1、第二章第二章 利用力学利用力学(机械机械)特性的检测技术特性的检测技术 第一节第一节 常用的力学常用的力学(机械机械)特性特性 第二节第二节 利用力学特性的检测技术利用力学特性的检测技术 第三节第三节 利用声学利用声学特性的检测技术特性的检测技术第四节第四节 利用超声波的检测技术利用超声波的检测技术第五节第五节 力学力学( (机械机械) )特性的检测的常用仪器特性的检测的常用仪器第六节第六节 应用实例应用实例 2022年6月9日6时47分2第二章 利用力学(机械)特性的检测技术第一节第一节 常用的力学常用的力学(机械机械)特性特性（1 1）固体物料的力学特性）固体物料的力学特性 质量（重量）、
2、密度、应力质量（重量）、密度、应力- -应变规律、冲击、振应变规律、冲击、振动、屈服强度、硬度、蠕变、松弛、流变模型等；动、屈服强度、硬度、蠕变、松弛、流变模型等；（4 4）声学特性和超声波特性等声学特性和超声波特性等。 （3 3）液体物料的力学特性液体物料的力学特性主要包含流体力学特性、主要包含流体力学特性、流变特性、黏性、粘弹性等；流变特性、黏性、粘弹性等；（2 2）散粒体的力学特性散粒体的力学特性包含摩擦、黏附、变形、流动、包含摩擦、黏附、变形、流动、离析等；离析等；2022年6月9日6时47分3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)特性利用食品与农产品的力学
3、（机械）特性进行品质的检测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。是无损检测最为常用的方法之一，及时控制生产过程。 水果的水果的硬度硬度直接反映出其新鲜度和糖度等内在品质指标。直接反映出其新鲜度和糖度等内在品质指标。 浓缩过程中，用浓缩过程中，用表现黏度表现黏度的变化确定其浓缩点，黏度过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。大会导致变稠，过低则可能出现脂肪分离与糖沉淀。泊松比泊松比可以衡量面包等膨松食品的膨松程度；可以衡量面包等膨松食品的膨松程度； 在面包生产中，面团的流变特性在面包生产中，面团的流变特性
4、( (弹性、延迟弹性、压弹性、延迟弹性、压力松弛等力松弛等) )直接影响到面包的质量；直接影响到面包的质量；2022年6月9日6时47分4第二章 利用力学(机械)特性的检测技术第二节第二节 利用力学特性的检测技术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。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生变化，反映细胞间结合力变化的物理指标是其坚实度坚实度。除此之外物料的重量、表面和内部颜色、。除此之外物料的重量、表面和内部颜色、形
5、状、硬度、黏度等指标均会产生一系列的变化。形状、硬度、黏度等指标均会产生一系列的变化。2022年6月9日6时47分5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检测坚实度的主要原因有下面三个方面：检测坚实度的主要原因有下面三个方面：（1 1）果蔬生长中成熟度的监测和分析，决定合适的收获期。）果蔬生长中成熟度的监测和分析，决定合适的收获期。（2 2）果蔬收获过程按其成熟度分级，以便存储。）果蔬收获过程按其成熟度分级，以便存储。（3 3）果蔬内部品质的检测，保鲜、存储期的确定。）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坚实度检查的常用方法是M-T戳
6、穿试验方法。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。缩试验，同时测量压缩力，压缩力的最大值称为其坚实度。 一、果蔬坚实度的检测一、果蔬坚实度的检测2022年6月9日6时47分6食品物性测试仪食品物性测试仪（食品质构测定仪）（食品质构测定仪） 人民币：人民币：42.3万元万元 英国Stable Micro System2022年6月9日6时47分7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 在果蔬坚实度无损测量中，组织的杨氏模量是一个重在果蔬
