板沖擊的力學(xué)模型，并通過最小二乘法擬合出球體的剛度。2023/6/79第九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)E………

果蔬的楊氏模量，MPa；ρ……

果蔬的密度，g/cm3；μ………

果蔬的泊松比；m……

果蔬的質(zhì)量，g；Ω……

歸一化頻率，Hz；f……

果蔬的固有頻率，Hz。模型一

:

利用果蔬振動(dòng)的固有頻率檢測其堅(jiān)實(shí)度。Cooke等建立了果蔬簡化為線彈性球體的動(dòng)力學(xué)模型，并通過理論分析得到了各向同性的線彈性球狀果蔬，固有頻率與其材料楊氏模量E的關(guān)系為：（2）檢測果蔬堅(jiān)實(shí)度的振動(dòng)頻率分析法2023/6/710第十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)蘋果的結(jié)果：振動(dòng)法測定的楊氏模量與壓縮試驗(yàn)得到楊氏模量相關(guān)性較好（0.75）；與M-T試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性較差。

有人用沖擊振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)信號(hào)分別研究了水果的堅(jiān)實(shí)度。一般的結(jié)論：無損檢測的堅(jiān)實(shí)度與M-T試驗(yàn)結(jié)果之間的相關(guān)性不可能好，M-T測量的是果蔬組織材料壓縮和剪切共同引起的破壞強(qiáng)度，它受壓縮和剪切彈性模量的共同影響，而振動(dòng)固有頻率無損檢測僅與壓縮彈性模量有關(guān)。桃子的結(jié)果：用固有頻率測定桃子的堅(jiān)實(shí)度與M-T試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性仍不好。2023/6/711第十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)模型二理論分析認(rèn)為堅(jiān)實(shí)度指數(shù)應(yīng)為S=2m/3f22（f2第2固有頻率）。有人對(duì)存儲(chǔ)蘋果定期進(jìn)行0~600Hz寬帶隨機(jī)激勵(lì)，結(jié)果表明存儲(chǔ)期內(nèi)堅(jiān)實(shí)度指數(shù)S=2m/3f22有明顯變化。Abott等對(duì)蘋果的堅(jiān)實(shí)度作了系統(tǒng)深入的工作。對(duì)兩個(gè)主要蘋果品種用固有頻率、M-T試驗(yàn)和蘋果組織壓縮試驗(yàn)3種方法測量其堅(jiān)實(shí)度，并進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)表明：當(dāng)固有頻率在480Hz和850Hz有二階和三階共振頻率f2、f3存在，用f2，f3計(jì)算的堅(jiān)實(shí)度指數(shù)相關(guān)性很好，因此可以用堅(jiān)實(shí)度指數(shù)作為蘋果堅(jiān)實(shí)度的非損傷檢測指數(shù)。2023/6/712第十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)

人們對(duì)檢測堅(jiān)實(shí)度的共同認(rèn)識(shí)：

(1)試驗(yàn)和理論分析都表明，沖擊力和果蔬的固有頻率隨成熟度變化，這些變化的原因是果蔬組織的楊氏模量的改變。

研究表明，西瓜的固有頻率隨成熟度的增加而降低，堅(jiān)實(shí)度指數(shù)與含糖量也存在明顯的相關(guān)關(guān)系。(3)沖擊力和果蔬的固有頻率這些參數(shù)與M-T試驗(yàn)結(jié)果不完全相同，這是兩種不同的檢驗(yàn)手段，因此這兩者的相關(guān)系數(shù)不高是必然的。

(2)沖擊力和沖擊引起的振動(dòng)的固有頻率是有潛力成為無損、在線檢測的兩個(gè)基本物理量。2023/6/713第十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)（1）果蔬等物料的基本力學(xué)特性和生物組織關(guān)系的系統(tǒng)研究。另外，果蔬等生物材料的基本性質(zhì)隨品種和生長地域不同而異，國外的研究數(shù)據(jù)不一定能用于我國的情況。需要繼續(xù)研究的內(nèi)容：（4）簡便的在線測量、分析方法的研究，開發(fā)相應(yīng)的測試設(shè)備，使之實(shí)用化。（3）果蔬組織材料特性的時(shí)效規(guī)律研究，目前試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散和差異很可能是與對(duì)這一規(guī)律缺乏認(rèn)識(shí)有關(guān)系。（2）將果蔬視為粘彈性、非線性材料，它跌落時(shí)與剛性平面沖擊的動(dòng)力學(xué)特性的理論和試驗(yàn)研究。2023/6/714第十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)二、果蔬的沖擊特性的檢測檢測的意義

