王夢(mèng)等

摘要：分析了現(xiàn)有棉花回潮率測(cè)量方法的原理及特點(diǎn)，綜述了微波式、紅外線式、CCD式、電容式與電阻式等幾種棉花回潮率測(cè)量方法的應(yīng)用現(xiàn)狀，并根據(jù)棉花收購站運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量要求，確定電阻式測(cè)量方法適合測(cè)量運(yùn)棉車內(nèi)籽棉的回潮率，同時(shí)對(duì)運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率測(cè)量裝置的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：棉花；回潮率；測(cè)量方法

中圖分類號(hào)： S237 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2014）03-0268-02

棉花回潮率不僅是影響棉花安全儲(chǔ)運(yùn)、加工工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性、加工質(zhì)量的重要因素[1-2]，還是棉花貿(mào)易結(jié)算的重要依據(jù)。在棉花收購中，我國一直以準(zhǔn)重作為棉花的結(jié)算標(biāo)準(zhǔn)[3]，回潮率是準(zhǔn)重的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)之一，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定公定回潮率為8.5%，并以此對(duì)交易的棉花重量進(jìn)行扣補(bǔ)。因此，棉花回潮率是交易雙方經(jīng)濟(jì)利益的聚焦點(diǎn)，是棉花檢驗(yàn)工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本研究從目前使用的棉花回潮率測(cè)量方法的原理及特點(diǎn)進(jìn)行討論，重點(diǎn)分析間接測(cè)量方法，并根據(jù)棉花收購站運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量要求快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，確定適合該情況的測(cè)量方法；同時(shí)，分析運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量效率低、數(shù)據(jù)管理較難等現(xiàn)狀，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 測(cè)量方法的類型

棉花回潮率的測(cè)量方法主要分為直接法和間接法2個(gè)類型，其中直接法主要是利用干燥或化學(xué)方式直接獲得棉花干重，再通過棉花回潮率計(jì)算公式[回潮率=（濕重-干重）/干重]獲得回潮率的一種方法，其中烘箱法最具代表性；間接法是利用相關(guān)的測(cè)量裝置對(duì)與棉纖維、水分的介電常數(shù)、電容或電阻等物理量，從而間接獲得棉花回潮率的一種方法。直接法測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高，受環(huán)境影響小，但是測(cè)試周期長、被測(cè)對(duì)象易損壞，較適宜于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用，不能滿足實(shí)際生產(chǎn)加工的需求；間接法可對(duì)棉花進(jìn)行快速、連續(xù)測(cè)量，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、便于攜帶、易操作，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較廣泛，是國內(nèi)外棉花回潮率測(cè)量的主流方法[4]。

2 間接測(cè)量方法

間接測(cè)量方法主要有微波式、紅外式、CCD式、電容式和電阻式等[4]。

2.1 微波式

微波式測(cè)量方法是利用微波衰減原理獲取物料回潮率的一種方法。由于棉纖維和水分的介電常數(shù)以及損耗角正切值在微波（頻率300 M～300 GMHz）下存在顯著差異，當(dāng)微波在該媒介中傳輸時(shí)，隨著被測(cè)對(duì)象回潮率的變化，微波就會(huì)產(chǎn)生不同程度的衰減，通過測(cè)量微波的衰減量即可得到棉花回潮率[5-7]，但該方法易受被測(cè)對(duì)象密度、溫度以及周圍環(huán)境等因素的影響。部分學(xué)者為解決回潮率測(cè)量易受被測(cè)對(duì)象密度影響的問題，同時(shí)測(cè)量微波衰減與相移的2個(gè)參量[8-9]，在一定程度上消除了棉花密度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。如圖1所示，該方法通過發(fā)射天線將特定頻率的微波信號(hào)穿過被測(cè)對(duì)象，通過接收天線接收到具有不同衰減及相位信息的微波信號(hào)，對(duì)此進(jìn)行運(yùn)算處理即可得到回潮率。