7、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。要的基本参数。 1.1.果蔬组织材料的特性果蔬组织材料的特性结果：结果：杨氏模量径向最大，切向最小，底部比中部和上部杨氏模量径向最大，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。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。 上世纪上世纪7070年代，有人研究了果蔬被切割的方法、位置及年代，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、底方向影响其物理参数。以苹果为
8、例分成上、中、底3 3个高度；个高度；东、西、南东、西、南( (光照面光照面) )、北、北4 4个方位；考虑径向、切向和垂直个方位；考虑径向、切向和垂直3 3个方向，对这些参数组合下的试样进行了压缩试验。个方向，对这些参数组合下的试样进行了压缩试验。2022年6月9日6时47分8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 1）检测果蔬坚实度的冲击力方法）检测果蔬坚实度的冲击力方法2 2果蔬坚实度检测方法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，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如机械冲击产
9、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。析和果蔬冲击力等方法。其研究分为两类。（2 2）检测果蔬坚实度的振动频率分析法）检测果蔬坚实度的振动频率分析法2022年6月9日6时47分9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利用冲击力检测果蔬坚实度的力学原理是弹性球体与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。冲击力与弹性球刚性平面的跌落冲击问题。冲击力与弹性球( (即果蔬即果蔬) )的的质量、几何尺寸、材料杨氏模量等参数有关。研究的核质量、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
10、或计算出材料的杨氏模量，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。并与成熟度联系起来。 （1 1）检测果蔬坚实度的冲击力方法）检测果蔬坚实度的冲击力方法 有有人人提出了一种非线性的球体与平板冲击的力学模型，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。并通过最小二乘法拟合出球体的刚度。2022年6月9日6时47分10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2/3222/32)2(1)(6mfEE 果蔬的杨氏模量，果蔬的杨氏模量，MPa； 果蔬的密度，果蔬的密度，g/cm3； 果蔬的泊松比；果蔬的泊松比；
11、m 果蔬的质量，果蔬的质量，g； 归一化频率，归一化频率，Hz； f 果蔬的固有频率，果蔬的固有频率，Hz。模型一模型一 : : 利用果蔬振动的固有频率检测其坚实度。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材料杨氏模量E的关系为：的关系为：（2 2）检测果蔬坚实度的振动频率分析法）检测果蔬坚实度的振动频率分析法2022年6月9日6时47分11第二章 利用力学(机械)特性的检测技术
12、 第二节 利用力学特性的检测技术苹果的结果：苹果的结果：振动法测定的杨氏模量与压缩试验得到杨氏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（模量相关性较好（0.750.75）；与）；与M-T试验结果相关性较差。试验结果相关性较差。 有人有人用冲击振动产生的噪声和振动信号分别研究了水果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。的坚实度。一般的结论一般的结论：无损检测的坚实度与无损检测的坚实度与M-T试验结果之间的相试验结果之间的相关性不可能好，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
