山区土地利用多功能时空分异特征及影响因素分析

射频加热作为一种新型的热加工技术,在果蔬烫漂工艺中应用潜力巨大。介电特性是影响果蔬射频加热的主要因素,其大小受到电磁场频率、温度以及水等因素的影响,依据介电特性变化可以对果蔬烫漂工艺进行优化改进。该文选用富士和秦冠2个苹果品种,采用末端开路同轴探头技术测定了不同温度(20、40、60、80、95 ℃),不同频率（12～3 000 MHz）下,苹果的介电特性的变化规律。采用6 kW、27.12 MHz的射频加热系统在不同极板间距（110、120、130 mm）下,对苹果块进行加热处理,通过荧光光纤测温探头监测样品的中心温度,得到3种不同极板间距下苹果块中心温度从25升至95 ℃的升温曲线和升温速率。用红外热像仪测定加热前后苹果块表面的温度分布,研究了苹果块射频加热均匀性。结果表明：苹果果肉的介电常数和损耗因子在12～3 000 MHz之间随着频率的增大先降低,后增大,再降低;温度对苹果果肉的介电常数和损耗因子的影响没有特定的规律;射频加热苹果块时,极板间距110 mm时升温最快,130 mm时升温最慢,各需要120和150 s。且苹果块中心温度随时间近似线性增长,射频加热过程中,苹果块表面温度分布表现出中心加热现象,即中心温度高,边缘温度低。     

苹果介电特性对其射频加热均匀性的影响

射频加热作为一种新型的热加工技术,在果蔬烫漂工艺中应用潜力巨大。介电特性是影响果蔬射频加热的主要因素,其大小受到电磁场频率、温度以及水等因素的影响,依据介电特性变化可以对果蔬烫漂工艺进行优化改进。该文选用富士和秦冠2个苹果品种,采用末端开路同轴探头技术测定了不同温度（25、40、60、80、95 ℃）,不同频率（12～3 000 MHz）下,苹果的介电特性的变化规律。采用6 kW、27.12 MHz的射频加热系统在不同极板间距（110、120、130 mm）下,对苹果块进行加热处理,通过荧光光纤测温探头监测样品的中心温度,得到3种不同极板间距下苹果块中心温度从25升至95 ℃的升温曲线和升温速率。用红外热像仪测定加热前后苹果块表面的温度分布,研究了苹果块射频加热均匀性。结果表明：苹果果肉的介电常数和损耗因子在12～3 000 MHz之间随着频率的增大先降低,后增大,再降低;温度对苹果果肉的介电常数和损耗因子的影响没有特定的规律;射频加热苹果块时,极板间距110 mm时升温最快,130 mm时升温最慢,各需要120和150 s。且苹果块中心温度随时间近似线性增长,射频加热过程中,苹果块表面温度分布表现出中心加热现象,即中心温度高,边缘温度低。     

蜜瓜和西瓜果汁的射频介电特性及其与糖度的关系

为了解果汁的介电特性与其主要内部品质──糖度之间的关系,该文利用末端开路的同轴探头和阻抗分析仪测量了10MHz～18GHI的频率范围内不同成熟度的3个品种密瓜汁和4个品种西瓜汁的介电特性,同时测量了反映果汁糖度的可溶性固形物含量和果肉的含水率,分析了介电特性和糖度间的关系.结果显示:密瓜和西瓜果汁的相对介电常数和介质损耗因数皆随频率的增大单调减小,品种间的差异对介电特性有影响;1.8GHz下密瓜汁的损耗角正切与糖度有较好的线性关系,其决定系数为0.784,但西瓜汁的介电特性与糖度的相关性较差;密瓜和西瓜果汁的糖度与果肉的含水率有很好的线性相关性,其决定系数分别为0.973和0.906.该研究将为基于介电特性的果汁糖度检测仪的开发提供了研究基础.     

