农业物料的电磁特性.ppt

第八章农业物料的电磁特性 第一节电磁波谱第二节光在农业物料中的传播第三节物料光学特性的应用 电磁波谱 一 电磁波谱 宇宙射线 由短波高频电磁波所形成 光子所携带能量最多 射线 由辐射性物质产生 不易被物质所吸收 若被活体所吸收则会造成破坏作用x射线 原子内的电子束在几千伏电压下加速撞击金属目标产生紫外线 由原子 分子中的电子放电所形成 被微生物吸收时 电离作用导致的化学反应会破坏微生物体可见光 由原子或分子中组成物 主要是电子 的内部运动调整所形成红外线 由分子和热体产生微波 由电子装置产生声波 由电子装置产生 电磁波 由电子的往复或周期性运动产生的电场 磁场变化形成电磁辐射电子在特定频率范围内可被激化或振荡 热 电 化学变化 高频辐射均可导致电子激化或振荡热 黑体辐射 如灯丝达3000 时方能产生可见光区域的辐射能电 电场两电极间距很小且电压很大可产生极化作用化学变化 可导致光子的吸收或释放形成辐射高频辐射 射线 x射线 紫外线等均可形成激化辐射 一 电磁波谱 电磁波谱 常用电磁波谱 名称频率范围波长范围典型业务甚低频VLF 超长波 3 30KHz100 10km导航 声纳低频LF 长波 LW 30 300KHz10 1km导航 频标中频MF 中波 MW 300 3000KHz1km 100mAM 海上通信高频HF 短波 SW 3 30MHz100m 10mAM 通信甚高频VHF 超短波 30 300MHz10 1mTV FM MC特高频UHF 微波 300 3000MHz100 10cmTV MC GPS超高频SHF 微波 3 30GHz10 1cmSDTV 通信 雷达极高频EHF 微波 30 300GHz10 1mm通信 雷达光频 光波 1 50THz300 0 006 m光纤通信 电磁波的波段划分及其应用 调幅广播 AM 550KHz 1650KHz 中波 2MHz 30MHz 短波 调频广播 FM 88MHz 108MHz电视频道 TV 50MHz 100MHz 170MHz 220MHz 470MHz 870MHz无绳电话 CordlessPhone 50MHz 900MHz 2 4GHz蜂窝电话 CellularPhone 900MHz 1 8GHz 1 9GHz卫星TV直播 SDTV 4GHz 6GHz 12GHz 14GHz全球卫星定位系统 GPS L1 1575 42MHz L2 1227 60MHz L3 1176 45MHz光纤通信 1 55 m 1 33 m 0 85 mISM波段 902 928MHz 2 4 2 4835GHz 5 725 5 850GHz 用于加热 干燥的电磁波 1 300MHz radiofrequency RF 声频 3 30MHz 高频 highfrequency HF shortwave SW 30 300MHz 甚高频 veryhighfrequency VHF 300MHz 300GHz microwave WM 微波 300 3000MHz 特高频 ultrahighfrequency UHF 3 30GHz 超高频 superhighfrequency SHF 30 300GHz 极高频 extremelyhighfrequency EHF 光谱 人眼最为敏感的光是黄绿光 即555nm附近 可见光 visiblelight 能够引起人的视觉的电磁波 互补色 两种颜色的光按比例混合形成白光 这两种光称为互补色 物质对光具有选择性吸收作用而呈现出不同颜色 当物质对可见光区域内某种波长的光选择性吸收时 该物质呈现出被吸收波长光的互补色光的颜色 几何因素 物料尺寸大小与波长间关系 若波长 物料尺寸 则不能检测出光滑 粗糙表面间的差异 吸收作用 分子吸收能量与其辐射激化能级有关 长波适于激化蒸汽和气体 短波适于激化液体 固体 200 2 5nm能造成液体 固体分子的低频振荡 100 10nm对活体组织有电离作用 1nm激化造成化学键的断裂 激发化学反应形成荧光红外线携带能量不足以激发分子中的电子 相反吸收分子振动 旋转的能量旋转吸收带主要在远红外波谱范围 振动吸收带主要在近红外波谱范围 即粒子只吸收特定波长 频率的光 可用于食品 农业物料等的成分分析光的传递 反射 折射 衍射 透射等 光与物质的相互作用 红外波段的划分近红外 波长为0 8 2 5 m中红外 波长为2 5 25 m远红外 波长为25 1000 m红外辐射窗口区大气吸收紫外波段 为氧 臭氧的强吸收带 波长 0 29 m的紫外线几乎全部被大气吸收可见光波段 氧的吸收带在0 69 m和0 76 m附近 臭氧的吸收带在0 6 m附近 水汽在0 5 0 7 m之间有几个吸收带 吸收作用均较弱红外波段 二氧化碳在2 7 m 4 3 m 13 17 m为强吸收带 水汽在6 m及25 m以上波段有强吸收带 臭氧在8 3 10 6 m为强吸收带红外辐射窗口区 1 2 5 m 3 5 m和8 13 m 允许红外辐射通过 8 13 m还称为热波段 红外辐射窗口区中红外窗口 3 4 4 9 m 受CO2在4 3 m处的强吸收带影响 又分为3 4 4 2 m和4 6 4 9 m两个小窗口 前一个小窗口有较高的透射率 约为90 后一个小窗口的透射率较低 约为50 60 中红外光谱仪器 成熟 简单 应用广泛 基频振动是红外振动中吸收最强的振动 最适宜进行红外光谱的定性和定量分析红外光谱分析近红外 