通常成熟度判斷大都采用破壞方法，如硬度、糖酸度測量。也有非破壞法，如按顏色、呼吸強(qiáng)度等，一般只能作定性判斷，不適用于機(jī)械化自動(dòng)分級(jí)。為此，通過研究與硬度有關(guān)的水果沖擊力學(xué)特性，建立起恢復(fù)系數(shù)、能量吸收百分率和沖擊力時(shí)間特性參數(shù)等與硬度的數(shù)學(xué)模型?？蔀樵O(shè)計(jì)水果快速檢測儀和自動(dòng)分級(jí)機(jī)提供科學(xué)依據(jù)。

果蔬的沖擊力特性參數(shù)主要有恢復(fù)系數(shù)、能量吸收率和時(shí)間特性參數(shù)。2023/6/715第十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)

測試系統(tǒng)。在金屬平板下安裝3只壓力傳感器，等邊三角放置，邊長為20cm。壓力傳感器型號(hào)為CL-YB-11，量程5kg，精度等級(jí)0.3。桃子在一定高度自由下落至金屬平板上，下落同時(shí)由觸發(fā)器引發(fā)示波器記錄儀表。桃子的硬度由TG-2型水果硬度計(jì)測得。

2023/6/716第十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)1．沖擊力特性圖下面以桃子的為例，介紹有關(guān)沖擊特性檢測中的基本定義和方法。在高度和質(zhì)量一定時(shí)，桃子硬度不同沖擊力特性也不同。桃子硬度越高，連續(xù)2次沖擊的時(shí)間間隔長,在接觸過程中，接觸沖擊力開始由零快速升到峰值，隨后又快速下降，這期間力作用時(shí)間較短。2023/6/717第十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)（1）恢復(fù)系數(shù)r

恢復(fù)系數(shù)r的測定類似于工程材料中的恢復(fù)系數(shù)的測定，可由自由下落至金屬平板的試驗(yàn)測得?；謴?fù)系數(shù)的定義為：

r…………

恢復(fù)系數(shù)，%；V1…………

物料沖擊前的速度，m/s；V2…………

物料沖擊后的速度，m/s。

如果能測得自由下落第一次碰撞結(jié)束時(shí)到回彈再次開始碰撞時(shí)的時(shí)間間隔t，在不計(jì)空氣阻力時(shí)有：

2023/6/718第十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)

恢復(fù)系數(shù)計(jì)算的公式: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值變大。實(shí)際上，恢復(fù)系數(shù)為下落后最初兩次碰撞中的第二次碰撞沖量與第一次碰撞沖量之比，故r是與沖量有關(guān)的參數(shù)。

2023/6/719第十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)（2）能量吸收率E

第1次碰撞回彈高度勢能為物料碰撞后所具有的機(jī)械能：hl¨¨¨¨¨為回彈高度，m。

金屬平板質(zhì)量遠(yuǎn)大于桃子質(zhì)量且沖擊變形極小，其能量吸收可不計(jì)。因此物料本身吸收的能量百分率E為：

2023/6/720第二十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)（3）沖擊力時(shí)間特性參數(shù)c

沖擊力時(shí)間特性參數(shù)定義為沖擊力峰值與到達(dá)沖擊力峰值所經(jīng)過的時(shí)間之比。由前面的圖可得物料的沖擊力峰值fp、達(dá)到最大力峰值所需時(shí)間tp。由此可算得沖擊力時(shí)間特性參數(shù)c：c

…………

物料的沖擊時(shí)間特性，N/s；fp

…………

物料的最大沖擊力，N；tp

…………

到達(dá)最大沖擊力的時(shí)間，s。

2023/6/721第二十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)2．沖擊力特性參數(shù)與硬度的關(guān)系雙曲線模型：指數(shù)曲線模型：(1)恢復(fù)系數(shù)r與硬度H的關(guān)系由圖可知，桃子硬度高，恢復(fù)系數(shù)也高，兩者關(guān)系類似于指數(shù)曲線或雙曲線。2023/6/722第二十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)(2)能量吸收率E與硬度H的關(guān)系