基于介电特性的燕麦含水率预测

为了给基于介电特性的小杂粮含水率测量仪的开发提供基础数据,该文以燕麦为对象,利用同心圆柱形电容器研究了测试信号频率(103～106Hz)、燕麦含水率(12%～21%)、温度(5～40℃)和体积密度(671～787kg/m3)对相对介电常数ε′和介质损耗因数ε″的影响,分析了介电参数变化的原因;建立了部分频率下燕麦介电参数与主要影响因素的关系模型,验证了模型的精度;检验了基于介电参数预测含水率的精度和可行性。结果表明,在103～106Hz频段内,燕麦的ε′和ε″均随测试信号频率的增大而减小,但随含水率、温度和体积密度的增大而增大;可用三元或二元三次方程描述介电参数和主要影响因素的关系,且各模型的决定系数皆大于0.96;同烘干法获得的含水率相比,基于介电参数预测燕麦含水率的误差范围在±1.2%,说明基于介电特性预测含水率是可行的。本研究对了解燕麦的介电特性以及燕麦含水率检测仪的开发有重要的指导意义。     

蜜瓜和西瓜果汁的射频介电特性及其与糖度的关系(简报)

为了解果汁的介电特性与其主要内部品质——糖度之间的关系,该文利用末端开路的同轴探头和阻抗分析仪测量了10 MHz～1.8 GHz的频率范围内不同成熟度的3个品种密瓜汁和4个品种西瓜汁的介电特性,同时测量了反映果汁糖度的可溶性固形物含量和果肉的含水率,分析了介电特性和糖度间的关系。结果显示：密瓜和西瓜果汁的相对介电常数和介质损耗因数皆随频率的增大单调减小,品种间的差异对介电特性有影响;1.8 GHz下密瓜汁的损耗角正切与糖度有较好的线性关系,其决定系数为0.784,但西瓜汁的介电特性与糖度的相关性较差;密瓜和西瓜果汁的糖度与果肉的含水率有很好的线性相关性,其决定系数分别为0.973和0.906。该研究将为基于介电特性的果汁糖度检测仪的开发提供了研究基础。     

麦麸结构层粉体的电特性研究

为了确定麦麸结构层粉体静电场分离的可行性,该文以高纯度麦麸糊粉层和外果皮粉体为原料,研究其介电性、导电性和电晕带电特性的差异。结果表明,麦麸粉体的介电常数随频率的增加而降低,最终趋于一致;当频率较低时,外果皮的相对介电常数明显低于糊粉层;当频率为300 MHz时,两者的介电常数之比最大达5.3;麦麸粉体的导电性差,糊粉层粉体的电阻率为2300MΩ/cm,为外果皮电阻率的5倍;经正电晕带电后,糊粉层粉体所获电荷量约为外果皮的1.7倍,具有明显差异;单位质量麦麸粉体所获电荷量随电晕电压的增加而增加,而随麦麸粉体的含水率和粒径的增大而减小。总之,麦麸结构层粉体的介电性、导电性和电晕带电性均存在明显差异,可以利用介电泳和电晕带电后的静电场分离技术对麦麸结构层进行分离纯化。     

基于介电特性与蛋黄指数回归模型的鸡蛋新鲜度无损检测

为了更准确、快速的实现鸡蛋新鲜度品质指标蛋黄指数的无损检测,基于介电特性建立了鸡蛋新鲜度无损检测模型,获取鸡蛋的蛋黄指数信息。试验以不同新鲜度鸡蛋为研究对象,采用平行极板法测量不同新鲜度鸡蛋在温度为20℃,相对湿度为72%~89%,频率为1~200 k Hz下的介电特性参数,分析鸡蛋介电特性的变化规律,并建立鸡蛋介电特性与蛋黄指数之间的数学模型。分析了鸡蛋介电特性随测量信号频率及新鲜度指标蛋黄指数的变化曲线,发现其介电参数随频率及蛋黄指数的增大而减小。构建了蛋黄指数与相对介电常数的拟合方程,鸡蛋样品的实际蛋黄指数与模型预测的蛋黄指数间的决定系数R2为0.9115,蛋黄指数的误差为±4.2%,试验结果表明:利用拟合方程预测检验鸡蛋蛋黄指数取得了较好的预测效果,为无损检测鸡蛋新鲜度提供了一种新的可行方法。     