典型的裝置有西安阿爾特科技實(shí)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司研制的AT-MBC型微波式棉花回潮率測(cè)量裝置，該裝置于2012年6月通過了中國纖維檢驗(yàn)局組織的技術(shù)成果鑒定，主要用于棉包回潮率的測(cè)量。該裝置首次采用微波法測(cè)量棉包整體回潮率，可快速、非接觸、無損檢測(cè)且采用棉包溫度模擬器測(cè)量棉包溫度，提高了溫度補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性[10]。這種方法主要用于測(cè)量單一介質(zhì)的物質(zhì)，如皮棉、紙張、木材、糧食等，但測(cè)量對(duì)象體積較小，易受周圍環(huán)境的影響，價(jià)格偏高。在棉花中主要用于棉包或軋花生產(chǎn)線中回潮率的測(cè)量，對(duì)于運(yùn)棉車所裝載的大體積籽棉回潮率的測(cè)量尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。

2.2 紅外線式

紅外線式測(cè)量方法是利用水分對(duì)特定波長（該波長范圍內(nèi)水分對(duì)紅外線的吸收較強(qiáng)）紅外線的吸收特性[11]獲取物料回潮率的一種方法。測(cè)量時(shí)用特定波長的紅外線照射棉花，不同回潮率的棉花對(duì)紅外線的吸收量不同，通過測(cè)量透射后紅外線的衰減量即可得到棉花回潮率。工作時(shí)選擇2束不同波長紅外線[12]，一束只被水分子吸收的紅外線作為測(cè)量光，另一束被水和棉纖維吸收較少的紅外線作為參考光，獲取2束光通過棉花后的波長比值，從而得到棉花回潮率。紅外線式棉花回潮率測(cè)量方法具有非接觸、連續(xù)測(cè)量、速度快及精度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于棉花加工流程中的在線測(cè)量；但該方法易受待測(cè)棉花密度及溫度的影響，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高，成本也較高。

2.3 CCD（charge-coupled device）式

CCD式測(cè)量方法是從紅外線式中引申出的一種利用電耦合器件CCD黑白攝像頭測(cè)量棉花回潮率的方法。該方法的測(cè)量原理與紅外線式的測(cè)量原理相似，但其利用的是近紅外線光。水分吸收近紅外線的波長為0.94 μm，恰好位于CCD黑白攝像頭所能檢測(cè)到的波長范圍之內(nèi)[13]，可被較好檢測(cè)。該方法具有和紅外線式測(cè)量方法相似的優(yōu)點(diǎn)，且存在和紅外線式相同的缺陷，此外，水分吸收波長為0.94 μm的近紅外線光的能力較弱，測(cè)量精度不高。

2.4 電容式

電容式測(cè)量方法也是一種利用棉花的介電常數(shù)（主要取決于其水分含量）來測(cè)定回潮率的方法。如圖2所示，將被測(cè)對(duì)象作為電容器的介質(zhì)，其回潮率影響電容器的電容大小，隨著回潮率的變化，電容器的電容會(huì)發(fā)生改變，通過測(cè)量電容的大小即可達(dá)到測(cè)量棉花回潮率的目的。

按介質(zhì)不同，電容有2種構(gòu)造方式[14]：（1）直接以待測(cè)物料作為中間介質(zhì)，典型的有塔里木大學(xué)研制的高精度數(shù)字化棉花回潮率智能檢測(cè)儀，主要由測(cè)量電容傳感器、參考電容、數(shù)字溫度傳感器、單片機(jī)、上位機(jī)和顯示模塊等元件組成[15]。該儀器大幅度降低了溫度變化對(duì)回潮率測(cè)量的影響，提高了抗干擾能力，結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶，但易受被測(cè)對(duì)象密度的影響。（2）用吸附材料作為介質(zhì)，常用吸附材料有多孔硅和聚酰亞胺，這類材料能夠吸附物料中的水分子，當(dāng)物料含水量變化時(shí)，其介電常數(shù)會(huì)發(fā)生變化[14]。典型的有河南省自然科學(xué)基金（編號(hào)：0611050200）研制的便攜電容式棉花含水量測(cè)量儀。用該儀器測(cè)量時(shí)，將測(cè)量探頭（圖3）插入到待測(cè)棉花內(nèi)部，暴露在外的聚酰亞胺吸附棉花中的水分，介電常數(shù)就會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)吸附過程達(dá)到平衡時(shí)，電容值也會(huì)穩(wěn)定下來，通過測(cè)量電容的大小即可測(cè)出棉花回潮率[14]。該儀器便于攜帶，低功耗，不但消除了環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，而且降低了密度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，但該方法不適用于連續(xù)測(cè)量。endprint