圖表示了桃子能量吸收率與硬度之間的關(guān)系曲線。硬度越高，桃子的吸收能量下降。同樣，將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)分別用指數(shù)曲線模型：雙曲線模型：

2023/6/723第二十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)（3）沖擊力時(shí)間特性參數(shù)C與硬度H的關(guān)系圖表示了桃子的沖擊時(shí)間特性與硬度之間的關(guān)系曲線。硬度增加，沖擊力時(shí)間特性參數(shù)值變大。將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)分別用：和雙曲線模型：

模型擬合。2023/6/724第二十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二關(guān)系a值b值數(shù)學(xué)模型F值擬合結(jié)果0.752-13.557.34(0.05)雙曲線更佳

0.96237.74042.22(0.01)

57.4654.24989.55(0.01)指數(shù)曲線更佳

0.017-0.06221.72(0.01)17.001-23.73275.04(0.01)雙曲線更佳

0.0522.551380.5(0.01)表2-13個(gè)沖擊力參數(shù)與硬度的回歸數(shù)學(xué)模型及F檢驗(yàn)第二十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)力學(xué)特性的檢測技術(shù)方法:

將桃子按硬度(成熟度)不同分成3個(gè)等級(jí)：①過于成熟；②剛成熟和已成熟；③未成熟。(4)3個(gè)沖擊力參數(shù)比較

結(jié)論：通過F檢驗(yàn)：3個(gè)沖擊力參數(shù)對(duì)成熟度均呈極顯著的相關(guān)關(guān)系。與桃子質(zhì)量的關(guān)系均不顯著，

將桃子按質(zhì)量不同進(jìn)行沖擊力特性試驗(yàn)，結(jié)果見表2-2。2023/6/726第二十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二表2-2不同成熟度、質(zhì)量桃子的3個(gè)沖擊力參數(shù)值（每個(gè)重復(fù)8次）成熟度等級(jí)質(zhì)量m/g恢復(fù)系數(shù)r能量吸收率E/%沖擊力時(shí)間特性c/N/ms①950.389(0.029)72.90(4.37)6.92(0.43)①1200.358(0.053)74.30(8.31)6.57(0.57)①1450.319(0.048)73.00(8.34)7.02(0.63)②950.498(0.031)65.80(3.40)10.67(0.92)②1200.479(0.020)65.75(2.65)9.98(0.72)②1450.415(0.047)62.90(4.10)11.31(0.81)③950.604(0.053)58.31(6.98)16.85(0.98)③1200.581(0.061)60.74(3.29)15.90(1.32)③1450.549(0.062)61.35(5.30)15.80(1.33)第二十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)三、梨的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的檢測

研究梨的動(dòng)態(tài)特性發(fā)現(xiàn)，

在不同預(yù)加載荷、激振功率、成熟程度等條件下梨果實(shí)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的彈性模量和相位角明顯不同。在相同頻率下，隨預(yù)加載荷的增加彈性模量增加；在相梨子動(dòng)態(tài)軸向加載試驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖同預(yù)載荷、激振功率和頻率，未成熟梨的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)相位角較小，成熟梨的相位角較大，未成熟梨的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)彈性模量較大，成熟梨的彈性模量較小。2023/6/728第二十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二梨子的應(yīng)力與應(yīng)變相位角的關(guān)系梨的應(yīng)力與應(yīng)變相位角圖2023/6/729第二十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)四、利用蜂蜜的黏度特性檢測其品質(zhì)

糖蜜是指以蔗糖代替蜜飼喂蜂群產(chǎn)生（配制）的蜜或在蜂蜜中摻入蔗糖配制成的蜜，蔗糖含量大于5%。

蜂蜜和糖蜜均屬于牛頓流體。蜂蜜和糖蜜的黏度與含水量和其組成成分有關(guān)，可回歸得到如下關(guān)系式：蜂蜜粘度糖蜜粘度式中：

……

物料的粘度，Pa.s；

……

混合液體的含水量，mL/mL；………

還原糖含量，g/mL…………蔗糖含量，g/mL。

2023/6/730第三十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)五、利用沖擊振動(dòng)檢測西瓜的成熟度1．西瓜的力學(xué)和物理特性