基于双线性理论的黏质土介电谱与含水量频域测量研究

黏粒含量较多的黏质土(黏土类、黏壤土类)介电极化复杂,含水量测量混合介电模型研究较少。通过双线性介电测量理论对黏质土4种不同质地土壤分别配置0、5%、10%、15%、20%、25%、30%体积含水量,在0.001～3 GHz频段进行介电谱测量。分析发现,介电值(复介电常数实部、视在介电常数)在300.4～2 952 MHz内较为稳定;不同体积含水量下对应的介电值显著不同;1 050～1 503 MHz为黏质土含水量频域测量理想频段,1 503 MHz为最佳频率点。在最佳频率点上,构建了2个黏质土含水量频域测量经验模型。对黏质土土样和验证样本进行分析,复介电实部模型计算值与含水量实测值对比,其R~2均大于0.960 0,RMSE均小于0.019 0,RPD均大于5.000。对黏质土土样分析,视在介电模型计算值与含水量实测值对比,两者R~2=0.9669,RMSE=0.0176,RPD=5.515,与Topp模型、Roth模型和Malicki模型相比,视在介电模型计算值与含水量实测值相关性更优。验证样本视在介电模型计算值与含水量实测值对比,两者R~2=0.953 7,RMSE=0.020 8,RPD=4.602。研究表明,双线性理论对黏质土含水量介电法测量有较好适应性,本文构建的2个经验模型对黏质土特性土壤含水量有较高测量精度。     

利用时域反射仪测定饱和砂土中非水相液体

利用时域反射技术,以饱和砂土和菜籽油、机油为研究对象,室内模拟研究了非水相液体(NAPLs,nonaqueous phase liquids)污染土壤的介电常数和电导率的变化规律,确定了饱和砂土中NAPLs含量的预测模型。研究表明:1饱和砂土中体积含油量在0~0.05 cm~3/cm~3时,土壤介电常数并无显著变化;随着NAPLs体积含量的进一步增加,介电常数呈线性减小趋势;土壤体积质量和NAPLs类型对相同饱和度的土壤介电常数未产生影响。2饱和土壤的电导率与NAPLs含量存在良好的线性负相关关系(R2=0.96);土壤体积质量对相同饱和度的土壤电导率未产生影响。3混合介电模型(a=0.5)高估了饱和砂土中NAPLs含量,平均RMSE为0.038 cm~3/cm~3;参数a调整为0.52后,混合介电模型提高了预测精度,比原混合介电模型(a=0.5)预测精度可以提高23.2%。本研究结果表明可利用时域反射技术监测污染土壤的介电常数与电导率并测定饱和土壤中NAPLs的含量。     

小粒径颗粒状农产品介电特性的GEM公式参数确定

介电特性是研究农产品微波辅助应用的重要参数。为了拓展有效介质公式(GeneralEffectiveMedium,GEM)在农业工程领域的应用,探究农产品介电特性计算新方法,该研究针对颗粒状农产品,采用离散元法、有限元法和平均能量法建立了堆积型农业颗粒物料等效介电特性分析的数值模型,在模拟仿真数据和试验测量数据对比分析的基础上,提出适用于微波波段下颗粒状农产品介电特性计算的GEM公式较佳无量纲参数(A=5、β=0.5;称为ModifiedGeneral Effective Medium of Agriculture,MGEMA),并采用多种农产品颗粒的试验数据验证了MGEMA的可行性、有效性和准确性。结果表明,真实谷粒和模拟谷粒的堆积角误差为0.45%,在农产品颗粒的相对介电常数(2.0～10.0)、相对介电损耗因子(0.1～0.9)、微波频率(2.0～12.2 GHz)、湿基含水率(2.0%～19.7%)和体积分数(18.2%～88.0%)计算条件下,MGEMA公式针对介电常数和介电损耗因子计算结果的最大偏差分别为0.40%和1.20%。研究可为三维情形下颗粒落料堆积型混合物的等效介电特性模拟分析提供一种参考方法,为室温下(24℃)小粒径农产品颗粒的介电特性研究提供一个理论公式。     

