技术领域：
[0001] 本
发明涉及仪器测量领域，具体为一种新型便携式苹果内部品质无损检测仪。背景技术：
[0002] 农产品的无损检测是结合化学知识、电学原理、计算机技术等应用于农产品无损检测中，具有非破坏性、高效性、高
精度性。
[0003] 对苹果进行提前
鉴别和分级，及时发现苹果的内部损伤，剔除有
缺陷的苹果，有利于提高苹果的产值。国外在果蔬的无损检测方面起步较早、技术研究广泛、理论较为丰富、应用程度高、发展快，虽然比起发达国家，我国在此领域也取得了很多阶段性成果，但由于开展研究的时间短，仍存在许多短板，由于精度和速度限制，以及实用性不足等因素，市面上缺少苹果介电检测专用设备。因为苹果属于
电解质本身是由带电粒子组成的，在空气中形成
生物电场。苹果在生长或者腐烂变质过程中介电特征会发生变化，果实的
水分变化也可以通过电特性明显反映，利用介电特征对苹果内部品质进行判别在理论上是有大量依据的。只有选择合适的测量方法才能快速、准确的测量苹果内部品质并且采集到大量数据达到对苹果品质进行判别和分级的目的。
[0004] 本检测仪是通过电
信号，能更好地贯穿整个苹果对其内部品质进行检测，具有适应性强，灵敏度高，无污染，操作方便，相关设备简单，使用成本低廉和自动化程度高等优点，对苹果的内部品质无损检测具有更好的效果。发明内容：
[0005] (一)解决的技术问题
[0006] 针对现有
光谱、CT检测技术设备
机体大，检测信息量大，检测速度慢，精度不高，价格昂贵等不足，本检测仪是通过
电信号，能更好地贯穿整个苹果对其内部品质进行检测，具有适应性强，灵敏度高，无污染，操作方便，相关设备简单便携，使用成本低廉和自动化程度高等优点，对苹果的内部品质无损检测具有更好的效果。
[0007] (二)技术方案
[0008] 为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：该新型便携式苹果内部品质无损检测仪整体结构由
微处理器模
块、多频信号发生器模块、程控增益放大模块、等效测量模块、
数据采集模块、
数据处理模块、数据传输模块和
人机交互模块等组成。选取更为强大的STM32
单片机作为微控制处理系统，AD9851芯片为多频信号发生器，产生9个特定
频率点下的
正弦波信号作为整个
电路的激励源，程控增益放大模块对初始信号进行压控放大处理，满足电路设计需求，基于矢量
伏安法的等效测量模块对苹果介电参数进行测量，利用高精度
电压有效值检测电路和
相位检测电路将相关数据采集到，并交由
模数转换模块把采集到的电压和
相位差的模拟量转化为
数字量，以便由单片机完成相关运算，最后将计算得到的介电参数在LCD12864上显示，并通过串口有线和WIFI无线两
大数据传输模块传送至计算机以完成数据显示、分析与存储等功能，至此完成对苹果介电参数的测量，为苹果品质分级提供相关数据，并最终达到苹果品质检测和分级的目的。
[0009] (三)有益成果
[0010] (1)本发明完成对检测仪的便携式设计、试验与定型，携带方便，操作简单，灵敏度高，检测精确。
[0011] (2)本发明实现精确产生9个频率点下(分别为158Hz、251Hz、398Hz、15800Hz、25100Hz、39800Hz、1580000Hz、2510000Hz、3980000Hz)的正弦波信号，并对信号进行放大处理。
[0012] (3)本发明实现对每个频率点下12项
介电常数：复阻抗Z、导纳Y、
串联电容Cs、并联电容CP、串联
电阻Rs、并联电阻RP、电导G、串联电感Ls、并联电感Lp、复阻抗相
角δ、损耗系数D和品质因子Q，共计108项介电参数的准确测量。
附图说明：
[0013] 图1为苹果品质与宏观电特性的关系图。
[0014] 图2为介电损耗等效模型及串联模式测量原理图。
[0015] 图3为检测仪总体架构图。
[0016] 图4为多频信号发生器电路图。
[0017] 图5为压控增益放大电路图。
[0019] 图7为电压有效值检测电路图。
[0020] 图8为相位检测电路图。
[0021] 图9为模数转换电路图。
[0022] 图10为WIFI传输模块原理图。具体实施方式：
[0023] 如图1所示，苹果属于
电介质，电介质中
电子受
原子核强烈束缚，不能自由移动，电介质的特征是以正、负电荷
重心不重合的
电极化方式传递、存贮或记录电的作用和影响，其中起主要作用的是束缚电荷。苹果由
果皮、果肉、果核组成,果肉占苹果的绝大部分。苹果果实的主要化学成分是可溶性糖、
有机酸、
淀粉、
纤维素、果胶、维生素和酶,并且在成熟时果肉中含有大量水分。苹果的组织和细胞采后仍保持旺盛的代谢过程,如呼吸作用、有机物转化等。果实的生命活动中提供