主要为含氢基团 振动的吸收光谱 可反映大多数类型有机化合物的组成和分子结构信息中红外 该区又分为官能团区 或称特征频率区 4000 1330cm 1 2 5 7 5 m 和指纹区 1330 400cm 1 7 5 25 m 指纹区的红外吸收光谱很复杂 各种单键的伸缩振动和多数基团的弯曲振动 如C C C N C O键等 但对分子结构的变化高度敏感 能反映分子结构的细微变化 每一种有机化合物在该区谱带的位置 强度和形状均不相同 如人的指纹一样 可用于认证有机化合物 此外 该区还有一些特征吸收峰 有助于鉴定官能团定性分析 确定物质的组成与结构定量分析 确定物质中某些组分的含量或是物质的品质属性的值是一种间接分析技术 需建立样品待测属性与红外光谱间的关联模型 定标模型 二 光在农业物料中的传播 反射 光从一种介质射向另一种介质的交界面时 一部分光返回原介质中 光的传播方向发生了改变 包括常规反射 regularreflectance 体反射 bodyreflectance 吸收 光通过物料时 引起价电子跃迁或使原子振动 一部分光能转变为热能 吸收率与物料成分 内部结构 厚度 入射光波长 移动距离有关透光 色散 不同波长的光在介质中的传播速度 折射率不同而按不同角度折射发光 荧光 磷光 延迟发光 荧光 磷光 物料受激发能态发生变化而放射出的光 其波长不同于激发波长延迟发光 物料受诱导而发射出的光 与荧光 磷光不同 二 光在农业物料中的传播 农业物料一般为各性异性材料 细胞结构构成的无数个细小界面使得光在物料内部传递过程中呈散射状农业物料是光的强散射介质 光在物料内部多次散射和重新分布是光和农业物料相互作用的主要特征反射光可提供物料的颜色 表面缺陷 病变 损伤等表面特征信息光的吸收 透射反映物料内部的结构组成 内部颜色 缺陷等信息可用于分选和质量检测分析 实现快速 无损检测研究农业物料的光学特性一般采用可见光 紫外线和红外线 1 光的反射 R 反射率 IR 反射光强度I0 入射光强度 Fresnel 菲涅耳 方程n1 介质折射系数n2 物料折射系数k 吸收指数K 吸收系数 该公式可反映不同表面的反射特性 1 光的反射 入射角 60 时 约96 的入射光进入物料内部 与波长 物料物理化学结构等有关不同物料光谱特性曲线间的差异主要在于物料组成成分吸收特性的差异 970nm 1190nm 1450nm为水的吸收带 均在红外范围 可利用红外法测定物料的含水率675nm为叶绿素的吸收带 通过测定叶绿素含量以确定物料的成熟度 柠檬在678nm处的反射特性曲线可用于测定不同颜色与成熟度间的关系 单一测定波长的缺陷 受物料尺寸 形状 光泽度 光源强度 光电池灵敏度 放大器增益等的影响 测定结果可能存在偏差采用两个波长的反射率差或两个波长的反射率比值来表示物料的光学特性 如 R R1 R2 R1 R2 R1 利用两个波长测定物料的相关特性 消除试验误差 测量误差或系统误差波长的选择 一个波长的反射率对所测定物料特性不敏感 另一个波长的反射率对物料的不同特性敏感 1 光的反射 2 光的透射 T 透光率 度 K 吸收系数IT 透射光强度S 散射系数I0 入射光强度t 进入物料内部深度 K S K S 散射系数高 低含水率 低吸收率散射系数低 高含水率 高吸收率 2 光的透射 光密度 opticaldensity 特点 透光率受物料尺寸影响透过物料的光强度非常低不适于高速 连续测定 不受物料尺寸的影响仅测定物料某一局部的特性 而非物料整体的特性受物料尺寸 光源或灯的能量输出变化 仪器灵敏度变化等 所测定的光密度值会在较大范围内波动 2 光的透射 采用两个波长的光密度比值或光密度差来表示物料的光学性质可消除前述影响 光密度差值可抵消由于各种变化产生的影响波长选择 一个波长对物料品质变化比较敏感 另一个波长则完全不敏感 而两个波长全部都对物料尺寸 光源 检测器的变化敏感 2 光的透射 x 物料厚度 该比值与物料厚度无关 2 光的透射 2光的透射 3 延迟发光特性 延迟发光 delayed lightemission 经光照激励后的发光现象 其波长与激励波长不同 发光强度与叶绿素含量相关 可用于物料成熟度的评定与分级 3 延迟发光特性 延迟发光强度峰值波长范围 650 750nm 其中700nm处延迟发光强度最大 测定装置应对红光有良好响应 影响因素 光照激励时间光照激励强度暗期时间照射面积样品温度物料厚度成熟度 延迟发光强度应在饱和状态下测定 三 农业物料光学特性的应用 主要用于物料的质量检测与分选分级颜色 成熟度外部损伤成分分析内部缺陷分选 1 颜色和成熟度 2 外部损伤 3 成分分析 4 内部缺陷检测 5 自动分选和分级 5 自动分选和分级 5自动分选和分级 红外线热效应和穿透能力散发水分而获得均匀干燥杀虫灭菌近红外的光谱分析法可准确快速地测定农产品的品质和主要成分远红外探测器可探测森林灾情 作物长势和预报病虫害等紫外辐射 紫外光 具有光激发光现象根据种子细胞和化学成不同 在紫外光照射下发不同色的光 检验外观相同的种子纯度剔除受霉菌 包括五米黄曲霉素 感染的谷物紫外辐射对动 植物有较强的生化反应 强度适当的照射能促使维生素D的转化 强度过大只用于对禽畜舍消毒和饮用水杀菌微波加热干燥杀灭食品和谷物的有害微生物恰当的剂量下 可激活细胞 处理种子时会增加发芽率X射线诱变育种杀菌保鲜 出口农产品需经 射线杀菌处理 其它应用 物料组成成分如何影响介电特性 作业