基于電學(xué)特性的庫(kù)爾勒香梨振動(dòng)損傷檢測(cè)

于世輝，唐玉榮，牛希躍，李小龍，王佳麗，張宏 ，劉揚(yáng)，蘭海鵬*

（1塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

（2南疆特色農(nóng)產(chǎn)品深加工兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300）

庫(kù)爾勒香梨是新疆特色水果之一，以色澤悅目、皮薄肉細(xì)、酥脆爽口而馳名中外［1］。截止2019年底，新疆庫(kù)爾勒香梨總產(chǎn)量達(dá)到100×104t以上［2］。因香梨自身屬性等原因，香梨從采摘到上市銷售等過(guò)程中易遭受不同程度的振動(dòng)損傷，每年因振動(dòng)損傷造成的果實(shí)損失率在15%～45%左右［3］。若香梨在入庫(kù)貯藏前遭受振動(dòng)損傷，則易遭受細(xì)菌等微生物的侵襲而發(fā)生變質(zhì)腐爛，迫使香梨貯藏期縮短；若香梨在運(yùn)輸銷售過(guò)程中遭受振動(dòng)損傷，則嚴(yán)重影響香梨的口感品質(zhì)，極大降低香梨的貨架期和商品價(jià)值。因此對(duì)香梨進(jìn)行振動(dòng)損傷檢測(cè)，在入庫(kù)貯藏或者上市銷售之前及時(shí)將振動(dòng)損傷的香梨剔除，可有效減少因振動(dòng)損傷造成的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)于增加香梨產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要理論指導(dǎo)意義和實(shí)踐價(jià)值。

在果實(shí)振動(dòng)損傷方面，吳瓊等［4］研究發(fā)現(xiàn)果實(shí)經(jīng)歷長(zhǎng)途運(yùn)輸后會(huì)發(fā)生形變、營(yíng)養(yǎng)成分比例降低、風(fēng)味口感改變，還會(huì)加速果實(shí)的后熟軟化以及乙烯釋放速率；劉春娣［5］發(fā)現(xiàn)振動(dòng)對(duì)果實(shí)生理生化指標(biāo)有不同程度的影響，振動(dòng)后的儲(chǔ)藏階段對(duì)果實(shí)的各項(xiàng)生理活性指標(biāo)均呈先升后降的趨勢(shì)；李曉娟［6］研究發(fā)現(xiàn)以相同的加速度進(jìn)行振動(dòng)時(shí),振動(dòng)頻率越小，鴨梨越容易產(chǎn)生損傷；MEHDI K等［7］發(fā)現(xiàn)對(duì)“Shahroudi”品種的杏子發(fā)生最嚴(yán)重傷害的頻率和持續(xù)時(shí)間分別為17 Hz和30 min；ZHOU J F等［8］研究發(fā)現(xiàn)振動(dòng)頻率對(duì)果實(shí)整體損傷百分率影響較大，14 Hz的損傷百分率最低，為47.1%，同時(shí)高強(qiáng)度機(jī)械沖擊持續(xù)時(shí)間越短，對(duì)果實(shí)的損傷程度越高。關(guān)于果實(shí)振動(dòng)方面的研究主要集中在振動(dòng)對(duì)果實(shí)損傷影響規(guī)律的探究，現(xiàn)亟需一種科學(xué)有效的檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)爾勒香梨振動(dòng)損傷的檢測(cè)。目前主要應(yīng)用高光譜成像、紅外熱成像、磁核共振和電特性等技術(shù)檢測(cè)水果損傷，對(duì)檢測(cè)的信息參數(shù)進(jìn)行處理分析，與受損后水果褐變幾何尺寸建立數(shù)學(xué)關(guān)系從而實(shí)現(xiàn)水果損傷程度的快速測(cè)量［9-12］。庫(kù)爾勒香梨皮薄肉細(xì)，果肉多汁，其內(nèi)部存在大量帶電粒子，有利于發(fā)揮電學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)快速、靈敏、操作方便的優(yōu)點(diǎn)。屠鵬等［13］基于介電特性技術(shù)預(yù)測(cè)貯藏期蘋果損傷體積，得到相對(duì)介電常數(shù)與損傷體積關(guān)系的預(yù)測(cè)模型；唐燕等［14］、郭文川等［15］、陳志遠(yuǎn)［16］研究了多種水果損傷后電學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)無(wú)損傷與有損傷果實(shí)的電學(xué)參數(shù)變化規(guī)律存在明顯區(qū)別，不同機(jī)械損傷形式對(duì)電學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律也不同?；谏鲜鲅芯勘砻?，電學(xué)特性在水果損傷檢測(cè)應(yīng)用方面具有可行性，然而基于電學(xué)特性對(duì)香梨振動(dòng)損傷檢測(cè)方面的研究鮮有報(bào)道。