基于近景摄影测量的径流冲刷条件下冻融坡面侵蚀产沙过程

为研究冻融坡面径流冲刷条件下侵蚀产沙过程,采用2个坡度(10°,15°)、3个流量(3,6,9 L/min)、2个起始解冻深度(6,12 cm)组合进行野外冲刷试验,结合近景摄影测量技术分析不同解冻深度、不同坡度和不同流量条件下的产沙量,运用线性回归方程对近景摄影测量值和实测值进行拟合。结果表明:起始解冻深度和坡度相同条件下,冻融坡面的土壤侵蚀产沙量随着径流量和坡度的增大而增大;随着时间推移,产沙量越来越小。在流量和坡度相同时,随着初始解冻深度的增大,坡面产沙量也逐渐增大;在流量和解冻深度相同时,随着坡度的增大,坡面产沙量也逐渐增大。当流量、解冻深度和坡度最大时,坡面侵蚀产沙量达到最大。坡面产沙量实测值与近景摄影测量对比分析得到误差平均精度为90.67%,近景摄影测量技术可以在冻融条件下土壤侵蚀监测中应用。     

利用GPR多频天线振幅包络平均值法估算滴灌棉田土壤盐分含量

土壤盐渍化问题严重制约着农业经济发展,快速准确地掌握农田土壤的盐渍化信息是盐渍化防治的前提。为准确快速地了解滴灌棉田土壤盐分含量情况,该研究采用探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)多频天线(250 MHz和1 000 MHz)对典型滴灌棉田土壤进行探测,通过GPR振幅包络平均值法(Average Envelope Amplitude,AEA)获取土壤视在介电常数,以Dobson盐渍土介电模型(Dobson dielectric model of saline soil,Dobson)为理论工具,估算滴灌棉田土壤的盐分含量。同时,将视在介电常数、土壤容重、含水率和土壤黏粒含量5个参数设置为模型输入变量,采用多元线性回归方法(Multiple Linear Regression,MLR),建立膜下滴灌棉田土壤盐分反演模型,并使用BP神经网络(Back Propagation neural network,BP)进行模拟预测。最终,以实测盐分为基准,评价MLR模型、BP模型和Dobson模型反演盐分含量的效果。结果表明:1)探地雷达250 MHz和1 000 MHz频率天线AEA法探测的有效深度均为0～30 cm。2)1 000MHz频率天线AEA法获取的介电常数与实测含水量有较好的多项式关系,且实测含水量和反演含水量拟合效果和精度较好,决定系数R~2为0.96,均方根误差RMSE为1.61%,平均误差率MER为7.25%。3)3种盐分反演模型中,Dobson盐渍土介电模型反演精度明显高于其他2种方法,R~2达到0.91,RMSE为0.313 g/kg。因此,利用GPR多频天线AEA法估算滴灌棉田土壤盐分含量是可行且可靠的。该法为反演土壤盐分含量提供新途径,丰富了盐分含量探测的方法及手段。     

马铃薯糊化过程中介电特性和热特性的分析(简报)

该文采用介电特性测定仪(DES100)和示差扫描量热仪(DSC120)对马铃薯片(含水率80.7%,淀粉含量16.5%)介电特性和热特性进行了比较研究,以确定马铃薯淀粉糊化过程中各特征参数值之间的关系。由介电特性曲线得出:在1～100kHz频率范围内的,65～80℃温度范围内,介电常数e′随温度的升高出现跃变型变化,67℃时变化速率最大,之后逐渐下降;由热吸收曲线得出热焓值的变化与e′变化规律相同,其糊化的3个特征温度(糊化起始、峰值、结束)分别是65、67和80℃,从两曲线得到的各特征值基本一致,说明利用马铃薯的介电特性和热特性的综合分析可以更准确地掌握其糊化过程,为进一步利用和控制马铃薯的糊化作用提供参考。     

