全 文 ：农产品加工 2016年第 12期
文章编号：1671- 9646（2016） 12a- 0034- 05
第 12期（总第 421期） 农产品加工 No.12
2016年 12月 Farm Products Processing Dec.
摘要：为了研究带壳咖啡豆介电特性与含水率之间的关系，利用 LCR 测试仪研究频率信号（1~1 000 kHz）、温度
（20~45 ℃） 和含水率（11.18%~43.69%） 对带壳咖啡豆介电特性的影响。结果表明，在 1~1 000 kHz频段内，相对
介电常数（ε） 随着频率的增大单调减小，却随着含水率的升高而增大；温度对相对介电常数（ε） 基本没有影响，
介质损耗因数（ε） 随频率增大先递减后增大；当温度和含水率升高，介质损耗因数（ε） 呈增大趋势。在 500 kHz
下建立相对介电常数（ε） 预测带壳咖啡豆含水率（W，%） 的模型，该模型 R2=0.987 5；制作了 20个样本，将测量
值与模型计算值进行比较，发现其绝对误差范围为 - 3.07%~2.47%，说明所建立的模型可行。此项研究对了解带壳咖
啡豆的介电特性，以及开发带壳咖啡豆含水率检测仪有一定的指导意义。
关键词：带壳咖啡豆；含水率；介电特性
中图分类号：S24 文献标志码：A doi：10.16693/j.cnki.1671- 9646（X）.2016.12.010
Predicating Moisture Content of Coffee Beans Based on Dielectric Properties
YU Qiyang，*ZHANG Fujie，YANG Wei
（Faculty of Modern Agricultural Engineering，Kunming University of Science and Technology，
Kunming，Yunnan 650500，China）
Abstract：Coffee beans is used to study the influence of frequency（1~1 000 kHz），temperature（20~45 ℃） and moisture
content（11.18%~43.69%） on the dielectric properties in the LCR measuring meter and after that the paper will analyze the
reason for dielectric constant and loss factor changed with these factors. The results show that when the frequency is between
1 and 1 000 kHz，the dielectric constant（ε） decreases with the increase of the frequency，and increases with the increase
of water content. The dielectric constant（ε） remains constant with the increase of temperature. The loss factor（ε）
decreases and then increases with the increase of frequency. The loss factor（ε） increases with the increase of temperature
and moisture content. The prediction equation of the moisture content establish based on relative dielectric constant（ε） for
the sample under the 500 kHz. And the most suitable coefficients of determination is 0.987 5. 20 samples are used to compare
the measured values and calculated values of moisture content，it shows that the absolute errors of predicated moisture contents
of coffee beans based on dielectric properties at 500 kHz is within - 3.07%~2.47%. The study is helpful to understand the
dielectric properties of coffee beans, and is instructive to develop moisture sensor for coffee beans.