本研究以不同成熟度的庫(kù)爾勒香梨為試驗(yàn)材料，探究不同振動(dòng)頻率下振動(dòng)時(shí)間與振動(dòng)損傷面積的變化規(guī)律，采用電學(xué)特性檢測(cè)系統(tǒng)裝置對(duì)不同振動(dòng)頻率下的損傷香梨進(jìn)行電學(xué)參數(shù)的獲取，構(gòu)建電學(xué)參數(shù)與香梨振動(dòng)損傷面積的數(shù)學(xué)模型，篩選出最佳表征香梨振動(dòng)損傷的電學(xué)參數(shù)，以期為香梨的振動(dòng)損傷程度量化研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

庫(kù)爾勒香梨樣品采自新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師阿拉爾市十團(tuán)十連常規(guī)管理梨園，該地區(qū)是南疆優(yōu)質(zhì)香梨生產(chǎn)基地。截止2019年，樹(shù)齡12年。選取特征為形狀大小相似、無(wú)畸形、無(wú)隱性損傷、無(wú)病蟲(chóng)害、色澤均勻的庫(kù)爾勒香梨作為試驗(yàn)樣品。采摘過(guò)程中佩戴手套進(jìn)行采摘，采摘時(shí)間為2019年9月1日—2019年9月29日，每隔4 d對(duì)庫(kù)爾勒香梨進(jìn)行一次采摘，共計(jì)8次，成熟度依次記為H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8。每次采摘450顆庫(kù)爾勒香梨，共計(jì)采摘3 600顆庫(kù)爾勒香梨。

試劑：戊二醛（分析純，天津歐博凱化工有限公司）、丙酮（分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司）、無(wú)水乙醇（分析純，天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開(kāi)發(fā)有限公司）。

1.2 振動(dòng)損傷試驗(yàn)

選用振動(dòng)損傷試驗(yàn)臺(tái)對(duì)香梨進(jìn)行振動(dòng)，參考胡洋［17］和孫驪等［18］的方法，將香梨放置于自制的四面紙板圍擋中，香梨與圍擋間隙距離為1 mm左右，四面圍擋被緊固在試驗(yàn)臺(tái)上，如圖1所示。

圖1 振動(dòng)損傷試驗(yàn)臺(tái)

依據(jù)肖越等［19］和曾媛媛等［20］的相關(guān)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速選取120 r/min、180 r/min、240 r/min，得到三種速度下對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率分別為2 Hz、3 Hz、4 Hz。每個(gè)轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的振動(dòng)時(shí)間為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h。每組選取30顆香梨進(jìn)行振動(dòng)損傷試驗(yàn)。當(dāng)完成每個(gè)香梨振動(dòng)損傷試驗(yàn)后立即進(jìn)行電學(xué)參數(shù)的測(cè)量，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

1.3 電學(xué)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)

電學(xué)參數(shù)使用自制的電學(xué)參數(shù)檢測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)定（圖2），使用前將LCR測(cè)試電橋預(yù)熱1 h，隨后進(jìn)行調(diào)零操作以減少誤差。在測(cè)試電壓為1 V和測(cè)試頻率為1 MHz的條件下測(cè)定電學(xué)參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)電學(xué)參數(shù)Cp和Rp對(duì)水果損傷比較敏感，常作為評(píng)價(jià)水果損傷程度的電學(xué)參數(shù)指標(biāo)［21-23］。電學(xué)參數(shù)Cp反映的是在給定電位差下的電荷儲(chǔ)藏量，一般來(lái)說(shuō)電荷在電場(chǎng)中會(huì)受力而移動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì)則去阻礙電荷移動(dòng)從而使電荷累積在導(dǎo)體上，從而造成電荷的累積儲(chǔ)存［24］。電學(xué)參數(shù)Rp是相對(duì)一定頻率的交變信號(hào)來(lái)說(shuō)的，在交變電場(chǎng)中除了電阻會(huì)阻礙電流以外電容及電感也會(huì)阻礙電流的流動(dòng)，因而它是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和［23-24］。故本研究選取電學(xué)參數(shù)Cp和Rp來(lái)研究與香梨振動(dòng)損傷面積的關(guān)系。

