■ 劉妍妍 王會(huì)博

〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南鄭州450004〕

一、引言

棉花的吸濕性是棉纖維的重要性質(zhì)，因此回潮率是棉花的重要指標(biāo)?；爻甭适侵敢?guī)定條件下測(cè)得的原棉水分含量，以試樣的濕重與干重的差值對(duì)干重的百分率表示，其

定義公式見(jiàn)式（1）。

式中：R-回潮率，%；

W1-棉樣干重，t；

W2-棉樣濕重，t。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了棉花公定回潮率為8.5%［1］，棉花貿(mào)易中，通過(guò)實(shí)際檢測(cè)的回潮率來(lái)決定最終的結(jié)算重量［2］。在加工過(guò)程中，不同的回潮率則對(duì)棉花加工質(zhì)量影響顯著［3］［4］。此外，棉花回潮率還影響貯藏運(yùn)輸［5］［6］、加工工藝［7］和紡織使用［8］等多個(gè)環(huán)節(jié)［9］［10］，準(zhǔn)確檢測(cè)出棉花回潮率至關(guān)重要［11］。為此，本文歸納了國(guó)內(nèi)外棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用情況，并對(duì)棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，以期為未來(lái)我國(guó)棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用提供參考。

二、棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著技術(shù)的進(jìn)步，棉花回潮率檢測(cè)方法雖然有很多種，但是歸納起來(lái)主要有兩大類：直接法和間接法。

（一）直接法

直接法是先測(cè)量棉樣的濕重，然后利用干燥或化學(xué)方法將棉花烘干測(cè)量干重，最后通過(guò)回潮率定義公式計(jì)算出回潮率。棉花回潮率檢測(cè)中最常用的直接法是烘箱法。我國(guó)GB/T 6102.1—2006《原棉回潮率試驗(yàn)方法 烘箱法》規(guī)定采用烘箱法測(cè)定原棉回潮率［12］。

烘箱法是取一定量的棉樣，把其放入設(shè)定溫度的烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，直到棉樣被烘至恒重，然后利用回潮率定義公式計(jì)算出原棉的回潮率。其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，受環(huán)境因素影響小；其缺點(diǎn)是耗時(shí)時(shí)間長(zhǎng)、效率低，樣品容易被破壞。通常實(shí)驗(yàn)室采用烘箱法，目前實(shí)驗(yàn)室中最常用的為Y802A 型八籃恒溫烘箱（見(jiàn)圖1）。

圖1 Y802A型八籃恒溫烘箱

（二）間接法

間接法是利用棉纖維的某些特性與回潮率之間的關(guān)系，間接轉(zhuǎn)換獲得棉花回潮率。棉花回潮率間接檢測(cè)法主要有電阻式回潮率檢測(cè)法、電容式回潮率檢測(cè)法、紅外式回潮率檢測(cè)法、微波式回潮率檢測(cè)法及CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）式回潮率檢測(cè)法等。

1.電阻式回潮率檢測(cè)法。

電阻式回潮率檢測(cè)法（以下簡(jiǎn)稱“電阻法”）是利用棉花的導(dǎo)電特性，通過(guò)研究棉纖維回潮率與電阻值的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)進(jìn)行棉花回潮率測(cè)定的方法?？紤]到影響棉花導(dǎo)電特性除了回潮率外，還有溫濕度、電壓、密度等的因素，使用該方法時(shí)需要保持在一定的溫濕度、電壓和密度等條件下，必要時(shí)還需要添加相應(yīng)的補(bǔ)償模塊。

電阻式回潮率檢測(cè)法是國(guó)內(nèi)外棉花行業(yè)回潮率檢測(cè)應(yīng)用最廣的間接檢測(cè)方法。國(guó)外對(duì)此研究較早，1908年Briggs首次建立了電壓與回潮率之間的關(guān)系模型，1966年Byler RK首次將電阻法應(yīng)用在軋花機(jī)烘干自動(dòng)控制儀上，1996年Byler RK和Anthony WS研發(fā)出一種新的電阻式的棉花回潮率在線檢測(cè)系統(tǒng)［13］。世界先進(jìn)的紡織測(cè)試和質(zhì)量控制設(shè)備供應(yīng)商USTER 生產(chǎn)的HVI1000［14］大容量棉花測(cè)試儀和Intelligin［15］產(chǎn)品，其回潮率檢測(cè)模塊也是基于電阻法檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)的。