Key words：coffee beans；moisture content；dielectric properties
咖啡是特色热带农产品，也是世界贸易中最重
要的农产品之一。我国的小粒咖啡主要在云南、广
西、贵州等地种植，云南是我国最大的小粒咖啡种
植、烘焙咖啡豆生产和初制加工的基地，促进了我
国咖啡产业的积极发展[1]。带壳咖啡豆是咖啡加工过
程的中间产品，其含水率直接影响咖啡豆品质。含
水率是影响咖啡豆在收购、加工、贮存过程中的重
要因素，当含水率超过 13%时，会引起咖啡豆的霉
烂[2]等问题。所以，带壳咖啡豆含水率范围应控制为
11%~13%[3]。目前，农业物料含水率的测定方法主要
有干燥称重法、红外加热法、中子法、声学法、微
波加热法和核磁共振法等[4]。但是，上述方法存在耗
费时间过长、检测费用过高、仪器设备昂贵等问题。
因此，国内外学者开始对粮食的介电特性进行研
究[5- 7]，并通过基础研究设计了一系列电容式或电阻
式的粮食含水率检测仪器[8- 9]。例如，国内学者郭文
川、陈育中等人[10- 11]开发了基于平行极板技术的小杂
粮、大豆等农作物的含水率测试仪，杨薇等人[12]对三
七粉的介电特性进行了研究，刘海沧等人[13]设计了数
字式油品传感器。基于农产品介电特性的含水率检
测方法成本低、速度快的特点，可以在实际生产中
实现实时检测，因此基于介电特性的研究在农业方
基于介电特性小粒咖啡含水率的检测研究
于启洋，*张付杰，杨 薇
（昆明理工大学 现代农业工程学院，云南 昆明 650500）
收稿日期：2016- 09- 02
作者简介：于启洋（1989— ），男，在读硕士，研究方向为农业智能装备。
*通讯作者：张付杰（1977— ），男，博士，讲师，研究方向为农业智能装备。
2016年第 12期
面得到了广泛关注。
国内外对小粒咖啡含水率基于介电特性的检测
研究较少，目前检测小粒咖啡含水率主要依靠农户
的个人经验，缺少用于检测小粒咖啡含水率的测试
仪。为此，试验以小粒咖啡 （带壳） 为研究对象，
利用 LCR测试仪测量频率信号（1~1 000 kHz）、温
度（20~45 ℃） 和含水率（11.18%~43.69%） 对小粒
咖啡介电参数的影响；在 500 kHz下建立相对介电
常数 （ε） 预测带壳咖啡豆含水率 （W，%） 的模
型，验证模型的可靠性，以期为开发小粒咖啡含水
率测试提供一定的基础数据。
1 材料与方法
1.1 材料
新鲜咖啡豆，采购于云南省保山市，在实验室
对新鲜咖啡豆进行去皮、脱胶处理，得到试验所用
材料。
带壳咖啡豆的初始含水率为 57.82%（湿基）。
1.2 样品制备
用电子天平称取 1份约 600 g带壳咖啡豆样品，
置于电热干燥箱内，依次干燥 4，3，2，4，5 h，经
计算得到试验样品的对应含水率依次为 43.69%，
35.39%，28.18%，19.47%，11.18%。
1.3 测量方法
1.3.1 含水率
试验参照国标 GB/T 5009.3—2010对试验样品进
行含水率测量。
1.3.2 介电参数
介电参数测量系统由 LCR测试仪（TH2827型，
常州同惠，测量精度 0.1%），同心圆式电容器 （自
制） 测得。同心圆式电容器由 2个高为 55 mm，厚度
为 3 mm，外筒内径为 50 mm，内筒外径为 28 mm的
铜管组成；分别将 2 个空心铜管固定在绝缘板上，
使铜管间隙保持一致，空心铜管成为电容器的极板，
保证极板高度远大于极板间距，避免电场的边缘效
应。测量前对仪器进行开路和短路校正，预热仪器
30 min。
1.4 测量步骤
将预热完成的电容器连接 LCR 测试仪，在 1~
1 000 kHz频段内选取不同的 26个频率测量点，测
量装置的电容。将不同含水率（11.18%~43.69%） 的
带壳咖啡豆通过自由落体和振动方式将同心圆式电
容器装满，测量电容器电容，记录输出电容和损耗
角正切。根据相关文献的研究结论[14]，容积密度对介
电特性的影响很小，因此试验不考虑容积密度对介
电特性的影响。将装有带壳咖啡豆的容器装入恒温
水浴箱中，利用红外温度测试仪测量带壳咖啡豆表
面的温度，数字温度计测量带壳咖啡豆内部的温度，
以保证内外温度一致。当样品温度达到 20，25，30，