一種傳統(tǒng)、公認(rèn)、客觀地描述西瓜成熟度的檢驗(yàn)方法是測量其果汁的含糖量。但這種方法需要切開西瓜，是損壞性的，不可能大樣本數(shù)檢測，更不能逐個(gè)檢驗(yàn)。

西瓜內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為瓜皮和瓜瓤。從力學(xué)角度，瓜瓤各部位性能相差較大，瓜瓤又可分為3層，第1層為接近瓜皮部分，第2層為中間層，第3層為中心部分。西瓜在成熟過程中，瓜皮的硬度和彈性模量逐漸增加，但內(nèi)部瓜瓤組織細(xì)胞間的結(jié)合力隨成熟而變小。因此，瓜瓤變得松、脆，即常說的“沙瓤”，瓜瓤的彈性模量隨成熟而變小。

2023/6/731第三十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二表2-3某一品種西瓜各部位材料的彈性模量西瓜部位彈性模量E/MPa1#西瓜，含糖9.0%2#西瓜，含糖11.0%瓜皮（硬皮內(nèi)側(cè)）2.202.40外層（瓜瓤外層）0.510.42中間層（瓜瓤中間）0.440.32中心層（瓜瓤中心）0.400.301#西瓜含搪量為9.0%，成熟度為中等，2#西瓜含搪量為11.0%成熟度為較好。第三十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)2．沖擊振動(dòng)響應(yīng)方法無損檢測西瓜成熟度的原理西瓜可以視為多層球狀彈性體。當(dāng)其受到瞬態(tài)沖擊時(shí)，球體將產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。按照彈性體振動(dòng)理論，由沖擊造成的振動(dòng)響應(yīng)的頻率是彈性體的固有頻率。球體的固有頻率與其材料的密度、幾何尺寸和彈性模量等因素有關(guān)?？梢宰C明，球體的拉壓彈性模E量與固有頻率f、質(zhì)量m之間的關(guān)系為：已知西瓜的固有頻率和質(zhì)量后，就可以確定其彈性模量。2023/6/733第三十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第二節(jié)利用力學(xué)特性的檢測技術(shù)3．西瓜固有頻率的測量西瓜固有頻率測量試驗(yàn)裝置、頻率響應(yīng)函數(shù)等如圖所示：2023/6/734第三十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第三節(jié)

利用聲學(xué)特性的檢測技術(shù)

一、聲學(xué)特性檢測技術(shù)研究概況利用食品與農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性對(duì)其進(jìn)行無損檢測和分級(jí)具有適應(yīng)性強(qiáng)、檢測靈敏度高、對(duì)人體無害、使用靈活、設(shè)備輕巧、成本低廉、可在野外及水下等各種環(huán)境中工作和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),是一項(xiàng)正在飛速發(fā)展的新技術(shù),利用食品與農(nóng)產(chǎn)品的聲學(xué)特性對(duì)食品與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)(尤其是內(nèi)部品質(zhì))進(jìn)行無損檢測的巨大潛力。

2023/6/735第三十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第三節(jié)利用聲學(xué)特性的檢測技術(shù)食品與農(nóng)產(chǎn)品的聲學(xué)特性是指食品與農(nóng)產(chǎn)品在聲波作用下的反射特性、散射特性、透射特性、吸收特性、衰減系數(shù)和傳播速度及其本身的聲阻抗與固有頻率等，它們反映了聲波與食品或農(nóng)產(chǎn)品相互作用的基本規(guī)律。食品與農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性的檢測裝置通常由聲波發(fā)生器、聲波傳感器、電荷放大器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、微型計(jì)算機(jī)、繪圖儀或打印機(jī)等組成。二、食品與農(nóng)產(chǎn)品的聲學(xué)特性及檢測原理2023/6/736第三十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二

蘋果硬度檢測系統(tǒng)第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第三節(jié)

利用聲學(xué)特性的檢測技術(shù)