解冻期坡面降雨入渗特征及模拟试验研究

通过室内人工模拟降雨试验和水量平衡方法,研究解冻期坡面降雨入渗规律。试验处理包括4个初始解冻深度(0,2,4,6cm)和3个降雨强度(0.6,0.9,1.2mm/min)。结果表明:(1)在坡面的降雨入渗过程中,随降雨历时的延长,入渗率呈由高到低的变化,波动性明显;(2)坡面初始入渗率受降雨强度的影响较大,0.9,1.2mm/min雨强下的初始入渗率显著大于0.6mm/min下的初始入渗率(p0.05);不同初始解冻深度下的稳定入渗率相差较小,平均入渗率的变化趋势与稳定入渗率的变化趋势相似,均随初始解冻深度的增加呈现先减小后增大,临界解冻深度为4cm;初始解冻深度为6cm时的累计入渗量显著大于解冻深度为0,2,4cm的累计入渗量(p0.05);累计入渗量在0.6mm/min雨强下随初始解冻深度的增加而增加,而在0.9,1.2mm/min雨强下呈先减小后增大的变化趋势,临界解冻深度分别为2,4cm;(3)采用Kostiakov模型、Horton模型、蒋定生模型和Philip模型对试验结果进行模拟后发现,Horton模型最能反映解冻期坡面土壤降雨入渗的特征。研究结果可为揭示解冻期产流机制变化以及土壤侵蚀规律提供参考。     

径流冲刷条件下冻融坡面产沙时空分布

为确定冲刷条件下冻融坡面侵蚀产沙时空分布特征,利用稀土元素(REE)示踪技术,采用2个坡度(10°,15°),4个初始解冻深度(2,5,10,15cm),4个流量(4.5,6.5,8.5,10.5L/min)进行径流小区冲刷试验,分析冻融坡面侵蚀产沙时空变化规律。结果表明:相同初始解冻深度条件下土壤侵蚀产沙量随着坡度和流量的增大而增大,坡面第1坡段发生侵蚀最大,占总产沙量的68.24%,第3坡段产沙量一直趋于平稳状态;坡度相同时,侵蚀产沙量随着起始解冻深度和流量的增大而增大;冻融坡面侵蚀产沙量沿坡面方向和沿土壤深度方向逐渐降低;La元素示踪区产沙量随时间变化呈先增大后减小的趋势,其他各稀土元素示踪区产沙量随侵蚀时间变化的趋势与La元素示踪区产沙量的变化趋势基本一致。     

基于阻抗特性和神经网络的鸡胸肉冻融次数鉴别方法

为了探究利用肉的介电特性检测冷冻肉品质的可能性,研究了新鲜鸡胸肉和不同冻融次数的鸡胸肉的品质以及阻抗的幅值和相位角变化状况。在0.05~200 kHz频率范围内,选择了16个不同的频率点进行阻抗特性分析。试验结果表明:鸡胸肉阻抗的幅值会随着频率上升而下降,相位角则相反。冷鲜肉与冷冻肉高频段相位角相差一个数量级,低频段阻抗的幅值差异也极显著(P0.01)。多次冻融处理后,解冻损失、丙二醛含量上升显著(P0.05),pH值变化不明显(P0.05)。反复冻融后低频段阻抗幅值降低(P0.05),大于50 kHz时,相位角有增大的趋势(P0.05),这与正常1次冻结-解冻肉的相位角变化趋势相反。利用径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络提取阻抗和幅值信息建立判别模型可以对不同冻融次数的肉进行较为准确的分类。研究结果表明,阻抗测量作为一种冷冻肉快速无损检测方法具有很大的发展潜力。     

未完全解冻层对黑土坡面降雨侵蚀的影响

春季解冻期土壤侵蚀受未完全解冻层影响较大,以东北黑土为研究对象,通过室内降雨模拟试验,分析未完全解冻层对土壤侵蚀总量及侵蚀速率的影响.结果表明:在所选水平内,低含水率黑土侵蚀总量随着初始解冻深度增加而减少;高含水率黑土在h=10mm水平上侵蚀总量最大;侵蚀速率均呈现先增大后减小的变化趋势,在20min降雨时间内,总会出现一个侵蚀速率峰值,不同初始解冻深度峰值出现时间并不完全相同;当h=5mm和h=10 mm时,未完全解冻层阻水作用都比较明显,侵蚀量差异主要在试验初始阶段,也就是说,土壤含水率只是在试验最初阶段起着一定作用,随着入渗量增多,土壤逐渐达到饱和,二水平之间侵蚀量差异较小,相反这一阶段未完全解冻层隔离作用被充分体现.     