能量及多种中间代谢产物,参与体内物质的相互转化过程，并参与调节控制体内酶的作用和抵抗病原
微生物的侵害；另一方面,又不断地在体内
氧化分解有机物，使果实衰老变质。在果实的生命活动中，其内部水分量及其水分的空间分布变化很大，尤其在受到损伤或处于病态时。实际上，果实中的水分可以分为自由水(即游离水)和束缚水(胶体
结合水)，其中前者占较大比例，易于
蒸发，储藏过程中损失的主要是自由水。束缚水一般与果实细胞中的胶体微粒结合，并包围在胶体微粒四周，形成水膜，不易蒸发损失。果实的水分变化可以通过电特性明显反映。
[0024] 从微观上看，苹果分子内部存在电场，且在分子线度范围内改变
位置，场强的变化非常剧烈，这种微观特性实质上决定着苹果的生理、物理和化学特征，但这种微观场用现有电生理技术无法测量。因此，从可观测角度考虑，只能研究一定体积内微观场的空间平均值，即转而研究苹果的宏观介电特性。宏观介电特性是指生物分子中的束缚电荷(只能在分子线度范围内运动的电荷)对外加电场的响应特性，它的主要参数有相对介电常数ε′r、相对介质损耗因数ε″r、介质损耗角正切tanδ和介质等效阻抗Z。介电常数ε(或ε′r)是电介质固有的一种物理属性，可表示电介质存储电场能量的能
力，反映该电介质提高电容器电容量的能力；损耗因数ε″r反映电介质在交流电场中损耗的能量；介质损耗角正切tanδ也是反映能量的损耗。介质损耗角δ是交流电的总电流I(或总电压V)与电容电流Ic(或电容电压Vc)的夹角。
[0025] 如图2所示,根据(a)、(b)串联和并联等效模型，构建如(c)所示的实际电路中串联模式测量原理图。CS为两个
铜制电极板构成的苹果为介质的电容器，RS为串联电阻，由电压有效值检测电路测得的总电压V1和苹果作为介质的电容器两端的电压V2，RS阻值为已知量，流过串联电路中电流I＝(V1-V2)/Rs，δ可由相位检测电路和串并联模型矢量图得到。
[0026] 因此损耗系数D，复阻抗相角δ和品质因子Q的计算，如式(1)-(4)所示：
[0027] D＝tanδ＝VR/Vc＝ωCsRs (1)
[0028] D＝tanδ＝IR/Ic＝1/(ωCPRP) (2)
[0029] δ＝arctanD (3)
[0030] Q＝1/D (4)
[0031] 式中，ω—角频率(ω＝2πf，f为测量信号频率)，单位：Hz(赫兹)；Cs—串联电容；CP—并联电容，单位：F(法)；Rs—串联电阻；RP—并联电阻，单位：Ω(欧姆)。
[0032] 在给定的测量频率f下,将被检测苹果置于平行电极之间作为电容器的内部介质,则根据施加于该电容器上的交变电压和流过电容器的电流,可以得到复阻抗Z和复导纳Y,如式(5),式(6)所示：
[0033] 复阻抗Z：
[0034]
[0035] 复导纳Y：
[0036]
[0037] 其中：i2＝-1 (7)
[0038] 由于串联等效复阻抗和并联等效复阻抗的模相等，所以Cs，Rs与CP，RP可以根据式(1)和式(2)相互转换，如式(8)-(10)所示。
[0039] ωCsRs＝1/(ωCPRP) (8)
[0040] Cs＝Cp/(1+tan2δ) (9)
[0041] Rs＝Rp/(1+1/tan2δ) (10)
[0042] 串联电感Ls,并联电感Lp和电导G如式(11)-(13)所示：
[0043] Ls＝Rs/ω (11)
[0044] Lp＝Rp/ω (12)
[0045] G＝1/R (13)
[0046] 苹果的复介电常数表示为式(14)-(16)：
[0047] ε＝ε′r+iε″r (14)
[0048] ε′r＝CP/C0 (15)
[0049] ε″r＝1/(ωRPC0)＝ε′rtanδ (16)
[0050] 其中，C0为被测电介质的几何电容，即形状、体积和尺寸与被测苹果相同时，电介质为
真空的电容。
[0051] 损耗系数和品质因子表示为：
[0052] D＝tanδ (17)
[0053] Q＝1/ D＝1/tanδ (18)
[0054] 如图3所示，本检测仪整体结构由微处理器模块、多频信号发生器模块、程控增益放大模块、等效测量模块、数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和人机交互模块等组成。各个模块协同工作，最终数据由STM32单片机统一处理。
[0055] 如图4所示，多频信号发生器模块主要由AD9851芯片和外围滤波电路构成。AD9851芯片的最高时钟为180MHz、采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS系统、高性能