35，40，45 ℃定值时，测量电容值和损耗角正切，
每个样品在每个温度下测量 3次，取其平均值作为
测试结果，计算样品的相对介电常数（ε） 和介质损
耗因数（ε）。
2 结果与分析
2.1 频率对介电参数的影响
不同含水率下频率对带壳咖啡豆介电参数的影
响（25 ℃） 见图 1。
由图 1（a） 可知，当频率信号在 1~1 000 kHz
内，带壳咖啡豆的相对介电常数（ε） 随频率的增大
而减小，<10 kHz；在不同含水率（W，%） 下，（ε）
下降比较明显；随着频率增大，ε下降比较平缓；同
一频率下，含水率越高 ε越大。ε的变化主要是由于
非均匀混合物中的偶极子与离子的极化和 Maxwell-
Wagner效应造成[6，15]。低频时，ε 和总电容量增大，
由于物料电荷的积累，偶极子的取向极化与其振动
速度由频率变化引起的，频率持续增大会导致电场
的变化超过偶极子的振动速度，因此偶极子的取向
极化会随着频率变化逐渐停止，导致 ε的减小[16]。
由图 1（b） 可知，当频率信号在 1~1 000 kHz
内，带壳咖啡豆的介质损耗因数（ε） 随频率的增
图1 不同含水率下频率对带壳咖啡豆介电参数的影响（25℃）
（a） 相对介电常数
9
7
5
3
1
ε
1 10 100 1 000
频率 / kHz
- 11.18%； - 19.47%；
- 28.18%； - 35.39%； - 43.69%▲ ■◆
● ○
（b） 介质损耗因数
6
5
4
3
2
1
0
ε

1 10 100 1 000
频率 / kHz
- 11.18%； - 19.47%；
- 28.18%； - 35.39%； - 43.69%▲ ■◆
● ○
于启洋，等：基于介电特性小粒咖啡含水率的检测研究 35· ·
农产品加工 2016年第 12期
大先减小后增大。由介质极化理论可知，低频电场
下会发生表面极化现象 [15]。而离子的电导性是引起
ε 随频率增大而减小的主要原因 [17]。频率在 1~
10 kHz时，主要由离子导电性引起，ε 随频率增大
而减小；频率在 10~100 kHz时，分子固有电矩的转向
极化已经完成基本不作响应；频率在 100~1 000 kHz
时，偶极子的极化起主导作用，成为介电损耗变化
的原因，此时 ε的变化随含水率的升高而增大[18]。
2.2 不同温度下含水率对带壳咖啡豆介电参数的影响
根据查阅文献可以得知，农产品的含水率是影
响介电参数的主要因素之一[19- 21]。
不同温度下含水率对带壳咖啡豆介电参数的影
响（500 kHz） 见图 2。
由图 2 可知，测量频率在 500 kHz时，当温度
相同时，带壳咖啡豆的相对介电常数（ε） 和介质损
耗因数（ε） 随含水率升高而增大；由图 2（b） 也
可知，含水率 >28.18%时介质损耗增大较明显。这是
因为水是一种极性分子，也是影响 ε和 ε的主要因
素。随含水率的升高导致物料内部整体代谢的速度加
快，使内部离子活动增强，这将引起带壳咖啡豆的 ε
和 ε均表现出增大的趋势[22]。
2.3 不同含水率温度对带壳咖啡豆介电参数的影响
不同含水率下温度对带壳咖啡豆介电参数的影
响（500 kHz） 见图 3。
图 3（a） 为测量频率 500 kHz时，温度对带壳
咖啡豆相对介电常数（ε） 的影响。关于温度对农产
品介电常数的影响，不同的研究物料得到不同的结
论，有研究猪肉的 ε 随温度的变化比较复杂，介电
常数和温度在一定频率下有较好的相关性[23]；也有研
究小麦和豆类的介电常数与温度的关系，小麦和豆
类的介电常数随温度升高而增大[24]。农产品介电常数
的变化，是温度、含水率和频率共同作用的结果[25]。
图 3所示温度对带壳咖啡豆的 ε 影响较小，与文献
[23- 24]有一定的差别，造成这种现象的原因主要是
试验所用物料与文献报道中不同。
图 3（b） 为测量频率 500 kHz时，介质损耗因
数 （ε） 随着温度的升高呈递增趋势，当含水率 >
35.39%时 ε增大明显；在同一温度下，含水率越高
ε 增长比较明显。根据电介质理论可知，低频范围
内，偶极子的取向极化能力增强由温度升高引起，
可是电场的变化超前偶极子的取向极化速度，因此
会消耗较多的能量，同时温度升高会促进水分子的