圖2 電學(xué)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)裝置

1.4 香梨損傷面積的測(cè)量

將損傷后的水果在常溫環(huán)境放置24 h以上使受損部位充分褐變，測(cè)量褐變部位的面積、體積或深度作為損傷程度的度量［25］。香梨表面損傷面積可用肉眼識(shí)別，有助于損傷程度的判斷，所以采用損傷面積法進(jìn)行香梨損傷程度量化評(píng)價(jià)。測(cè)量損傷區(qū)域的長(zhǎng)半軸a和短半軸b，如圖3所示。每組試驗(yàn)結(jié)果為30顆香梨損傷面積的平均值。損傷面積采用吳杰等［26］的測(cè)量方法進(jìn)行計(jì)算，如式(1)所示：

圖3 庫(kù)爾勒香梨損傷面積測(cè)量示意圖

式（1）中S為香梨振動(dòng)損傷面積，mm2；a為橢圓損傷區(qū)域長(zhǎng)半軸，mm；b為橢圓損傷區(qū)域短半軸，mm。

此外，香梨在高頻率、長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)下，香梨表面則會(huì)出現(xiàn)繞表面一周的帶狀損傷，測(cè)量其幅寬與香梨的周長(zhǎng)，將損傷面積近似為長(zhǎng)方形，損傷面積周長(zhǎng)為長(zhǎng)方形的長(zhǎng)，損傷面積幅寬為長(zhǎng)方形的寬，由此計(jì)算出香梨損傷面積，計(jì)算方程式為：

式（2）中S為香梨振動(dòng)損傷面積，mm2；C為香梨表面周長(zhǎng)，mm；b為香梨損傷的寬度，mm。

1.5 庫(kù)爾勒香梨掃描電子顯微鏡試驗(yàn)

1.5.1 樣品制作

選取庫(kù)爾勒香梨皮下果肉組織，每顆香梨選取一處損傷部位作為樣品。使用手術(shù)刀將庫(kù)爾勒香梨表皮去除，選取厚度為1 mm，長(zhǎng)和寬為1 cm的正方體皮下果肉組織樣品放入戊二醛溶液中，將放置有香梨樣品的戊二醛溶液存放在4℃冰箱，待24 h之后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

1.5.2 梯度脫水

30%乙醇，浸泡香梨樣品40 min；50%乙醇，浸泡香梨樣品40 min；70%乙醇，浸泡香梨樣品40 min；90%乙醇，浸泡香梨樣品40 min；95%乙醇，浸泡香梨樣品40 min；100%乙醇，浸泡香梨樣品40 min；100%乙醇，浸泡香梨樣品40 min；100%乙醇和100%丙酮以1：1的比例進(jìn)行混合，浸泡香梨樣品40 min；100%丙酮，浸泡香梨樣品40 min；100%丙酮，浸泡香梨樣品40 min。

1.5.3 CO2置換丙酮

使用臨界點(diǎn)干燥儀對(duì)選取的香梨樣品進(jìn)行干燥，至干燥儀停止即結(jié)束對(duì)香梨樣品丙酮的置換，實(shí)現(xiàn)CO2對(duì)丙酮的置換。

1.5.4 噴金

使用離子濺射儀對(duì)干燥完的香梨樣品進(jìn)行鍍膜，使香梨樣品表面得到厚度均勻的鍍膜材料，以便觀察。

1.5.5 掃描電子顯微鏡觀察

對(duì)不同振動(dòng)損傷程度的庫(kù)爾勒香梨樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察并保存樣品組織結(jié)構(gòu)圖片。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2007進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析，采用Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖和擬合處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 香梨振動(dòng)損傷面積的量化