13、响，而引起的破坏强度，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。振动固有频率无损检测仅与压缩弹性模量有关。桃子的结果：桃子的结果：用固有频率测定桃子的坚实度与用固有频率测定桃子的坚实度与M-T试验试验结果相关性仍不好。结果相关性仍不好。2022年6月9日6时47分12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模型二模型二 理论分析认为坚实度指数应为理论分析认为坚实度指数应为S=2m/3f22（f2第第2固有频率）。固有频率）。有人有人对存储苹果定期进行对存储苹果定期进行0 0600600Hz宽带随机激宽带随机激励，结果表明存储期内
14、坚实度指数励，结果表明存储期内坚实度指数S= =2m/ /3f2 22 2有明显变化。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要苹果品种用固有频率固有频率、M-T试验试验和和苹果组织压缩苹果组织压缩试验试验3 3种种方法测量其坚实度，并进行了对比。试验表明：当固有频率方法测量其坚实度，并进行了对比。试验表明：当固有频率在在480480Hz和和850850Hz有二阶和三阶共振频率有二阶和三阶共振频率f2、f3存在，用存在，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计算的坚实度指数相关性很好，因
15、此可以用坚实度指数作为苹果坚实度的非损伤检测指数。为苹果坚实度的非损伤检测指数。2022年6月9日6时47分13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 人们对检测坚实度的共同认识：人们对检测坚实度的共同认识： (1)(1)试验和理论分析都表明，冲击力和果蔬的固有频率随成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。熟度变化，这些变化的原因是果蔬组织的杨氏模量的改变。 研究表明，西瓜的固有频率随成熟度的增加而降低，坚研究表明，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。实度指数与
16、含糖量也存在明显的相关关系。 (3) (3)冲击力和果蔬的固有频率这些参数与冲击力和果蔬的固有频率这些参数与M-T试验结果不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。数不高是必然的。 (2) (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、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。在线检测的两个基本物理量。2022年6月9日6时47分14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 1）果蔬等物料的基本力学特性和生物组织关系的系统研）果
17、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。不同而异，国外的研究数据不一定能用于我国的情况。需要继续研究的内容：需要继续研究的内容：（4 4）简便的在线测量、分析方法的研究，开发相应的测试）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。设备，使之实用化。（3 3）果蔬组织材料特性的时效规律研究，目前试验数据分）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。散和差异很可能是与对这一规律缺乏
18、认识有关系。（2 2）将果蔬视为粘弹性、非线性材料，它跌落时与刚性平）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。面冲击的动力学特性的理论和试验研究。2022年6月9日6时47分15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二、果蔬的冲击特性的检测二、果蔬的冲击特性的检测检测的意义检测的意义 通常成熟度判断大都采用破坏方法，如硬度、糖酸度测量。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
19、，通过研究与硬度有关断，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。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。间特性参数。2022年6月9日6时47分16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 测试系统。测试系统。