2.5 電阻式棉花回潮率測(cè)量方法

電阻式測(cè)量法是利用不同回潮率的棉纖維具有不同電阻值的特點(diǎn)進(jìn)行棉花回潮率測(cè)量的方法，目前該方法在我國使用較普遍。在測(cè)量過程中，主要根據(jù)棉纖維的電阻值與回潮率呈負(fù)相關(guān)變化的規(guī)律，在一定密度、電壓、溫濕度等情況下，將棉纖維作為一個(gè)電阻接在電路里，通過測(cè)試電路中電流的大小獲取棉花回潮率[16-18]。但影響棉纖維導(dǎo)電性能的主要因素除回潮率外，還有溫度、密度和外加電壓等，采用該方法時(shí)須有溫濕度傳感器、溫度補(bǔ)償電路、密度補(bǔ)償裝置及穩(wěn)定電壓等，確保一定的溫度、密度及電壓等。

自2007年以來，我國纖維檢驗(yàn)局、農(nóng)業(yè)部種植管理司等開展了“溫濕度對(duì)棉花回潮率測(cè)量影響及新型電測(cè)器”的研究，確定了棉纖維導(dǎo)電性能與溫度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，研制出單一90 V直流電壓的新型棉花回潮測(cè)量儀[19]，克服了溫度及電壓對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。為克服密度的影響，一些研究人員研制了具有密度補(bǔ)償裝置的回潮率測(cè)量儀器[20]，可保證適宜的密度測(cè)量環(huán)境，但是這些需要先取樣再測(cè)量。這種方法在棉花回潮率很低時(shí)，電阻值很大，流過待測(cè)棉花的電流值就很小，此時(shí)的小電流不易測(cè)量，難以保證測(cè)量精度。

3 結(jié)論與討論

運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量通常是在室外進(jìn)行的，測(cè)量環(huán)境較惡劣、干擾因素較多且被測(cè)對(duì)象數(shù)量較多，因此對(duì)測(cè)量方法要求較高，測(cè)量裝置應(yīng)具有對(duì)周圍測(cè)量環(huán)境要求較低、測(cè)量速度快等特點(diǎn)。通過上述對(duì)微波式、紅外線式、CCD式、電容式和電阻式棉花回潮率測(cè)量方法的原理及特點(diǎn)進(jìn)行分析可知，微波式、紅外線式與CCD式測(cè)量時(shí)易受外界干擾，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高，而棉花加工廠各種干擾因素較多，不利于這3種方法的有效測(cè)量。電容式及電阻式的測(cè)量速度較快，且不易受測(cè)量環(huán)境的影響，但是電容式的測(cè)量成本普遍高于電阻式，很難廣泛使用。根據(jù)棉花加工廠對(duì)運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量要求及上述各種測(cè)量方法的原理及特點(diǎn)可知，電阻式測(cè)量方法以其測(cè)量速度快、抗干擾、成本低等優(yōu)點(diǎn)較適用于運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量。

4 展望

運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量是棉花收購的重要指標(biāo)之一。目前，運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量主要存在以下問題：（1）采集深度低于50 cm時(shí)，運(yùn)棉車內(nèi)部的數(shù)據(jù)就難以采集；（2）每次僅能對(duì)單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，需要多次采集求平均值，采集時(shí)間長，采集效率低；（3）數(shù)據(jù)結(jié)果需要人力記錄、統(tǒng)計(jì)，人為因素對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響很大；（4）數(shù)據(jù)的管理分析難度高，企業(yè)難以進(jìn)行信息化管理等。因此，運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量朝著多點(diǎn)測(cè)量、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展是必然趨勢(shì)；而且籽棉回潮率的測(cè)量與含雜率的檢測(cè)集成一體，信息管理一體化是未來棉花收購的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