极化扩散和离子的导电性，温度升高会导致介质损
耗逐渐增大[11]。
2.4 不同含水率和温度对带壳咖啡豆介电参数的综
合影响
500 kHz下不同含水率和温度对带壳咖啡豆介电
参数的综合影响见图 4。
由图 4（a） 可知，在此频率下，含水率一定时
温度对带壳咖啡豆相对介电参数（ε） 的影响基本不
变；当温度一定时，随着含水率升高而增大。由图 4
（b） 可知，在此频率下，含水率一定时随温度升高
图2 不同温度下含水率
对带壳咖啡豆介电参数的影响（500 kHz）
ε

2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
11.18 19.47 28.18 35.39 43.69
含水率 / %
●▲◆
- 20℃； - 25℃； - 30℃；
- 35℃； - 40℃； - 45℃■▲
●
◆
★ □
●
●
●
●
▲
▲
▲
▲
□
□
□
□
★
★
★
★
★
◆
◆
◆
◆
（a） 相对介电常数
（b） 介质损耗因数
ε

0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
11.18 19.47 28.18 35.39 43.69
含水率 / %
●
▲◆
- 20℃； - 25℃； - 30℃；
- 35℃； - 40℃； - 45℃■▲
●
◆
★ □
★
★★★★ ●●●●
□
□
□□□
▲
▲▲▲
◆
◆
◆◆
■
■
■
■■
图3 不同含水率下温度
对带壳咖啡豆介电参数的影响（500 kHz）
（a） 相对介电常数
ε

2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
20 25 30 35 40 45
温度 θ /℃
●
▲
◆
- 11.18%； - 19.47%；
- 28.18%； - 35.39%； - 43.69%■▲
●
◆
★
★
■
●●●●●
★★★★★
▲▲▲▲▲
◆◆◆◆◆
■■■■■
（b） 介质损耗因数
ε

0.30
0.26
0.22
0.18
0.14
0.10
20 25 30 35 40 45
温度 θ /℃
●
▲
◆
- 11.18%； - 19.47%；
- 28.18%； - 35.39%； - 43.69%■▲
●
◆
★
★
■
●●●●●
★★★★★
▲
▲▲▲▲
◆
◆
◆
◆
◆
■■
■
■
■
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2016年第 12期
而增大；当温度一定时，介质损耗因数（ε） 随含
水率增大而增大。受含水率和温度的共同影响，在
温度 45 ℃和含水率 43.69%下，达到最大值。
3 含水率模型的建立
3.1 回归方程的建立
不同频率下 ε与W（%） 模型的相关系数见表 1。
由表 1可知，温度 T（20~45 ℃） 对带壳咖啡豆
的相对介电常数（ε） 基本没有影响，带壳咖啡豆的
含水率 W与相对介电常数（ε） 之间有明确的相关
性。为了在实际应用时能够预测带壳咖啡豆的含水
率，本文利用软件 Design Expert. 8.0.6对带壳咖啡豆
试验数据进行回归方程的拟合，在频率 2，5，10，50，
100，500 kHz下建立相对介电常数（ε） 对含水率W
（%） 的预测模型，计算不同频率下预测模型的相关
系数。
同时在频率 2，5，10，50，100，500 kHz下建
立介质损耗因数（ε） 对温度 T、介质损耗因数（ε）
对含水率 W（%） 的预测模型，计算不同频率下模
型的相关系数。
不同频率下 ε 与 T、W（%） 模型的相关系数
见表 2。
由表 1可知，在频率 500 kHz下相关系数 R2最
高。由表 2可知，在频率 500 kHz下相关系数 R2最
高。比较表 1和表 2可知，在频率 500 kHz下，相
对介电常数（ε） 对含水率 W（%） 相关系数 R2最
高，利用 Design Expert. 8.0.6对带壳咖啡豆试验数据
进行回归方程的拟合，得到相对介电常数 ε对含水率
W（%） 的回归方程模型：
W=- 135.38+144.83ε- 28.9（ε）2（R2=0.987 5） .