20、在金属平板下安装在金属平板下安装3 3只压力传感器，等边三只压力传感器，等边三角放置，边长为角放置，边长为2020cm。 压力传感器型号为压力传感器型号为CL-YB-11，量程，量程5 5kg，精度等级精度等级0.30.3。桃子在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。桃子的硬度由波器记录仪表。桃子的硬度由TG-2型水果硬度计测得。型水果硬度计测得。 2022年6月9日6时47分17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 1冲击力特性图冲击力特性图 下面以桃子的为下面以桃子的为
21、例，介绍有关冲击例，介绍有关冲击特性检测中的基本特性检测中的基本定义和方法。定义和方法。 在高度和质量一在高度和质量一定时，桃子硬度不定时，桃子硬度不同冲击力特性也不同冲击力特性也不同。桃子硬度越高，连续同。桃子硬度越高，连续2 2次冲击的时间间隔长次冲击的时间间隔长, ,在在接触过程接触过程中，接触冲击力开始由零快速升到峰值，随后又快速下降，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。这期间力作用时间较短。 2022年6月9日6时47分18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 1）恢复系数）恢复系数 r 恢复系数恢复系数 r
22、 的测定类似于工程材料中的恢复系数的测定，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：可由自由下落至金属平板的试验测得。恢复系数的定义为： 12VVr r 恢复系数，恢复系数，% %；V1 物料冲击前的速度，物料冲击前的速度，m/s；V2 物料冲击后的速度，物料冲击后的速度，m/s。 22tgV 如果能测得自由下落第一次碰撞结束时到回弹再次开始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碰撞时的时间间隔 t，在不计空气阻力时有：，在不计空气阻力时有： 2022年6月9日6时47分19第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第二
23、节 利用力学特性的检测技术 恢复系数计算的公式恢复系数计算的公式: : h 物料的自由下落高度，物料的自由下落高度，m； g 重力加速度，重力加速度，m/s2。 硬度高，硬度高，t 值大，值大，r 值变大。实际上，恢复系数为下值变大。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，故量之比，故 r 是与冲量有关的参数。是与冲量有关的参数。 thgghtgVVr82/2)(122022年6月9日6时47分20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（2 2）能量吸收率）能量吸收率 E E 第
24、第1 1次碰撞回弹高度势能为物料碰撞后所具有的机械能：次碰撞回弹高度势能为物料碰撞后所具有的机械能：hl为回弹高度为回弹高度，m。21221tgh 金属平板质量远大于桃子质量且冲击变形极小，其能量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吸收可不计。因此物料本身吸收的能量百分率 E 为：为： %1001hhhE2022年6月9日6时47分21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 3）冲击力时间特性参数）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冲击力时间特性参数定义为冲击力峰值与到达
25、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所经过的时间之比。由前面的图可得物料的冲击力峰值峰值fp、达到最大力峰值所需时间、达到最大力峰值所需时间tp。由此可算得冲击力。由此可算得冲击力时间特性参数时间特性参数c c：c 物料的冲击时间特性，物料的冲击时间特性，N/s；fp 物料的最大冲击力，物料的最大冲击力，N；tp 到达最大冲击力的时间，到达最大冲击力的时间，s。 pptfc 2022年6月9日6时47分22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2 2冲击力特性参数与硬度的关系冲击力特性参数与硬度的关系Hbar1双曲线模型双曲线模型 ：Hba