三、聲學(xué)特性檢測的典型實(shí)例1.利用測定共振頻率確定蘋果硬度

圖為一蘋果硬度的檢測系統(tǒng),測試時(shí),用榔頭輕叩蘋果,由蘋果另一側(cè)的聲波傳感即可求出硬度。器采集聲脈沖響應(yīng)信號(hào),放大后送到動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀,經(jīng)快速傅立葉變換可求得其共振頻率f根據(jù)蘋果硬度與成正比的關(guān)系:2023/6/737第三十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二甜瓜貯藏時(shí)間與聲波傳播速度的關(guān)系第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第三節(jié)利用聲學(xué)特性的檢測技術(shù)2.利用測定聲波傳播速度確定甜瓜的成熟度隨著甜瓜的成熟,聲波在甜瓜中的傳播速度和共振頻率均將降低,其變化趨勢完全一致。利用傳播速度來確定甜瓜成熟度,不需測定質(zhì)量,也不需進(jìn)行快速傅里葉變換。因此,與共振頻率相比,聲波傳播速度是易測定的指標(biāo)。試驗(yàn)表明,適宜成熟甜瓜的聲波傳播速度為37～50m/s。2023/6/738第三十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第三節(jié)

利用聲學(xué)特性的檢測技術(shù)

圖是利用聲學(xué)特性檢測西瓜成熟度的裝置原理圖。該檢測系統(tǒng)主要由物料臺(tái)、聲波傳感器、放大器、磁帶記錄儀、計(jì)算機(jī)和打印機(jī)等設(shè)備組成。3.利用聲學(xué)特性檢測西瓜的成熟度2023/6/739第三十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)(a)(c)(b)

西瓜果實(shí)打擊音波波形a-未熟果;b-適熟果;c-過熟果成熟度質(zhì)量m/g體積V/cm3密度ρ/(g/cm3)糖度Bm/%對(duì)稱度衰減率β頻率ftt/Hz未成熟345234970.9876.80.40~0.760.55~0.80164~280適成熟389439650.9829.60.12~0.180.92~0.98132~164過成熟378538820.9759.20.10~0.160.90~0.97107~130第四十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)(a)(b)

西瓜打擊音波功率譜密度a-未熟果;b-適熟果

上圖是西瓜的打擊音波功率密度曲線。分析打擊音波功率譜密度可知，未熟西瓜的打擊音波含有多種頻率成分，而且峰值頻率ft較高，約為164~280Hz，隨成熟增加，ft逐漸減少，在收獲適期，為132~164Hz，僅有一種頻率成分。過熟果的ft進(jìn)一步減小到107~130Hz，在ft上下，又出現(xiàn)較小的峰值。2023/6/741第四十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二4.利用測定聲壓確定谷物的水分第四十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第四十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第四節(jié)利用超聲波的檢測技術(shù)第四節(jié)

利用超聲波的檢測技術(shù)二、超聲波在食品與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測中的應(yīng)用

1．超聲波檢測技術(shù)在乳狀液體系中的應(yīng)用

2．利用超聲波檢測馬鈴薯空心

3．利用超聲波檢測受鉆蛀蟲侵?jǐn)_的櫻桃樹

一、超聲波檢測原理

1．超聲波的聲速檢測

2．超聲波的衰減檢測

2023/6/744第四十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第四節(jié)

利用超聲波的檢測技術(shù)一、超聲波檢測原理

用高頻聲波與物質(zhì)間相互作用獲取被測物質(zhì)的理化性質(zhì)。運(yùn)用在醫(yī)學(xué)、海洋學(xué)、材料和化工操作過程中的生物和非生物物質(zhì)的檢測和研究，但在食品與農(nóng)產(chǎn)品體系的應(yīng)用較少。

壓縮波的傳遞是通過介質(zhì)的壓縮和膨脹進(jìn)行的，質(zhì)點(diǎn)在聲波作用下以原位置為原點(diǎn)發(fā)生的振蕩仍服從虎克定律，即：介質(zhì)的結(jié)構(gòu)在聲波傳遞過程中未發(fā)生任何根本性的破壞。

聲波通過介質(zhì)時(shí)的主要3種形式：壓縮波、表面波和切變波。壓縮波是最常用的超聲波形式，其他形式用得比較少。2023/6/745第四十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第四節(jié)

利用超聲波的檢測技術(shù)

超聲波檢測技術(shù)最為常用的兩個(gè)測量參數(shù)是通過介質(zhì)的聲速和振幅衰減。超聲波檢測技術(shù)也分為連續(xù)式和脈沖式，前者操作復(fù)雜，儀器和技術(shù)要求較高，測量精度也相應(yīng)高，主要使用在一些專門的研究領(lǐng)域。工業(yè)上比較實(shí)用的是脈沖式，優(yōu)點(diǎn)是簡單、快速，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，測量精度對(duì)生產(chǎn)和流通中的食品與農(nóng)產(chǎn)品體系是足夠的。