如圖4所示，在2 Hz振動(dòng)頻率下，低成熟度香梨振動(dòng)1 h后果實(shí)未出現(xiàn)顯性損傷。不同成熟度香梨振動(dòng)2 h后表皮均出現(xiàn)輕微損傷，振動(dòng)時(shí)間小于4 h的香梨損傷面積增長(zhǎng)速率緩慢，當(dāng)香梨振動(dòng)5 h，果皮果肉均產(chǎn)生損傷，其損傷面積明顯高于振動(dòng)4 h產(chǎn)生的損傷面積，且成熟度越高損傷面積增長(zhǎng)變化趨勢(shì)越明顯。因?yàn)橄憷嫣幱诘皖l振動(dòng)條件下，前期細(xì)胞組織完整，伴隨著長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)會(huì)對(duì)細(xì)胞組織產(chǎn)生損傷，當(dāng)超過(guò)細(xì)胞組織所能承受范圍內(nèi)的載荷閾值后，香梨逐漸軟化，損傷面積隨之增大。在3 Hz振動(dòng)頻率下，隨著振動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，香梨表面出現(xiàn)的損傷面積逐漸增大。振動(dòng)1～2 h之間時(shí)香梨損傷面積增長(zhǎng)速率較快，在振動(dòng)2 h之后香梨損傷面積緩慢增加。在4 Hz振動(dòng)頻率下，隨著振動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，香梨出現(xiàn)大面積損傷。當(dāng)振動(dòng)4 h之后，損傷面積增長(zhǎng)速率較之前變化較小，是因?yàn)楫?dāng)香梨在4 Hz振動(dòng)頻率振動(dòng)4 h時(shí)，香梨大部分表面已經(jīng)出現(xiàn)損傷，隨著振動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，主要增加的是香梨損傷深度。

圖4 不同振動(dòng)頻率下香梨損傷面積隨振動(dòng)時(shí)間變化規(guī)律

在相同振動(dòng)時(shí)間和振動(dòng)頻率下，香梨振動(dòng)損傷面積均隨成熟度的增大而增大。同一振動(dòng)頻率下，隨著振動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)香梨損傷面積不斷增加，隨著振動(dòng)時(shí)間的增加，香梨遭受振動(dòng)載荷作用次數(shù)增多，所以振動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)香梨損傷面積越大。同一振動(dòng)時(shí)間下，振動(dòng)頻率越大香梨損傷面積越大，隨著振動(dòng)頻率增加，振動(dòng)加速度變大，在單位時(shí)間內(nèi)受到的載荷作用次數(shù)增多，所以振動(dòng)頻率越高香梨損傷面積越大。

2.2 香梨振動(dòng)損傷面積量化模型的構(gòu)建

2.2.1 電學(xué)參數(shù)Cp與振動(dòng)損傷面積量化模型的構(gòu)建

如圖5所示，不同成熟度下香梨的電學(xué)參數(shù)Cp與振動(dòng)損傷面積變化規(guī)律較為明顯。在2 Hz振動(dòng)頻率下，電學(xué)參數(shù)Cp與振動(dòng)損傷面積呈現(xiàn)出遞增的變化趨勢(shì)，振動(dòng)4 h后，電學(xué)參數(shù)Cp與損傷面積呈現(xiàn)出急劇增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)；在3 Hz振動(dòng)頻率下，振動(dòng)1 h與振動(dòng)2 h的電學(xué)參數(shù)Cp與振動(dòng)損傷面積的變化波動(dòng)幅度較大，增長(zhǎng)速率較快，振動(dòng)2 h后電學(xué)參數(shù)Cp與損傷面積呈現(xiàn)出波動(dòng)式增長(zhǎng)變化規(guī)律；在4 Hz振動(dòng)頻率下，電學(xué)參數(shù)Cp與損傷面積呈現(xiàn)出“平緩—快速—平緩”的遞增變化趨勢(shì)，不同成熟度下的電學(xué)參數(shù)Cp與損傷面積的關(guān)系曲線稀疏程度呈現(xiàn)“緊密—稀疏—緊密”的變化趨勢(shì)。

圖5 不同振動(dòng)頻率下并聯(lián)等效電容與振動(dòng)損傷面積關(guān)系曲線

為了構(gòu)建不同頻率下電學(xué)參數(shù)與香梨損傷面積間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做擬合分析，得到數(shù)學(xué)模型方程式為：