26、er/指数曲线模型：指数曲线模型：(1) (1) 恢复系数恢复系数r r与硬度与硬度H H的关系的关系由图可知，桃子硬度高，恢复由图可知，桃子硬度高，恢复系数也高，两者关系类似于指数系数也高，两者关系类似于指数曲线或双曲线。曲线或双曲线。2022年6月9日6时47分23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Hbaer/(2) (2) 能量吸收率能量吸收率E与硬度与硬度H的关系的关系 图表示了桃子能量吸收图表示了桃子能量吸收率与硬度之间的关系曲线。率与硬度之间的关系曲线。硬度越高，桃子的吸收能量硬度越高，桃子的吸收能量下降。同样，将试验所得数下降。同样，将试验所得
27、数据分别用据分别用指数曲线模型：指数曲线模型：Hbar1双曲线模型：双曲线模型： 2022年6月9日6时47分24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 3）冲击力时间特性参）冲击力时间特性参数数C与硬度与硬度H H的关系的关系 图表示了桃子的冲击图表示了桃子的冲击时间特性与硬度之间的关时间特性与硬度之间的关系曲线。硬度增加，冲击系曲线。硬度增加，冲击力时间特性参数值变大。力时间特性参数值变大。将试验所得数据分别用将试验所得数据分别用：Hbppaetfc/Hbar1和和双曲线模型：双曲线模型： 模型拟合模型拟合。关系关系a a 值值 b b 值值数学模型数学
28、模型F F 值值拟合结果拟合结果0.7520.752 -13.55-13.557.347.34(0.05)(0.05)双曲线更双曲线更佳佳 0.9620.96237.74037.74042.2242.22(0.01)(0.01) 57.46557.4654.2494.24989.5589.55(0.01)(0.01)指数曲线指数曲线更佳更佳 0.0170.017-0.062-0.06221.7221.72(0.01)(0.01)17.00117.001-23.732-23.73275.0475.04(0.01)(0.01)双曲线双曲线更佳更佳 0.0520.0522.5512.551380.5
29、380.5(0.01)(0.01)Her/551.13752. 0Hr1740.37962. 01Hr HE HeE/249. 4465.57HE1062. 0017. 01Hc Hec/732.23001.17Hc1551. 2052. 01表表2-1 3个冲击力参数与硬度的回归数学模型及个冲击力参数与硬度的回归数学模型及F检验检验2022年6月9日6时47分26第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第二节 力学特性的检测技术方法方法: : 将桃子按硬度将桃子按硬度( (成熟度成熟度) )不同分成不同分成3 3个等级：过于成熟；个等级：过于成熟；刚成熟和已成熟；未成熟。刚成熟和已成熟；未成
30、熟。(4) 3(4) 3个冲击力参数比较个冲击力参数比较 结论：结论：通过通过F 检验：检验：3 3个冲击力参数对成熟度均呈极显个冲击力参数对成熟度均呈极显著的相关关系。与桃子质量的关系均不显著，著的相关关系。与桃子质量的关系均不显著， 将桃子按质量不同进行冲击力特性试验，结果见表将桃子按质量不同进行冲击力特性试验，结果见表2-22-2。表表2-2 不同成熟度、质量桃子的不同成熟度、质量桃子的3个冲击力参数值（每个重复个冲击力参数值（每个重复8次）次） 成熟度成熟度等等 级级质量质量m/ /g恢复系数恢复系数r能能 量量 吸吸 收率收率 E/%/%冲击力时间冲击力时间特性特性c/N/ms/N/
31、ms95950.389(0.029)0.389(0.029)72.90(4.37)72.90(4.37)6.92(0.43)6.92(0.43)1201200.358(0.053)0.358(0.053)74.30(8.31)74.30(8.31)6.57(0.57)6.57(0.57)1451450.319(0.048)0.319(0.048)73.00(8.34)73.00(8.34)7.02(0.63)7.02(0.63)95950.498(0.031)0.498(0.031)65.80(3.40)65.80(3.40)10.67(0.92)10.67(0.92)1201200.479(