2023/6/746第四十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第四節(jié)

利用超聲波的檢測技術(shù)1．超聲波的聲速檢測

當(dāng)一個(gè)平面波通過介質(zhì)時(shí)，超聲波性質(zhì)與介質(zhì)的物理性質(zhì)可用一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)式關(guān)聯(lián)：

k…介質(zhì)的復(fù)合波數(shù),cm-1；ω…角頻率，ω=2πf，

f是聲波頻率，Hz；E

…介質(zhì)的彈性模量,MPa；ρ…介質(zhì)密度，kg/m3。

結(jié)論:只要測出介質(zhì)的聲速，即可檢測介質(zhì)的物理性質(zhì)。

對(duì)聲學(xué)均勻體系的衰減很小，介質(zhì)的物理性質(zhì)E和ρ基本上與聲波頻率無關(guān)，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測定的數(shù)值相差很小。

2023/6/747第四十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第四節(jié)

利用超聲波的檢測技術(shù)聲速只取決于介質(zhì)的體積彈性模量和密度。在ρ已知的情況下，通過聲速的測定就可直接反映出介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對(duì)固態(tài)介質(zhì)，其彈性模量可表達(dá)為：

K………體積彈性模量，MPa；G………剛性模量MPa。

對(duì)液態(tài)介質(zhì)，由于不具有剛性或剛性很小(如凝膠)，

C2=K/ρ2023/6/748第四十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二

超聲波檢測原理示意圖A-脈沖信號(hào)發(fā)生器；B-時(shí)間計(jì)數(shù)器；C1-發(fā)送探頭；C2-接收探頭；D-樣品第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第四節(jié)

利用超聲波的檢測技術(shù)超聲波的聲速檢測原理圖

超聲波檢測原理如圖所示。從信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào),在傳至發(fā)送探頭的同時(shí)，也傳至?xí)r間計(jì)數(shù)器記錄開始時(shí)間T1；時(shí)間計(jì)數(shù)器記錄停止時(shí)間T2；則ΔT=T2-T1即為超聲波通過樣品的時(shí)間。而通過樣品的距離d已預(yù)先利用已知聲速的物質(zhì)準(zhǔn)確測知，所以聲速即可求出。

2023/6/749第四十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第四節(jié)

利用超聲波的檢測技術(shù)2．超聲波的衰減檢測

當(dāng)聲波通過介質(zhì)時(shí)，振幅會(huì)減小，產(chǎn)生衰減。由傳遞過程中能量發(fā)生吸收和散射產(chǎn)生。通常超聲波在液態(tài)中的吸收反映了介質(zhì)的性質(zhì)及相互作用，可從衰減的程度對(duì)這些性質(zhì)進(jìn)行研究。在不均勻體系中散射是十分重要的現(xiàn)象，體系的微結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)對(duì)超聲波散射有著特定的影響。衰減系數(shù)α可以表述為：

A……聲波通過介質(zhì)后檢測到的振幅，A0……初始振幅，d……超聲波通過的距離。

衰減系數(shù)的測定與測量聲速的原理相同，此時(shí)測量的參數(shù)是相鄰回波的振幅及其變化。

2023/6/750第五十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第四節(jié)

利用超聲波的檢測技術(shù)超聲波技術(shù)能完成的檢測內(nèi)容：(1)物質(zhì)的體積彈性模量和剛性彈性模量；(2)物質(zhì)的復(fù)合剪切粘度，尤其適于粘彈性的介質(zhì)；(3)分散體系和膠體體系的分散相粒度大小及其它性質(zhì)；(4)不同超聲波性質(zhì)的混合物體系的組分含量；(5)不同超聲波性質(zhì)的介質(zhì)層的厚度或深度；(6)物質(zhì)的流動(dòng)速度；(7)物質(zhì)的相轉(zhuǎn)變。2023/6/751第五十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期二第二章利用力學(xué)(機(jī)械)特性的檢測技術(shù)第四節(jié)利用超聲波的檢測技術(shù)二、超聲波在食品與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測中的應(yīng)用

1．超聲波檢測技術(shù)在乳狀液體系中的應(yīng)用

（1）乳液分層檢測

超聲波檢測乳狀液分層的示意圖

油與水的超聲波速度不同，在聲波通過