农业物料的电磁特性.ppt

第八章第八章 农业物料的电磁特性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电电磁磁波波谱谱一、电磁波谱一、电磁波谱宇宙射线：宇宙射线：由短波高频电磁波所形成，光子所携带能量最多γ 射射 线：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 射射 线：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紫 外外 线：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可 见见 光：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红 外外 线：线：由分子和热体产生微微 波：波：由电子装置产生声声 波：波：由电子装置产生•电磁波电磁波：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：电场两电极间距很小且电压很大可产生极化作用•化学变化化学变化：可导致光子的吸收或释放形成辐射•高频辐射高频辐射： γ 射线、x射线、紫外线等均可形成激化辐射一、电磁波谱一、电磁波谱电电磁磁波波谱谱常用电磁波谱常用电磁波谱 名名 称称频率范围频率范围波长范围波长范围典型业务典型业务甚低频VLF[超长波] 3~30KHz 100~10km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]3~30GHz 10~1cmSDTV, 通信,雷达极高频EHF[微波] 30~300GHz10~1mm通信, 雷达光频 [光波m光纤通信 电磁波的波段划分及其应用电磁波的波段划分及其应用调幅广播调幅广播（AM）：：550KHz~1650KHz(中波); 2MHz~30MHz(短波)调频广播调频广播（FM）：：88MHz~108MHz电视频道电视频道（ TV）：：50MHz~100MHz; 170MHz~220MHz; 470MHz~870MHz无绳无绳(Cordless Phone)：： 50MHz; 900MHz; 2.4GHz 蜂窝蜂窝(Cellular Phone)：： 卫星卫星TV直播直播(SDTV)：：4GHz~6GHz; 12GHz~14GHz全球卫星定位系统全球卫星定位系统(GPS)：：光纤通信：光纤通信： m ，1.33m ，0.85m ISM波段：波段： 902~928MHz，，，，用于加热、干燥的电磁波用于加热、干燥的电磁波：ü1~300MHz（radio frequency，RF，声频）• 3~30MHz（高频，high frequency，HF；short wave，SW）• 30-300 MHz（甚高频，very high frequency，VHF）ü300MHz~300GHz（microwave，WM，微波）• 300-3000 MHz（特高频，ultra high frequency，UHF）• 3-30GHz（超高频，super high frequency，SHF ）• 30~300 GHz（极高频，extremely high frequency，EHF ）光光谱谱光色 波长(nm) 频率(Hz) 中心波长 (nm) 红 760~622 3.9×1014 ~ 4.8×1014 660 橙 622~597 4.8×1014 ~ 5.0×1014 610 黄 597~577 5.0×1014 ~ 5.4×1014 570 绿 577~492 5.4×1014 ~ 6.1×1014 540 青 492~470 6.1×1014 ~ 6.4×1014 480 兰 470~455 6.4×1014 ~ 6.6×1014 460 紫 455~400 6.6×1014 ~ 7.5×1014 430 人眼最为敏感的光是黄绿光，即人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。

附近• 可见光可见光 (visible light) —— 能够引起人的视觉的电磁波能够引起人的视觉的电磁波•互补色互补色：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l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l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l光的传递：反射、折射、衍射、透射等光与物质的相互作用光与物质的相互作用Ø红外波段红外波段 的划分的划分p 近红外：波长为～p 中红外：波长为～25μmp 远红外：波长为25～1000μmØ红外辐射窗口区红外辐射窗口区p大气吸收n紫外波段：为氧、臭氧的强吸收带，波长＜的紫外线几乎全部被大气吸收n可见光波段：氧的吸收带在和附近，臭氧的吸收带在附近，水汽在之间有几个吸收带，吸收作用均较弱n红外波段：二氧化碳在、、13~17μm为强吸收带，水汽在6μm及25μm以上波段有强吸收带，臭氧在为强吸收带p红外辐射窗口区：、3~5μm和8~13μm，允许红外辐射通过。

8~13μm还称为热波段Ø红外辐射窗口区红外辐射窗口区p中红外窗口中红外窗口(3.4-4.9μm)： 受CO2在处的强吸收带影响，又分为和两个小窗口，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%p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Ø红外光谱分析红外光谱分析p近红外：主要为含氢基团Ｘ－Ｈ（Ｘ＝Ｃ、Ｎ、Ｏ）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p中红外：该区又分为官能团区(或称特征频率区，4000~1330cm-1，2.5~7.5μm)和指纹区(1330～400cm-1 ，7.5~25μm)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p定性分析：确定物质的组成与结构p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p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二、光在农业物料中的传播•反射反射：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（regular reflectance）、体反射（ body reflectance ）•吸收吸收：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 •透光透光：•色散色散：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•发光发光：荧光、磷光、延迟发光•荧光、磷光荧光、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二、光在农业物料中的传播Ø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Ø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Ø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Ø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Ø可用于分选和质量检测分析，实现快速、无损检测Ø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、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、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、光的反射2、光的透射、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 > SK<

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、颜色和成熟度2、外部损伤、外部损伤3、成分分析、成分分析4、内部缺陷检测、内部缺陷检测5、自动分选和分级、自动分选和分级5、自动分选和分级、自动分选和分级5自自动动分分选选和和分分级级•红外线红外线ü热效应和穿透能力ü散发水分而获得均匀干燥ü杀虫灭菌ü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ü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（紫外光紫外辐射（紫外光 ））ü具有光激发光现象ü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ü剔除受霉菌（包括五米黄曲霉素）感染的谷物ü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 •微波微波 ü加热干燥ü杀灭食品和谷物的有害微生物ü恰当的剂量下，可激活细胞，处理种子时会增加发芽率 •X 射线射线 ü诱变育种ü杀菌保鲜，出口农产品需经γ射线杀菌处理其它应用其它应用•物料组成成分如何影响介电特性?作业作业。