32、0.020)0.479(0.020)65.75(2.65)65.75(2.65)9.98(0.72)9.98(0.72)1451450.415(0.047)0.415(0.047)62.90(4.10)62.90(4.10)11.31(0.81)11.31(0.81)95950.604(0.053)0.604(0.053)58.31(6.98)58.31(6.98)16.85(0.98)16.85(0.98)1201200.581(0.061)0.581(0.061)60.74(3.29)60.74(3.29)15.90(1.32)15.90(1.32)1451450.549(0.062)0.
33、549(0.062)61.35(5.30)61.35(5.30)15.80(1.33)15.80(1.33)2022年6月9日6时47分28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三、梨的动态力学特性的检测三、梨的动态力学特性的检测 研究梨的动态特性发现，研究梨的动态特性发现， 在不同预加载荷、激振功率、成在不同预加载荷、激振功率、成熟程度等条件下梨果实动态试验的弹性模量和相位角明显不熟程度等条件下梨果实动态试验的弹性模量和相位角明显不同。在相同频率下，随预加载荷的增加弹性模量增加；在相同。在相同频率下，随预加载荷的增加弹性模量增加；在相梨子动态轴向加载试验装置系
34、统图梨子动态轴向加载试验装置系统图同预载荷、激振功率同预载荷、激振功率和频率，未成熟梨的和频率，未成熟梨的动态试验相位角较小，动态试验相位角较小，成熟梨的相位角较大，成熟梨的相位角较大，未成熟梨的动态试验未成熟梨的动态试验弹性模量较大，成熟弹性模量较大，成熟梨的弹性模量较小。梨的弹性模量较小。2022年6月9日6时47分29梨子的应力与应变相位角的关系梨子的应力与应变相位角的关系梨的应力与应变相位角图梨的应力与应变相位角图2022年6月9日6时47分30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四、利用蜂蜜的四、利用蜂蜜的黏黏度特性检测其品质度特性检测其品质 糖蜜是
35、指以蔗糖代替蜜饲喂蜂群产生（糖蜜是指以蔗糖代替蜜饲喂蜂群产生（配制）配制）的蜜或在的蜜或在蜂蜜中掺入蔗糖配制成的蜜，蔗糖含量大于蜂蜜中掺入蔗糖配制成的蜜，蔗糖含量大于5%5%。 蜂蜜和糖蜜均属于牛顿流体。蜂蜜和糖蜜的黏度与含蜂蜜和糖蜜均属于牛顿流体。蜂蜜和糖蜜的黏度与含水量和其组成成分有关，可回归得到如下关系式：水量和其组成成分有关，可回归得到如下关系式：蜂蜜粘度蜂蜜粘度 糖蜜粘度糖蜜粘度 式中：式中： 物料的粘度，物料的粘度，Pa.s； 混合液体的混合液体的含水量，含水量，mL/mL； 还原糖含量，还原糖含量，g/mL蔗糖含量，蔗糖含量，g/mL。 196.3031049.2Ce62. 03
36、13. 2280. 7161025. 1CCC1C2C3C2022年6月9日6时47分31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五、利用冲击振动检测西瓜的成熟度五、利用冲击振动检测西瓜的成熟度 1 1西瓜的力学和物理特性西瓜的力学和物理特性 一种传统、公认、客观地描述西瓜成熟度的检验方法是一种传统、公认、客观地描述西瓜成熟度的检验方法是测量其果汁的含糖量。但这种方法需要切开西瓜，是损坏测量其果汁的含糖量。但这种方法需要切开西瓜，是损坏性的，不可能大样本数检测，更不能逐个检验。性的，不可能大样本数检测，更不能逐个检验。 西瓜内部结构分为瓜皮和瓜瓤。从力学角度，瓜瓤
37、各部西瓜内部结构分为瓜皮和瓜瓤。从力学角度，瓜瓤各部位性能相差较大，瓜瓤又可分为位性能相差较大，瓜瓤又可分为3 3层，第层，第1 1层为接近瓜皮部层为接近瓜皮部分，第分，第2 2层为中间层，第层为中间层，第3 3层为中心部分。西瓜在成熟过程层为中心部分。西瓜在成熟过程中，瓜皮的硬度和弹性模量逐渐增加，但内部瓜瓤组织细中，瓜皮的硬度和弹性模量逐渐增加，但内部瓜瓤组织细胞间的结合力随成熟而变小。因此，瓜瓤变得松、脆，即胞间的结合力随成熟而变小。因此，瓜瓤变得松、脆，即常说的常说的“沙瓤沙瓤”，瓜瓤的弹性模量随成熟而变小。，瓜瓤的弹性模量随成熟而变小。 表表2-3 2-3 某一品种西瓜各部位材料的弹
38、性模量某一品种西瓜各部位材料的弹性模量西瓜部位西瓜部位弹性模量弹性模量 E/ /MPa1 1# #西瓜，含糖西瓜，含糖 9.0%9.0%2 2# #西瓜，含糖西瓜，含糖 11.0%11.0%瓜皮（硬皮内侧）瓜皮（硬皮内侧）2.202.202.402.40外层（瓜瓤外层）外层（瓜瓤外层）0.510.510.420.42中间层（瓜瓤中间）中间层（瓜瓤中间）0.440.440.320.32中心层（瓜瓤中心）中心层（瓜瓤中心）0.400.400.300.301 1# # 西瓜含搪量为西瓜含搪量为9.0%9.0%，成熟度为中等，成熟度为中等，2 2# # 西瓜含搪量为西瓜含搪量为11.0% 11.0%