我國(guó)于20世紀(jì)50年代年開(kāi)始研究基于電阻法的棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)，首先研制出基于電阻法的原棉回潮率測(cè)定儀。隨著棉花質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，原棉回潮率測(cè)定儀不斷地進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，2021年陜西華斯特儀器有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)了一種便攜式棉花回潮率測(cè)定儀［16］，采用單片機(jī)控制、實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)壓棉、觸屏顯示屏操作、可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信等，有效解決了原有儀器存在的操作繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)試精度誤差等問(wèn)題。隨著棉花加工技術(shù)的進(jìn)步，行業(yè)內(nèi)科研人員根據(jù)使用環(huán)節(jié)不同［17］，研制了采棉機(jī)用籽棉回潮率檢測(cè)裝置［18］、手持式籽棉回潮率檢測(cè)儀［19］、門(mén)架式籽棉回潮率檢測(cè)儀［20］、車(chē)載式籽棉回潮率檢測(cè)儀［21］、籽棉回潮率在線檢測(cè)裝置［22］［23］［24］、棉包回潮率在線檢測(cè)系統(tǒng)［25］和棉包水分測(cè)定儀［26］等電阻式棉花回潮率檢測(cè)設(shè)備，部分產(chǎn)品見(jiàn)圖2—圖6。

圖2 原棉回潮率檢測(cè)儀

圖3 手持式籽棉回潮率檢測(cè)儀

圖4 門(mén)架式回潮率檢測(cè)儀

圖5 籽棉回潮率在線檢測(cè)裝置

圖6 棉包回潮率檢測(cè)儀

國(guó)內(nèi)目前基于電阻式的皮棉回潮率檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用。但基于電阻式的籽棉回潮率檢測(cè)技術(shù)研究不夠深入，采摘、收購(gòu)及加工環(huán)節(jié)的籽棉回潮率檢測(cè)產(chǎn)品還存在檢測(cè)精度不高、性能不穩(wěn)定、受環(huán)境影響大等問(wèn)題，并未進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

2.電容式回潮率檢測(cè)法。

電容式回潮率檢測(cè)法（以下簡(jiǎn)稱“電容法”）是根據(jù)不同回潮率的棉花，其介電常數(shù)不同來(lái)測(cè)定棉花回潮率。按介質(zhì)不同分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法兩種。

直接測(cè)量法以棉花為電容器的中間介質(zhì)，通過(guò)測(cè)量電容的大小來(lái)測(cè)定棉花回潮率。王偉［27］等人設(shè)計(jì)了一種高精度數(shù)字化棉花水分智能檢測(cè)儀，采用阻容脈沖轉(zhuǎn)換（RC/F）、RS485通訊模塊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化檢測(cè)。王建平［28］等人介紹了一種基于STC89C52RC單片機(jī)控制的電容式棉花水分檢測(cè)儀，并通過(guò)試驗(yàn)研制了該棉花水分檢測(cè)儀的可行性。陳超［29］等人進(jìn)行了一種基于STC89C52RC單片機(jī)的輕巧型智能棉花水分檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，并采用ZCSll00型精密電容位移傳感器，為提高儀器的靈敏度與精準(zhǔn)性提供了參考。

間接測(cè)量法以多孔硅、聚酰亞胺等吸附材料作為電容器的中間介質(zhì)，介質(zhì)吸附材料吸附棉花中的水分后，通過(guò)測(cè)量電容大小來(lái)測(cè)定棉花回潮率。胡智宏［30］等人以聚酰亞胺濕敏材料為介質(zhì)構(gòu)成測(cè)量電容，設(shè)計(jì)了一種便攜電容式棉花含水量測(cè)量?jī)x，并制作出樣機(jī)。

