食品品质无损检测新技术.ppt
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1、食品品质无损检测新技术2023/4/91现在学习的是第1页,共59页第二章 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 质质量量(重重量量)、密密度度、应应力力-应应变变规规律律、冲冲击击、振振动动、屈服强度、硬度、蠕变、松弛、流变模型等;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、流变特主要包含流体力学特性、流变特性、黏性、粘弹性等;性、黏性、粘弹性等;(2 2)散粒体的力学特性散粒体
2、的力学特性包含摩擦、黏附、变形、流动、离析包含摩擦、黏附、变形、流动、离析等;等;2023/4/92现在学习的是第2页,共59页第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第一节 常用的力学(机械)特性利用食品与利用食品与农产农产品的力学(机械)特性品的力学(机械)特性进进行品行品质质的的检测检测是是无无损检测损检测最最为为常用的方法之一,及常用的方法之一,及时时控制生控制生产过产过程。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。浓缩过浓缩过程中,用程中,用表表现现黏度黏度的的变变化确定其化确定其浓缩浓缩点,黏度点,黏度过过大会大会导导致
3、致变变稠,稠,过过低低则则可能出可能出现现脂肪分离与糖沉淀。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;在面包生在面包生产产中,面中,面团团的流的流变变特性特性(弹弹性、延性、延迟弹迟弹性、性、压压力松力松弛等弛等)直接影响到面包的直接影响到面包的质质量;量;2023/4/93现在学习的是第3页,共59页第二章 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质的一食品、农产品的力学特性是其成熟状态和品质的一个重要指标。个重要指标。果蔬生长和存储过程中,细胞间的
4、结合力发生变化,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。除此之外物料的重量、表面和内部颜色、形状、硬度、黏之外物料的重量、表面和内部颜色、形状、硬度、黏度等指标均会产生一系列的变化。度等指标均会产生一系列的变化。2023/4/94现在学习的是第4页,共59页第二章 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
5、。(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)果蔬内部品质质的的检测检测,保,保鲜鲜、存、存储储期的确定。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缩试验,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。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2023/4/95现在学习的是第5页,共59页食品物性测试仪食品物性测试仪(食品质构测定仪)(食
6、品质构测定仪)人民币:人民币:42.3万元万元 英国Stable Micro System2023/4/96现在学习的是第6页,共59页第二章 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要的基在果蔬坚实度无损测量中,组织的杨氏模量是一个重要的基本参数。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,底部比中部和上部大,苹果的杨氏模量径向最大,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,但外层和内层材料性能相差较大,材料性能沿圆周方向分布比较一致,但外层和内层材
7、料性能相差较大,比较成熟时内外层材料性能差异变小。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、位置及方向影响其年代,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、底物理参数。以苹果为例分成上、中、底3 3个高度;东、西、南个高度;东、西、南(光照光照面面)、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,对这些参数个方向,对这些参数组合下的试样进行了压缩试验。组合下的试样进行了压缩试验。2023/4/97现在学习的是第7页,共59页第二章 利用力学(机械)特性的检测技术 第二节 利用力学
8、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,如机械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析和果蔬冲击冲击产生的声频信号、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。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2023/4/98现在学习的是第8页,共59页第二章 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利用冲击击力力检测检测果蔬果蔬坚
9、实坚实度的力学原理是度的力学原理是弹弹性球体与性球体与刚刚性平面性平面的跌落冲的跌落冲击问题击问题。冲。冲击击力与力与弹弹性球性球(即果蔬即果蔬)的的质质量、几何尺寸、量、几何尺寸、材料材料杨杨氏模量等参数有关。研究的核心是当得到冲氏模量等参数有关。研究的核心是当得到冲击击力后如何估力后如何估计计或或计计算出材料的算出材料的杨杨氏模量,并与成熟度氏模量,并与成熟度联联系起来。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提出了一种非线线性的球体与平板冲性的球体与平板冲击击的力学模型,并通的力学模型,并通过过最最小二乘法小二乘法拟拟合出球体的合出球
10、体的刚刚度。度。2023/4/99现在学习的是第9页,共59页第二章 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E 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;m 果蔬的质量,果蔬的质量,g;归一化频归一化频率,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,固有频率与其材
11、料杨氏模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2023/4/910现在学习的是第10页,共59页第二章 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模量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(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的坚实度。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
12、。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试验结果之间的相关性试验结果之间的相关性不可能好,不可能好,M-T测量的是果蔬组织材料压缩和剪切共同引起的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响,而振动固有破坏强度,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。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试验结果相试验结果相关性仍不好。关性仍不好。2023/4/911现在学习的是第11页,共59页第二章 利用力学(机械)特性的检
13、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固有固有频率)。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宽带随机激励,结果表宽带随机激励,结果表明存储期内坚实度指数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。对两个主要苹果品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种方法测量其坚实种方法测量其坚实度,并进行了对比。