39、成熟度为较好。成熟度为较好。 2022年6月9日6时47分33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2 2冲击振动响应方法无损检测西瓜成熟度的原理冲击振动响应方法无损检测西瓜成熟度的原理 西瓜可以视为多层球状弹性体。当其受到瞬态冲击时，西瓜可以视为多层球状弹性体。当其受到瞬态冲击时，球体将产生振动响应。按照弹性体振动理论，由冲击造球体将产生振动响应。按照弹性体振动理论，由冲击造成的振动响应的频率是弹性体的固有频率。球体的固有成的振动响应的频率是弹性体的固有频率。球体的固有频率与其材料的密度、几何尺寸和弹性模量等因素有关。频率与其材料的密度、几何尺寸和弹性模量等因
40、素有关。 可以证明，球体的拉压弹性模可以证明，球体的拉压弹性模 E 量与固有频率量与固有频率f、质量质量m 之间的关系为：之间的关系为：322mfE已知西瓜的固有频率和质量后，就可以确定其弹性模量。已知西瓜的固有频率和质量后，就可以确定其弹性模量。2022年6月9日6时47分34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 3西瓜固有频率的测量西瓜固有频率的测量 西瓜固有频率测量试验装置西瓜固有频率测量试验装置、频率响应函数频率响应函数等等如图所示如图所示：2022年6月9日6时47分35第二章 利用力学(机械)特性的检测技术第三节第三节 利用利用声学特性的检测技术
41、声学特性的检测技术 一、声学特性检测技术研究概况一、声学特性检测技术研究概况 利用食品与农产品声学特性对其进行无损检测和分级利用食品与农产品声学特性对其进行无损检测和分级具有适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、使用灵活、具有适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、使用灵活、设备轻巧、成本低廉、可在野外及水下等各种环境中工设备轻巧、成本低廉、可在野外及水下等各种环境中工作和易实现自动化等优点作和易实现自动化等优点, ,是一项正在飞速发展的新技术是一项正在飞速发展的新技术, ,利用食品与农产品的声学特性对食品与农产品品质利用食品与农产品的声学特性对食品与农产品品质( (尤其尤其是内部品质是内部品质)
42、)进行无损检测的巨大潜力。进行无损检测的巨大潜力。 2022年6月9日6时47分36第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第三节 利用声学特性的检测技术食品与农产品的声学特性是指食品与农产品在声波作用食品与农产品的声学特性是指食品与农产品在声波作用下的下的反射特性、散射特性、透射特性、吸收特性、衰减系反射特性、散射特性、透射特性、吸收特性、衰减系数和传播速度及其本身的声阻抗与固有频率等数和传播速度及其本身的声阻抗与固有频率等，它们反映，它们反映了声波与食品或农产品相互作用的基本规律。食品与农产了声波与食品或农产品相互作用的基本规律。食品与农产品声学特性的检测装置通常由品声学特性的检测装置通常
43、由声波发生器、声波传感器、声波发生器、声波传感器、电荷放大器、动态信号分析仪、微型计算机、绘图仪或打电荷放大器、动态信号分析仪、微型计算机、绘图仪或打印机等组成印机等组成。二、食品与农产品的声学特性及检测原理二、食品与农产品的声学特性及检测原理2022年6月9日6时47分37 苹果硬度检测系统苹果硬度检测系统第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第三节 利用声学特性的检测技术 三、声学特性检测的典型实例三、声学特性检测的典型实例1. 1. 利用测定共振频率确定苹果硬度利用测定共振频率确定苹果硬度 图为一苹果硬度的检测系统图为一苹果硬度的检测系统, ,测试时测试时, ,用榔头轻叩苹果用榔头轻叩
44、苹果, ,由由苹果另一侧的声波传感苹果另一侧的声波传感即可求出硬度。即可求出硬度。 322mf器采集声脉冲响应信器采集声脉冲响应信号号, ,放大后送到动态信放大后送到动态信号分析仪号分析仪, ,经快速傅立经快速傅立叶变换可求得其共振叶变换可求得其共振频率频率f 根据苹果硬度与根据苹果硬度与成正比的关系成正比的关系: :2022年6月9日6时47分38甜瓜贮藏时间与声波传播速度的关系第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第三节 利用声学特性的检测技术 2. 2. 利用测定声波传播速度确定甜瓜的成熟度利用测定声波传播速度确定甜瓜的成熟度 随着甜瓜的成熟随着甜瓜的成熟, ,声波在甜瓜中的传播速度和