盐渍土土壤溶液1.43GHz复介电常数计算模型的构建与检验

土壤中的可溶性盐离子是限制作物生长的因素之一,土壤复介电常数是测定土壤可溶性盐的一个重要指标。本文利用谐振腔技术,测量了4种电解质水溶液的介电常数,给出了25℃时Na~+、Cl~-、SO_4~(2-)、CO_3~(2-)和HCO_3~-5种离子的复影响因子。利用各离子的复影响因子,可以将计算溶液介电常数实部的Collie介电模型直接用于计算土壤溶液的复介电常数。为了检验模型的准确性,本文还模拟配制了氯化物型、硫酸盐型和苏打型共41种多离子的土壤溶液,并用单一的电解质NaCl、Na_2SO_4和NaHCO_3水溶液的影响因子来分别替代复杂的氯化物型、硫酸盐型和苏打型盐渍土土壤溶液的复合影响因子。将改进后的Collie介电模型计算介电常数值与模拟配制的41种土壤溶液的测量结果进行相关性分析t检验,其P均为0. 85以上(大于0. 05),无显著性差异,两组数据获得了很好的一致性。因此,本研究结果对于建立微波遥感监测盐渍土壤和盐湖水体的盐度的介电模型奠定了坚实的物理基础和实用基础。     

基于介电频谱的灵武长枣可溶性固形物含量的预测模型

为了探寻利用介电频谱预测灵武长枣可溶性固形物含量的可行性,并建立最优模型,该文采用网络分析仪在200 MHz~18 GHz的频率范围内,选取101个频率点,测定分析了300个灵武长枣的介电损耗因子ε″和介电常数ε'频谱,利用长枣的介电损耗因子ε″和介电常数ε'进行了可溶性固形物含量的预测模型研究。通过遗传算法(genetic algorithm,GA)和相关系数法(correlation coefficient,CC)提取了介电频谱的有效信息,并分别采用偏最小二乘(partial least squares,PLS)、主成分回归(principal component regression,PCR)和支持向量机(support vector machines,SVM)法比较建立了可溶性固形物含量的预测模型。研究结果表明:用GA与CC方法提取频谱有效信息的建模效果要优于原始频谱的建模效果;PCR法的建模效果要优于PLS与SVM法的建模效果。以介电损耗因子ε″、介电常数ε'频谱建立的可溶性固形物含量的最优预测模型分别为GA-PCR和CC-PCR。以介电损耗因子ε″建立的GA-PCR模型优于介电常数ε'的CC-PCR模型,其校正集和预测集的相关系数分别为0.933和0.925,均方根误差分别为0.661%和0.702%。结果表明,利用介电频谱预测灵武长枣的可溶性固形物含量是可行的。     

低湿玉米籽粒的射频加热模拟与试验

为了准确预测射频加热过程低湿(含水率13.0%～20.0%)玉米籽粒的温度分布变化,该研究结合玉米籽粒的多组分结构特征、热物理特性及介电特性的异质性,建立了玉米籽粒的三维二组分物理几何模型和射频加热数学模型,并利用验证后的模型研究不同姿态和含水率玉米籽粒的射频选择性加热。结果表明:射频加热过程中平放玉米籽粒温度的模拟值与试验值最大相对误差仅为3.47%,玉米籽粒中胚的温度高于胚乳,该模型能很好地预测籽粒内部的选择性加热现象。射频加热过程直立玉米籽粒的几何效应最强,显著提高了胚的电场强度和功率密度,导致其优先加热程度最大,其次是斜放和侧立玉米籽粒的,平放玉米籽粒中胚的优先加热程度最小。射频加热过程含水率为13.0%的玉米籽粒中胚与胚乳的温差逐渐增大,而含水率为16.5%和20.0%的玉米籽粒中胚与胚乳的温差先增大后减小;当玉米籽粒被加热至55℃时,含水率为16.5%的玉米籽粒中胚的优先加热程度最大,其次是含水率为13.0%玉米籽粒的,含水率为20.0%的玉米籽粒中胚的优先加热程度最小。研究结果揭示了玉米籽粒的姿态和含水率对其射频选择性加热的影响规律,可为射频加热技术应用于低湿玉米籽粒的热处理过程提供有益借鉴。