方程回归模型方差分析见表 3。
由表 3 可知，方程中和 2 的 p 值均 <0.000 1，
模型的 p 值 <0.000 1，说明模型具有极显著性，得
到最佳预测方程。
3.2 模型的验证
为了验证带壳咖啡豆含水率预测模型的准确性，
对 500 kHz含水率模型进行了试验验证。在含水率
10%~50%范围内得到 20个样本，将测得的相对介电
常数带入预测方程，得到含水率计算值，并将其与
含水率实际测量值进行比较。
带壳咖啡豆测量含水率与计算值的关系见图 5。
图4 500 kHz下不同含水率和温度
对带壳咖啡豆介电参数的综合影响
（a） 含水率和温度对带壳咖啡豆相对介质常数（ε） 的影响
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
ε

43.69
37.19
含水率 / % 温度
θ /℃
30.69
24.18
17.68
11.18 20
25
30
35
40
45
（b） 含水率和温度对带壳咖啡豆介质损耗因数（ε） 的影响
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
ε

43.69
37.19
含水率 / % 温度
θ /℃
30.69
24.18
17.68
11.18 20
25
30
35
40
45
表1 不同频率下 ε与W（%） 模型的相关系数
频率 R2 频率 R2
2
5
10
0.939 4
0.919 8
0.964 3
50
100
500
0.977 9
0.981 2
0.987 5
频率 R2 频率 R2
2
5
10
0.655 7
0.494 9
0.357 4
50
100
500
0.522 7
0.744 1
0.862 0
表2 不同频率下 ε与 T、W（%） 模型的相关系数
表3 方程回归模型方差分析
方差来源
p值
方程
2
模型
<0.000 1
<0.000 1
<0.000 1
注：相对为介电常数
于启洋，等：基于介电特性小粒咖啡含水率的检测研究
图5 带壳咖啡豆测量含水率与计算值的关系
测量含水率 / %
50
40
30
20
10
计
算
含
水
率
/%
10 20 30 40 50
◆
◆
◆
◆
◆
◆
◆
◆
◆
◆◆◆◆◆
◆◆◆◆
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农产品加工 2016年第 12期
由图 5可知，计算含水率相对于测量含水率的
点均匀地分散在 45°线的周围，反映计算含水率与测
量含水率的差距不大。相对于测量含水率，计算含
水率的绝对误差为 - 3.07%~2.47%，平均绝对误差为
1.7%，说明在 500 kHz下建立的模型可以很好描述
带壳咖啡豆含水率与相对介电常数之间的关系。
4 结论
（1） 在测量频率 1~1 000 kHz内，带壳咖啡豆的
相对介电常数与频率及含水率有较明显的相关性，
随频率的增大而减小，随含水率增大而增大，随温
度升高基本不变；介质损耗因数与频率、温度以及
含水率有明显的相关性，随频率的增大先减小后增
大，随温度升高和含水率升高而增大。
（2） 建立带壳咖啡豆在 500 kHz频率下相对介
电常数对含水率的预测方程。结果表明，在 500 kHz
下，模型的计算含水率与测量含水率绝对误差为
- 3.07%~2.47%，平均绝对误差为 1.7%。说明带壳咖
啡豆含水率的检测可以通过测定 500 kHz时的相对
介电常数，由方程计算得到。该结论为基于介电特
性带壳咖啡豆含水率检测仪的开发提供了理论依据。
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