45、共振频率均声波在甜瓜中的传播速度和共振频率均将降低将降低, ,其其变化趋势完全变化趋势完全一致。利用传播速度来一致。利用传播速度来确定甜瓜成熟度确定甜瓜成熟度, ,不需测不需测定质量定质量, ,也不需进行快速也不需进行快速傅里叶变换。因此傅里叶变换。因此, ,与共与共振频率相比振频率相比, ,声波传播速声波传播速度是易测定的指标。试度是易测定的指标。试验表明验表明, ,适宜成熟甜瓜的适宜成熟甜瓜的声 波 传 播 速 度 为声 波 传 播 速 度 为 3 73 7 5050m/s。2022年6月9日6时47分39第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第三节 利用声学特性的检测技术 图是利用声学
46、特性检图是利用声学特性检测西瓜成熟度的装置原测西瓜成熟度的装置原理图。该检测系统主要理图。该检测系统主要由物料台、声波传感器、由物料台、声波传感器、放大器、磁带记录仪、放大器、磁带记录仪、计算机和打印机等设备计算机和打印机等设备组成。组成。 3. 3. 利用声学特性检测西瓜的成熟度利用声学特性检测西瓜的成熟度第二章 利用力学(机械)特性的检测技术(a)(c)(b) 西瓜果实打击音波波形a-未熟果; b-适熟果; c-过熟果成熟度成熟度 质量质量m/g 体积体积V/cm3密度密度/(g/cm3)糖度糖度Bm/% 对对 称称 度度 衰衰 减减 率率 频频 率率ftt/Hz未成未成熟熟3452345
47、2349734970.9870.9876.86.80.400.400.0.76760.550.550.800.80164164280280适成适成熟熟38943894396539650.9820.9829.69.60.120.120.0.18180.920.920.980.98132132164164过成过成熟熟37853785388238820.9750.9759.29.20.100.100.0.16160.900.900.970.971071071301302022年6月9日6时47分41第二章 利用力学(机械)特性的检测技术(a)(b) 西瓜打击音波功率谱密度西瓜打击音波功率谱密度a-a
48、-未熟果未熟果; b-; b-适熟果适熟果 上图是西瓜的打击音波功率密度曲线。分析打击音波功率上图是西瓜的打击音波功率密度曲线。分析打击音波功率谱密度可知，未熟西瓜的打击音波含有多种频率成分，而且峰谱密度可知，未熟西瓜的打击音波含有多种频率成分，而且峰值频率值频率ft 较高，约为较高，约为164164280Hz280Hz，随成熟增加，随成熟增加，ft逐渐减少，在逐渐减少，在收获适期，为收获适期，为132132164Hz164Hz，仅有一种频率成分。过熟果的，仅有一种频率成分。过熟果的ft进一进一步减小到步减小到107107130Hz130Hz，在，在ft 上下，又出现较小的峰值。上下，又出现较
49、小的峰值。 4. 4. 利用测定声压确定谷物的水分利用测定声压确定谷物的水分2022年6月9日6时47分44第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第四节利用超声波的检测技术 第四节第四节 利用超声波的检测技术利用超声波的检测技术 二、超声波在食品与农产品品质检测中的应用二、超声波在食品与农产品品质检测中的应用 1 1超声波检测技术在乳状液体系中的应用超声波检测技术在乳状液体系中的应用 2 2利用超声波检测马铃薯空心利用超声波检测马铃薯空心 3 3利用超声波检测受钻蛀虫侵扰的樱桃树利用超声波检测受钻蛀虫侵扰的樱桃树 一、超声波检测原理一、超声波检测原理 1 1超声波的声速检测超声波的声速检测
50、2 2超声波的衰减检测超声波的衰减检测 2022年6月9日6时47分45第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第四节 利用超声波的检测技术 一、超声波检测原理一、超声波检测原理 用高频声波与物质间相互作用获取被测物质的理化性质。用高频声波与物质间相互作用获取被测物质的理化性质。运用在医学、海洋学、材料和化工操作过程中的生物和非生运用在医学、海洋学、材料和化工操作过程中的生物和非生物物质的检测和研究，但在食品与农产品体系的应用较少。物物质的检测和研究，但在食品与农产品体系的应用较少。 压缩波的传递是通过介质的压缩和膨胀进行的，质点在声压缩波的传递是通过介质的压缩和膨胀进行的，质点在声波作用下以