式（3）中S為振動(dòng)損傷面積，mm2；V為損傷香梨的電學(xué)參數(shù)；a、b、c為常數(shù)。

電學(xué)參數(shù)Cp與振動(dòng)損傷面積的數(shù)學(xué)模型如表1～3所示。在2 Hz、3 Hz和4 Hz振動(dòng)頻率下，電學(xué)參數(shù)Cp與損傷面積的變化規(guī)律均符合方程式（3），數(shù)學(xué)模型擬合度良好。在2 Hz振動(dòng)頻率下，香梨成熟度為H1和H5的數(shù)學(xué)模型R2分別為0.952 5和0.956 7，數(shù)學(xué)模型擬合效果較優(yōu)。在3 Hz振動(dòng)頻率下，在香梨成熟度為H6和H7時(shí)，電學(xué)參數(shù)Cp值與損傷面積的數(shù)學(xué)模型擬合效果較優(yōu)，R2分別為0.994 1和0.996 5，擬合效果較其它成熟度較為良好。在4 Hz振動(dòng)頻率下，香梨成熟度為H5時(shí)，電學(xué)參數(shù)Cp值與損傷面積擬合方程的R2為0.971 8，擬合效果較優(yōu)。各振動(dòng)頻率下的電學(xué)參數(shù)Cp與振動(dòng)損傷面積的數(shù)學(xué)模型擬合度較好，電學(xué)參數(shù)Cp可用于量化香梨振動(dòng)損傷面積，所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型可量化不同成熟度香梨的振動(dòng)損傷面積。

表1 2 Hz振動(dòng)頻率下并聯(lián)等效電容與振動(dòng)損傷面積的數(shù)學(xué)模型

2.2.2 電學(xué)參數(shù)Rp與振動(dòng)損傷面積量化模型的構(gòu)建

如圖6所示，不同成熟度下香梨的電學(xué)參數(shù)Rp與損傷面積變化規(guī)律較為明顯。在2 Hz振動(dòng)頻率下，電學(xué)參數(shù)Rp與振動(dòng)損傷面積呈現(xiàn)出遞減的變化趨勢(shì)。當(dāng)香梨成熟度低于H3時(shí)，電學(xué)參數(shù)Rp與損傷面積的曲線變化范圍較小，當(dāng)香梨成熟度高于H3時(shí)，香梨電學(xué)參數(shù)與損傷面積的曲線變化范圍逐漸增大；在3 Hz振動(dòng)頻率下，不同成熟度香梨的電學(xué)參數(shù)與損傷面積的變化曲線波動(dòng)較大，但整體呈現(xiàn)出隨著香梨損傷面積的增加，電學(xué)參數(shù)Rp值逐漸減小的變化趨勢(shì)；在4 Hz振動(dòng)頻率下，隨著振動(dòng)損傷面積的增加，電學(xué)參數(shù)Rp值呈現(xiàn)出降低的變化趨勢(shì)，在香梨整個(gè)成熟期內(nèi)，隨著損傷面積的增加，電學(xué)參數(shù)Rp的變化波動(dòng)幅度逐漸縮小，趨向于0 kΩ。

圖6 并聯(lián)等效電阻與損傷面積關(guān)系曲線

表2 3 Hz振動(dòng)頻率下并聯(lián)等效電容與振動(dòng)損傷面積的數(shù)學(xué)模型

表3 4 Hz振動(dòng)頻率下并聯(lián)等效電容與振動(dòng)損傷面積的數(shù)學(xué)模型

電學(xué)參數(shù)Rp與振動(dòng)損傷面積的數(shù)學(xué)模型如表4～6所示。3種振動(dòng)頻率下的香梨電學(xué)參數(shù)與損傷面積的變化規(guī)律均符合方程式（3），數(shù)學(xué)模型擬合度良好。在2 Hz振動(dòng)頻率下，當(dāng)成熟度為H4時(shí)，其數(shù)學(xué)模型R2為0.996 7，數(shù)學(xué)模型擬合效果最優(yōu)；在3 Hz振動(dòng)頻率下，在成熟度為H1時(shí)，電學(xué)參數(shù)Rp值與損傷面積的數(shù)學(xué)模型擬合效果最優(yōu)，R2為0.997 1，擬合效果較其它成熟度較為良好；在4 Hz振動(dòng)頻率下，成熟度為H2時(shí)，電學(xué)參數(shù)Rp值與損傷面積擬合方程R2為0.994 3，擬合度較優(yōu)。各振動(dòng)頻率下電學(xué)參數(shù)Rp與振動(dòng)損傷面積的數(shù)學(xué)模型擬合度較好，R2值均大于0.839 8，電學(xué)參數(shù)Rp能夠較好的量化評(píng)價(jià)損傷面積，所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型可量化不同成熟度香梨的振動(dòng)損傷面積。