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2.5 電阻式棉花回潮率測(cè)量方法

電阻式測(cè)量法是利用不同回潮率的棉纖維具有不同電阻值的特點(diǎn)進(jìn)行棉花回潮率測(cè)量的方法，目前該方法在我國使用較普遍。在測(cè)量過程中，主要根據(jù)棉纖維的電阻值與回潮率呈負(fù)相關(guān)變化的規(guī)律，在一定密度、電壓、溫濕度等情況下，將棉纖維作為一個(gè)電阻接在電路里，通過測(cè)試電路中電流的大小獲取棉花回潮率[16-18]。但影響棉纖維導(dǎo)電性能的主要因素除回潮率外，還有溫度、密度和外加電壓等，采用該方法時(shí)須有溫濕度傳感器、溫度補(bǔ)償電路、密度補(bǔ)償裝置及穩(wěn)定電壓等，確保一定的溫度、密度及電壓等。

自2007年以來，我國纖維檢驗(yàn)局、農(nóng)業(yè)部種植管理司等開展了“溫濕度對(duì)棉花回潮率測(cè)量影響及新型電測(cè)器”的研究，確定了棉纖維導(dǎo)電性能與溫度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，研制出單一90 V直流電壓的新型棉花回潮測(cè)量儀[19]，克服了溫度及電壓對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。為克服密度的影響，一些研究人員研制了具有密度補(bǔ)償裝置的回潮率測(cè)量儀器[20]，可保證適宜的密度測(cè)量環(huán)境，但是這些需要先取樣再測(cè)量。這種方法在棉花回潮率很低時(shí)，電阻值很大，流過待測(cè)棉花的電流值就很小，此時(shí)的小電流不易測(cè)量，難以保證測(cè)量精度。

3 結(jié)論與討論

運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量通常是在室外進(jìn)行的，測(cè)量環(huán)境較惡劣、干擾因素較多且被測(cè)對(duì)象數(shù)量較多，因此對(duì)測(cè)量方法要求較高，測(cè)量裝置應(yīng)具有對(duì)周圍測(cè)量環(huán)境要求較低、測(cè)量速度快等特點(diǎn)。通過上述對(duì)微波式、紅外線式、CCD式、電容式和電阻式棉花回潮率測(cè)量方法的原理及特點(diǎn)進(jìn)行分析可知，微波式、紅外線式與CCD式測(cè)量時(shí)易受外界干擾，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高，而棉花加工廠各種干擾因素較多，不利于這3種方法的有效測(cè)量。電容式及電阻式的測(cè)量速度較快，且不易受測(cè)量環(huán)境的影響，但是電容式的測(cè)量成本普遍高于電阻式，很難廣泛使用。根據(jù)棉花加工廠對(duì)運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量要求及上述各種測(cè)量方法的原理及特點(diǎn)可知，電阻式測(cè)量方法以其測(cè)量速度快、抗干擾、成本低等優(yōu)點(diǎn)較適用于運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量。

4 展望

運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量是棉花收購的重要指標(biāo)之一。目前，運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量主要存在以下問題：（1）采集深度低于50 cm時(shí)，運(yùn)棉車內(nèi)部的數(shù)據(jù)就難以采集；（2）每次僅能對(duì)單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，需要多次采集求平均值，采集時(shí)間長，采集效率低；（3）數(shù)據(jù)結(jié)果需要人力記錄、統(tǒng)計(jì)，人為因素對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響很大；（4）數(shù)據(jù)的管理分析難度高，企業(yè)難以進(jìn)行信息化管理等。因此，運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量朝著多點(diǎn)測(cè)量、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展是必然趨勢(shì)；而且籽棉回潮率的測(cè)量與含雜率的檢測(cè)集成一體，信息管理一體化是未來棉花收購的發(fā)展方向。