電容式回潮率檢測(cè)法具有檢測(cè)精度高、非接觸的優(yōu)點(diǎn)，但由于其缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，因此，雖有學(xué)者進(jìn)行研究卻并未見(jiàn)棉花回潮率檢測(cè)產(chǎn)品應(yīng)用。

3.紅外式回潮率檢測(cè)法。

紅外式回潮率檢測(cè)法（以下簡(jiǎn)稱“紅外法”）根據(jù)不同回潮率的棉花對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外線吸收程度差異，測(cè)得紅外線透射前后的衰減量來(lái)測(cè)定棉花回潮率［31］。

Anthony WS［32］于1986年設(shè)計(jì)了基于紅外法的棉花回潮率在線檢測(cè)儀安裝在軋花機(jī)上，并通過(guò)與烘箱法對(duì)比驗(yàn)證了其可行性與測(cè)量精度，提出了一種用紅外傳感器在線檢測(cè)棉花回潮率的方法，得出了基于紅外法的在線棉花回潮率檢測(cè)可行且具有良好的測(cè)量精度的結(jié)論。1999年Steve Moffett和Paul Mohr［33］設(shè)計(jì)了基于紅外法的棉花回潮檢測(cè)儀。2019年Kuldashov［34］等人設(shè)計(jì)了基于近紅外LED 光源的雙波長(zhǎng)棉花回潮率傳感器。畢新勝［35］等通過(guò)分析和研究近紅外技術(shù)，提出用漫反射法檢測(cè)籽棉回潮率，論述了紅外法在籽棉回潮率檢測(cè)中的可行性和優(yōu)越性。楊舒涵［36］提出一種基于紅外的棉花回潮率檢測(cè)方法，通過(guò)試驗(yàn)初步驗(yàn)證了基于紅外的棉花回潮率檢測(cè)的可行性，并設(shè)計(jì)了紅外測(cè)量的原理裝置。國(guó)外對(duì)于紅外式回潮率檢測(cè)法研究較早，目前已有相關(guān)產(chǎn)品用于棉花加工企業(yè)，但其價(jià)格也比較昂貴。而國(guó)內(nèi)因?yàn)閮H有部分學(xué)者開(kāi)始研究，所以并未形成產(chǎn)品。

4.微波式回潮率檢測(cè)法。

微波式回潮率檢測(cè)法（以下簡(jiǎn)稱“微波法”）是根據(jù)微波衰減的特性來(lái)測(cè)定棉花回潮率。在特定微波范圍內(nèi)，不同回潮率棉花介電常數(shù)不同，通過(guò)檢測(cè)不同回潮率棉花的微波衰減量測(cè)得棉花回潮率。

Richard Kingswood Kelly 和 Krzysztof Marian Kuchar［37］設(shè)計(jì)了棉包的微波式回潮率檢測(cè)裝置。Mathew G.Pelletier［38］等人研究了籽棉的微波特性，在1.0 GHz～2.5 GHz范圍內(nèi)收集了采收環(huán)節(jié)籽棉回潮率和密度與微波特性關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)研究預(yù)測(cè)回潮率的算法，為后續(xù)開(kāi)發(fā)籽棉微波傳感器奠定基礎(chǔ)。Rodgers James［39］在實(shí)驗(yàn)室中采用微波法測(cè)量棉纖維回潮率，并于烘箱法進(jìn)行對(duì)比，精度可達(dá)到0.1%，驗(yàn)證了微波法測(cè)量棉花回潮率的可行性。阮旭良［40］等人提出了基于微波法的籽棉回潮率檢測(cè)方法，并建立了籽棉回潮率與電磁波衰減和相移變化之間的數(shù)學(xué)模型。西安市阿爾特科實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司最早開(kāi)始研究微波法檢測(cè)棉花回潮率，2012年研制出檢測(cè)棉包的AT-MBC 型水分測(cè)量?jī)x，2018年李世星［41］等人設(shè)計(jì)了用于收購(gòu)環(huán)節(jié)的籽棉回潮率測(cè)量?jī)x。院志霞［42］等人對(duì)微波法檢測(cè)籽棉回潮率進(jìn)行了試驗(yàn)研究，與烘箱法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比符合籽棉回潮率檢測(cè)誤差1%的要求。許明翥［43］等人在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了微波法籽棉回潮率測(cè)試儀插入式回潮率報(bào)警器的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了微波法籽棉回潮率測(cè)試儀檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、重復(fù)性和一致性。