表4 2 Hz振動(dòng)頻率下并聯(lián)等效電阻與振動(dòng)損傷面積的數(shù)學(xué)模型

表5 3 Hz振動(dòng)頻率下并聯(lián)等效電阻與振動(dòng)損傷面積的數(shù)學(xué)模型

表6 4 Hz振動(dòng)頻率下并聯(lián)等效電阻與振動(dòng)損傷面積的數(shù)學(xué)模型

2.3 香梨振動(dòng)損傷微觀組織結(jié)構(gòu)

為揭示香梨振動(dòng)損傷機(jī)制，對(duì)振動(dòng)損傷香梨微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描電子顯微鏡試驗(yàn)。如圖7（a）所示為正常香梨果肉組織微觀結(jié)構(gòu)圖，圖7（b）為在振動(dòng)頻率3 Hz、振動(dòng)時(shí)間2 h條件下的損傷香梨微觀組織結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯稣駝?dòng)損傷果肉發(fā)生輕微塌縮和折疊，果肉組織較為平整，符合平淺形特征。當(dāng)香梨遭受振動(dòng)損傷時(shí)，香梨損傷前后電學(xué)參數(shù)值變化較大，這是因?yàn)殡S著振動(dòng)頻率的增大香梨受損嚴(yán)重，香梨遭受損傷后，細(xì)胞膜破損，離子通透性增加，同時(shí)膠體結(jié)合水變成自由水，電流阻力減小，損傷香梨在給定電位差下的電荷儲(chǔ)藏量大于無(wú)損傷香梨，因此與無(wú)損傷香梨相比，損傷后香梨的電學(xué)參數(shù)Cp增加、Rp減?。?6-29］。當(dāng)振動(dòng)頻率較小和振動(dòng)時(shí)間較短時(shí)，對(duì)香梨的破壞性較小，細(xì)胞膜破裂程度較輕，香梨損傷面積較小。此時(shí)自由水和電解質(zhì)溢出較少，電學(xué)參數(shù)與損傷面積的曲線變化規(guī)律較為平緩。但隨著振動(dòng)頻率的增大和振動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，香梨遭受的載荷強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，香梨自身承受載荷的能力不斷下降，導(dǎo)致香梨損傷面積快速增加，細(xì)胞膜破裂嚴(yán)重，自由水和電解質(zhì)溢出增多，表現(xiàn)為電學(xué)參數(shù)與損傷面積關(guān)系曲線變化速率急增。

圖7 香梨微觀組織結(jié)構(gòu)圖

2.4 篩選最優(yōu)電學(xué)參數(shù)

為了選取最優(yōu)預(yù)測(cè)模型，利用RMSE和線性回歸直線的R2均值對(duì)模型的預(yù)測(cè)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。RMSE計(jì)算如下：

式（4）中N為樣本總數(shù)；K1為數(shù)學(xué)模型R2值；K2為數(shù)學(xué)模型R2均值。

為篩選出最優(yōu)檢測(cè)振動(dòng)損傷的電學(xué)參數(shù)，現(xiàn)將不同振動(dòng)頻率下對(duì)應(yīng)的8種不同成熟度的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行R2均值處理和RMSE計(jì)算。由表7可知，電學(xué)參數(shù)Rp在2 Hz振動(dòng)頻率下的數(shù)學(xué)模型R2均值最高，電學(xué)參數(shù)Rp的RMSE與電學(xué)參數(shù)Cp的RMSE相比，差值僅為0.013 0，故在2 Hz振動(dòng)頻率下，電學(xué)參數(shù)Rp對(duì)振動(dòng)損傷的檢測(cè)效果最優(yōu)；在3 Hz振動(dòng)頻率下，電學(xué)參數(shù)Rp的數(shù)學(xué)模型R2均值最高，其RMSE與電學(xué)參數(shù)Cp的RMSE相比，僅相差0.003 4，故電學(xué)參數(shù)Rp對(duì)3 Hz振動(dòng)頻率下的振動(dòng)損傷檢測(cè)程度最優(yōu)；在4 Hz振動(dòng)頻率下，電學(xué)參數(shù)Rp的數(shù)學(xué)模型R2均值最高，其RMSE與電學(xué)參數(shù)Cp的RMSE相比，僅相差0.007 9，故電學(xué)參數(shù)Rp對(duì)4 Hz頻率下的振動(dòng)損傷檢測(cè)程度最優(yōu)。綜上，電學(xué)參數(shù)Rp在2～4 Hz振動(dòng)頻率下的香梨損傷檢測(cè)效果最優(yōu)，電學(xué)參數(shù)Cp的R2均值也均在0.899 5以上，也可用于香梨振動(dòng)損傷量化評(píng)價(jià)電學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