数模转换器(DAC)和高速比较器3部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成。在180MHz的时钟下，输出最高频率比AD9850更高，32位频率控制字可使AD9851输出频率
分辨率达0.0372Hz，理论输出带宽达到频率的一半，在实际电路中可以40％计算，满足电路频率需求。在DDS信号发生器实现的过程中，由于DDS自身的结构特点，实际存在着固有的误差：相位截断误差、幅度量化误差、DAC转换误差等导致其
输出信号中必然含有大量的噪声和干扰。因此设计了符合电路特征的7阶椭圆低通
滤波器，优化输出信号。
[0056] 如图5所示，程控增益放大电路由D/A转换器TLC5615芯片和可控增益放大器VCA810
芯片组成。由于AD9851输出的正弦信号只有固定幅值，无法满足幅值可调，因此利用可编程电压增益放大器实现幅值控制。但这种方法只能实现倍数调节，而无法实现高精度连续调节。本检测仪正弦幅值控制要求必须连续可调，要高精度，因此采用D/A转换器TLC5615控制VCA810的
输入信号，实现幅值连续调制。
[0057] TLC5615是串行10位D/A转换器，与STM32单片机
接口相连接控制电压输出，最大
输出电压是基准电压值的2倍，具有上电复位功能，只需3条
串行总线就可完成10位数据的串行输入。TLC5615的输出函数VC＝2×VREFIN×D/210，其中VREFIN为参考电压，VREFIN设定为2.5V；D为频率控制字，根据需要
软件可编程设置。微处理器控制TLC5615，实现10位幅值调节，精度达O.005V。
[0058] VCA810是直流耦合，宽带，连续可变的电压控制增益放大器，增益范围在-40dB至+40dB，放大倍数G＝10-2(VC+1)，最高输出电压3V。电路中还增加了双运放LM358作为一级射频电压跟随输入和电压反向设计，射频电压跟随可以更好的隔离外部DA值电压，避免电压被前级的方向器拉低，而达不到VCA810的放大效果，同时VCA810是负电压控制的芯片，因此
反相器方便输入
正压进行控制。
[0059] 如图6所示，由于VCA810的最大输出电压为3V,不满足电路对输出电压5V的需求，因此需要对信号进行二次放大处理。基于THS3001芯片设计电流型
负反馈运算放大器，宽带，具有较高的转换速率，其输出信号幅度可达±12V，满足电路对高频信号放大的要求。
[0060] 如图7所示，采用AD637设计出高精度、均方根(电压有效值)直流转换器，由于由信号发生器产生的信号是正弦波，为方便把模拟量转化为数字量进行计算，因此需要把电路中测得的电压信号通过此模块转换成有效值直流信号，能有效测得有效值在0.7-7V、频率高达8MHz的输入信号。
[0061] 如图8所示，基于AD8302设计了相位差检测模块，能精确测量两个信号之间的相位差，是利用对数放大器具有对数压缩功能的原理，通过精密匹配的两个宽带对数
检波器来实现对两输入通道的相位差测量，AD8302测量相位差的范围是0°～180°，所对应的输出电压范围为0～1.8V，输出电压灵敏度为10mV/(°)，测量误差小于0.5°。当相位差为0°时，输出电压为1.8V；当相位差为180°时，输出电压为30mV，输出电流为8mA。相位输出时的转换速率为30MHz,响应时间为40ns～500ns。这样即可把相位差测量问题转换为电压的测量。
[0062] 如图9所示，模数转换电路主要完成的功能是将采集到的电压有效值信号和
相位差信号从模拟量转化为数字量，便于介电特性参数的计算。该模块是基于ADC0809芯片完成模数转换的。ADC0809是一种8通道，8位逐次逼近式A/D
模数转换器，其内部有一个8通道多路
开关，它可以根据
地址码锁存8通道中的一个通道进行A/D转换。具有转换速度快、精度高、重复性好、低功耗和
工作温度范围广等优点。该芯片的供电电压为5V，分辨率为8位，所以最小分辨率约为0.0195V。
[0063] 在图10中，数据的传输是人机交互的重要环节，目的是将测量所得数据传给PC端。采用USB转TTL有线和WIFI无线两种方式进行传输。USB转TTL有线通信选用的是CH340模块，波特率为9600，按位(bit)发送和接收字节，具有速度快，高
稳定性，便于操作等优点。选用ESP8266作为WIFI模块，WIFI具有比蓝牙更快的传输速度，更广的传输范围，ESP8266支持“STA(客户端模式)”、“AP(接入点模式)”、“STA+AP(两种模式共存)”3种工作模式，通过AT指令实现该检测仪与PC端通信。