14、试验表明:当固有频率在度,并进行了对比。试验表明:当固有频率在480480Hz和和850850Hz有有二阶和三阶共振频率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计算的坚实度指数相关性很好,因此可以用坚实度指数作为苹果坚实度的非损伤检测指很好,因此可以用坚实度指数作为苹果坚实度的非损伤检测指数。数。2023/4/912现在学习的是第12页,共59页第二章 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熟度变化,试验和理论分析都表
15、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。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,坚实度指数研究表明,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。与含糖量也存在明显的相关关系。(3)(3)冲冲击击力和果蔬的固有力和果蔬的固有频频率率这这些参数与些参数与M-T试验结试验结果不完全相果不完全相同,同,这这是两种不同的是两种不同的检验检验手段,因此手段,因此这这两者的相关系数不高是必两者的相关系数不高是必然的。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
16、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。2023/4/913现在学习的是第13页,共59页第二章 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究。)果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不同而另外,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。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)简简便的在便的在线测线测量、分析
17、方法的研究,开量、分析方法的研究,开发发相相应应的的测试设备测试设备,使,使之之实实用化。用化。(3 3)果蔬组织材料特性的时效规律研究,目前试验数据分散)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。和差异很可能是与对这一规律缺乏认识有关系。(2 2)将果蔬视为粘弹性、非线性材料,它跌落时与刚性平面)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。冲击的动力学特性的理论和试验研究。2023/4/914现在学习的是第14页,共59页第二章 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
18、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。也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,一般只能作定性判断,不有非破坏法,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,通过研究与硬度有关的水果冲击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、能量吸收百分率和冲击力时间特性力学特性,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。可为设计水果快速检测仪和自动分级参数等与硬度的数学模型。可为设计水果快速检测仪
19、和自动分级机提供科学依据。机提供科学依据。果蔬的冲果蔬的冲击击力特性参数主要有恢复系数、能量吸收率和力特性参数主要有恢复系数、能量吸收率和时间时间特特性参数。性参数。2023/4/915现在学习的是第15页,共59页第二章 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 测试测试系系统统。在金属平板下安装在金属平板下安装3 3只只压压力力传传感器,等感器,等边边三角放三角放置,置,边长为边长为2020cm。压压力力传传感器型号感器型号为为CL-YB-11,量程,量程5 5kg,精度等,精度等级级0.30.3。桃子在桃子在一定高度自由下落至金属平板上,下落同一定高度自由下落至金属
20、平板上,下落同时时由触由触发发器引器引发发示波器示波器记录仪记录仪表。桃子的硬度由表。桃子的硬度由TG-2型水果硬度型水果硬度计测计测得。得。2023/4/916现在学习的是第16页,共59页第二章 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 下面以桃子的下面以桃子的为为例,介例,介绍绍有关冲有关冲击击特特性性检测检测中的基本定中的基本定义义和方法。和方法。在高度和在高度和质质量一定量一定时时,桃子硬度不同冲,桃子硬度不同冲击击力特性也不力特性也不同。桃子硬度越高,同。桃子硬度越高,连续连续2 2次冲次冲击击的的时间间时间间隔隔长长,在在接触接
21、触过过程中,接触程中,接触冲冲击击力开始由零快速升到峰力开始由零快速升到峰值值,随后又快速下降,随后又快速下降,这这期期间间力作用力作用时间较时间较短。短。2023/4/917现在学习的是第17页,共59页第二章 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 的的测测定定类类似于工程材料中的恢复系数的似于工程材料中的恢复系数的测测定,可由定,可由自由下落至金属平板的自由下落至金属平板的试验测试验测得。恢复系数的定得。恢复系数的定义为义为: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
22、料冲击后的速度,物料冲击后的速度,m/s。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:2023/4/918现在学习的是第18页,共59页第二章 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 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,恢复系数为下落后值变大。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
23、次碰撞冲量之比,故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 r 是与冲量有关的参数。是与冲量有关的参数。2023/4/919现在学习的是第19页,共59页第二章 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为为回回弹弹高度高度,m。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
24、:2023/4/920现在学习的是第20页,共59页第二章 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 冲冲击击力力时时间间特特性性参参数数定定义义为为冲冲击击力力峰峰值值与与到到达达冲冲击击力力峰峰值值所所经经过过的的时时间间之之比比。由由前前面面的的图图可可得得物物料料的的冲冲击击力力峰峰值值fp、达到最大力峰值所需时间达到最大力峰值所需时间tp。由此可算得冲击力时间特性参数。由此可算得冲击力时间特性参数c c:c 物物料料的的冲冲击击时时间间特特性性,N/s;fp 物料的最大冲击力,物料的最大冲击力,N;tp 到达最
25、大冲到达最大冲击击力的力的时间时间,s。2023/4/921现在学习的是第21页,共59页第二章 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双曲线模型双曲线模型: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,恢复系数也由图可知,桃子硬度高,恢复系数也高,两者关系类似于指数曲线或双曲线。高,两者关系类似于指数曲线或双曲线。2023/4/922现在学习的是第22页,共59页第二章 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)
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