目前國(guó)內(nèi)雖然已有西安市阿爾特科實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的棉包水分測(cè)量?jī)x和籽棉回潮率測(cè)量?jī)x（見(jiàn)圖7）在實(shí)地使用，但是并未大范圍推廣。

圖7 微波法籽棉回潮率測(cè)量?jī)x

5.CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）式回潮率檢測(cè)法。

CCD 式回潮率檢測(cè)法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的，與紅外式回潮率檢測(cè)法類似，均通過(guò)光線透射衰減測(cè)定回潮率；不同的是CCD 式回潮率檢測(cè)法利用波長(zhǎng)為940 nm的紅外吸收量。由于此方法亦可用在棉花色澤和雜質(zhì)檢測(cè)中，對(duì)于開(kāi)發(fā)多指標(biāo)的棉花品質(zhì)檢測(cè)儀器來(lái)說(shuō)應(yīng)用前景較好，但其缺點(diǎn)是檢測(cè)精度低，因此關(guān)于CCD 式回潮率檢測(cè)技術(shù)的研究及應(yīng)用均比較少見(jiàn)。

幾種棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 棉花回潮率檢測(cè)方法對(duì)比

三、國(guó)內(nèi)棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的進(jìn)步，棉花產(chǎn)業(yè)步入信息化、智能化時(shí)代，棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)的落后必然會(huì)制約行業(yè)的發(fā)展。綜合分析國(guó)內(nèi)外棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為未來(lái)國(guó)內(nèi)棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展有以下幾個(gè)方向。

（一）深入研究電阻式籽棉回潮率檢測(cè)技術(shù)

電阻式回潮率檢測(cè)法是國(guó)內(nèi)外棉花行業(yè)回潮率檢測(cè)應(yīng)用最廣的間接檢測(cè)方法。從電阻式棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)成果看，國(guó)內(nèi)目前基于電阻法的皮棉回潮率檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，其檢測(cè)精度可控制在0.2%以內(nèi)。但籽棉回潮率檢測(cè)技術(shù)因?yàn)槭艿矫拮选㈦s質(zhì)等物料本身因素的影響，檢測(cè)結(jié)果不夠精準(zhǔn)，后續(xù)需繼續(xù)研究籽棉中的雜質(zhì)、棉籽與回潮率電阻的關(guān)系，同時(shí)運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)來(lái)增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，提高籽棉回潮率檢測(cè)精度。

（二）進(jìn)一步研究新型的棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)

紅外式回潮率檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，是國(guó)外研究較早、應(yīng)用廣泛的棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)，國(guó)內(nèi)的研究及應(yīng)用還在起步階段，后續(xù)研究人員可進(jìn)行深入研究。雖然國(guó)內(nèi)已有微波式回潮率測(cè)量技術(shù)研究并形成產(chǎn)品，但是儀器體積較大且成本投入高，后續(xù)仍需進(jìn)一步研究。

（三）檢測(cè)技術(shù)綜合化

目前的棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)都有優(yōu)缺點(diǎn)，怎樣把兩種或者多種技術(shù)結(jié)合起來(lái)以長(zhǎng)補(bǔ)短將作為后續(xù)研究的方向。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為未來(lái)國(guó)內(nèi)棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)將向著電阻式籽棉回潮率檢測(cè)技術(shù)的深入研究、新型棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步研究及應(yīng)用、檢測(cè)技術(shù)綜合化研究等方向發(fā)展，希望淺見(jiàn)可以為未來(lái)我國(guó)棉花回潮率檢測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用提供參考。