表7 各電學(xué)參數(shù)數(shù)學(xué)模型R2均值和RMSE統(tǒng)計(jì)表

3 討論與結(jié)論

香梨機(jī)械損傷主要取決于香梨自身屬性和外界載荷作用，成熟度作為香梨自身屬性，對(duì)果實(shí)損傷程度影響顯著。有學(xué)者認(rèn)為成熟度與機(jī)械強(qiáng)度負(fù)相關(guān)，成熟度較大的果實(shí)易損傷［30］，也有學(xué)者認(rèn)為成熟度與機(jī)械損傷敏感度負(fù)相關(guān)，成熟度較小的果實(shí)易損傷［30］。因此探究不同成熟度下香梨損傷是本試驗(yàn)探究的前提條件。本研究通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的振動(dòng)損傷規(guī)律與李曉娟［6］進(jìn)行的振動(dòng)模擬試驗(yàn)研究結(jié)果一致。證明振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間以及成熟度對(duì)香梨損傷影響較大，在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中，應(yīng)考慮上述影響因素，將香梨損傷率降到最低。

庫(kù)爾勒香梨果皮薄，果肉多汁，其內(nèi)部存在大量帶電粒子，香梨遭受振動(dòng)損傷時(shí)，果肉發(fā)生輕微塌縮和折疊，內(nèi)部物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換發(fā)生一系列變化，影響了生物電場(chǎng)的分布和強(qiáng)度，宏觀上表現(xiàn)為電學(xué)特性發(fā)生改變，有利于發(fā)揮電特性檢測(cè)技術(shù)快速、靈敏、操作方便的優(yōu)點(diǎn)。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著振動(dòng)頻率的增大，香梨損傷前后電學(xué)參數(shù)變化較大，與無(wú)損香梨相比，損傷后的香梨電學(xué)參數(shù)Cp呈現(xiàn)增加、Rp呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)，與唐燕等［14］、郭文川等［15］、陳志遠(yuǎn)等［16］研究水果損傷后電學(xué)參數(shù)變化的規(guī)律一致，發(fā)現(xiàn)無(wú)損傷與有損傷果實(shí)的電學(xué)參數(shù)變化規(guī)律存在明顯區(qū)別。

綜上，在相同成熟度和振動(dòng)頻率下，香梨振動(dòng)損傷面積均隨振動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。在相同振動(dòng)時(shí)間和成熟度下，香梨振動(dòng)損傷面積均隨振動(dòng)頻率的增大而增大。在相同振動(dòng)時(shí)間和振動(dòng)頻率下，香梨振動(dòng)損傷面積均隨成熟度的增加而增大。隨著振動(dòng)頻率的增加，香梨損傷前后的電學(xué)參數(shù)Cp、Rp變化較大，與無(wú)損傷香梨相比，損傷后的香梨電學(xué)參數(shù)Cp呈現(xiàn)增加的變化趨勢(shì)，而Rp呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)。在2 Hz、3 Hz和4 Hz振動(dòng)頻率下，電學(xué)參數(shù)Cp、Rp與損傷面積數(shù)學(xué)模型均符合二次函數(shù)，所構(gòu)建的電學(xué)參數(shù)與損傷面積的數(shù)學(xué)模型能夠有效量化香梨振動(dòng)損傷面積，其中電學(xué)參數(shù)Rp能夠較好的量化評(píng)價(jià)2～4 Hz振動(dòng)頻率下的香梨損傷面積。研究結(jié)果可為庫(kù)爾勒香梨振動(dòng)損傷量化提供理論指導(dǎo)。