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2.5 電阻式棉花回潮率測(cè)量方法

電阻式測(cè)量法是利用不同回潮率的棉纖維具有不同電阻值的特點(diǎn)進(jìn)行棉花回潮率測(cè)量的方法，目前該方法在我國使用較普遍。在測(cè)量過程中，主要根據(jù)棉纖維的電阻值與回潮率呈負(fù)相關(guān)變化的規(guī)律，在一定密度、電壓、溫濕度等情況下，將棉纖維作為一個(gè)電阻接在電路里，通過測(cè)試電路中電流的大小獲取棉花回潮率[16-18]。但影響棉纖維導(dǎo)電性能的主要因素除回潮率外，還有溫度、密度和外加電壓等，采用該方法時(shí)須有溫濕度傳感器、溫度補(bǔ)償電路、密度補(bǔ)償裝置及穩(wěn)定電壓等，確保一定的溫度、密度及電壓等。

自2007年以來，我國纖維檢驗(yàn)局、農(nóng)業(yè)部種植管理司等開展了“溫濕度對(duì)棉花回潮率測(cè)量影響及新型電測(cè)器”的研究，確定了棉纖維導(dǎo)電性能與溫度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，研制出單一90 V直流電壓的新型棉花回潮測(cè)量儀[19]，克服了溫度及電壓對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。為克服密度的影響，一些研究人員研制了具有密度補(bǔ)償裝置的回潮率測(cè)量儀器[20]，可保證適宜的密度測(cè)量環(huán)境，但是這些需要先取樣再測(cè)量。這種方法在棉花回潮率很低時(shí)，電阻值很大，流過待測(cè)棉花的電流值就很小，此時(shí)的小電流不易測(cè)量，難以保證測(cè)量精度。

3 結(jié)論與討論

運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量通常是在室外進(jìn)行的，測(cè)量環(huán)境較惡劣、干擾因素較多且被測(cè)對(duì)象數(shù)量較多，因此對(duì)測(cè)量方法要求較高，測(cè)量裝置應(yīng)具有對(duì)周圍測(cè)量環(huán)境要求較低、測(cè)量速度快等特點(diǎn)。通過上述對(duì)微波式、紅外線式、CCD式、電容式和電阻式棉花回潮率測(cè)量方法的原理及特點(diǎn)進(jìn)行分析可知，微波式、紅外線式與CCD式測(cè)量時(shí)易受外界干擾，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高，而棉花加工廠各種干擾因素較多，不利于這3種方法的有效測(cè)量。電容式及電阻式的測(cè)量速度較快，且不易受測(cè)量環(huán)境的影響，但是電容式的測(cè)量成本普遍高于電阻式，很難廣泛使用。根據(jù)棉花加工廠對(duì)運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量要求及上述各種測(cè)量方法的原理及特點(diǎn)可知，電阻式測(cè)量方法以其測(cè)量速度快、抗干擾、成本低等優(yōu)點(diǎn)較適用于運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量。

4 展望

運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量是棉花收購的重要指標(biāo)之一。目前，運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量主要存在以下問題：（1）采集深度低于50 cm時(shí)，運(yùn)棉車內(nèi)部的數(shù)據(jù)就難以采集；（2）每次僅能對(duì)單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，需要多次采集求平均值，采集時(shí)間長，采集效率低；（3）數(shù)據(jù)結(jié)果需要人力記錄、統(tǒng)計(jì)，人為因素對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響很大；（4）數(shù)據(jù)的管理分析難度高，企業(yè)難以進(jìn)行信息化管理等。因此，運(yùn)棉車內(nèi)籽棉回潮率的測(cè)量朝著多點(diǎn)測(cè)量、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展是必然趨勢(shì)；而且籽棉回潮率的測(cè)量與含雜率的檢測(cè)集成一體，信息管理一體化是未來棉花收購的發(fā)展方向。

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