棉花回潮率測量方法發展現狀

王夢等

摘要：分析了現有棉花回潮率測量方法的原理及特點，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量方法的應用現狀，并根據棉花收購站運棉車內籽棉回潮率的測量要求，確定電阻式測量方法適合測量運棉車內籽棉的回潮率，同時對運棉車內籽棉回潮率測量裝置的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：棉花；回潮率；測量方法

中圖分類號： S237 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）03-0268-02

棉花回潮率不僅是影響棉花安全儲運、加工工藝系統穩定性、加工質量的重要因素[1-2]，還是棉花貿易結算的重要依據。在棉花收購中，我國一直以準重作為棉花的結算標準[3]，回潮率是準重的計量標準之一，國家標準規定公定回潮率為8.5%，并以此對交易的棉花重量進行扣補。因此，棉花回潮率是交易雙方經濟利益的聚焦點，是棉花檢驗工作中的一個重要環節。本研究從目前使用的棉花回潮率測量方法的原理及特點進行討論，重點分析間接測量方法，并根據棉花收購站運棉車內籽棉回潮率的測量要求快速、準確等特點，確定適合該情況的測量方法；同時，分析運棉車內籽棉回潮率的測量效率低、數據管理較難等現狀，對其發展趨勢進行展望。

1 測量方法的類型

棉花回潮率的測量方法主要分為直接法和間接法2個類型，其中直接法主要是利用干燥或化學方式直接獲得棉花干重，再通過棉花回潮率計算公式[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；間接法是利用相關的測量裝置對與棉纖維、水分的介電常數、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。直接法測量結果準確度高，受環境影響小，但是測試周期長、被測對象易損壞，較適宜于實驗室內使用，不能滿足實際生產加工的需求；間接法可對棉花進行快速、連續測量，實時性強、便于攜帶、易操作，在實際生產中應用較廣泛，是國內外棉花回潮率測量的主流方法[4]。

2 間接測量方法

間接測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，當微波在該媒介中傳輸時，隨著被測對象回潮率的變化，微波就會產生不同程度的衰減，通過測量微波的衰減量即可得到棉花回潮率[5-7]，但該方法易受被測對象密度、溫度以及周圍環境等因素的影響。部分學者為解決回潮率測量易受被測對象密度影響的問題，同時測量微波衰減與相移的2個參量[8-9]，在一定程度上消除了棉花密度對測量結果的影響。如圖1所示，該方法通過發射天線將特定頻率的微波信號穿過被測對象，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，對此進行運算處理即可得到回潮率。

典型的裝置有西安阿爾特科技實業發展有限責任公司研制的AT-MBC型微波式棉花回潮率測量裝置，該裝置于2012年6月通過了中國纖維檢驗局組織的技術成果鑒定，主要用于棉包回潮率的測量。該裝置首次采用微波法測量棉包整體回潮率，可快速、非接觸、無損檢測且采用棉包溫度模擬器測量棉包溫度，提高了溫度補償的準確性[10]。這種方法主要用于測量單一介質的物質，如皮棉、紙張、木材、糧食等，但測量對象體積較小，易受周圍環境的影響，價格偏高。在棉花中主要用于棉包或軋花生產線中回潮率的測量，對于運棉車所裝載的大體積籽棉回潮率的測量尚未見文獻報道。

2.2 紅外線式

紅外線式測量方法是利用水分對特定波長（該波長范圍內水分對紅外線的吸收較強）紅外線的吸收特性[11]獲取物料回潮率的一種方法。測量時用特定波長的紅外線照射棉花，不同回潮率的棉花對紅外線的吸收量不同，通過測量透射后紅外線的衰減量即可得到棉花回潮率。工作時選擇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量方法具有非接觸、連續測量、速度快及精度高等優點，適用于棉花加工流程中的在線測量；但該方法易受待測棉花密度及溫度的影響，對測量環境要求較高，成本也較高。

2.3 CCD（charge-coupled device）式

CCD式測量方法是從紅外線式中引申出的一種利用電耦合器件CCD黑白攝像頭測量棉花回潮率的方法。該方法的測量原理與紅外線式的測量原理相似，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到的波長范圍之內[13]，可被較好檢測。該方法具有和紅外線式測量方法相似的優點，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，測量精度不高。

2.4 電容式

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

按介質不同，電容有2種構造方式[14]：（1）直接以待測物料作為中間介質，典型的有塔里木大學研制的高精度數字化棉花回潮率智能檢測儀，主要由測量電容傳感器、參考電容、數字溫度傳感器、單片機、上位機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回潮率測量的影響，提高了抗干擾能力，結構簡單，便于攜帶，但易受被測對象密度的影響。（2）用吸附材料作為介質，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，當物料含水量變化時，其介電常數會發生變化[14]。典型的有河南省自然科學基金（編號：0611050200）研制的便攜電容式棉花含水量測量儀。用該儀器測量時，將測量探頭（圖3）插入到待測棉花內部，暴露在外的聚酰亞胺吸附棉花中的水分，介電常數就會發生改變，當吸附過程達到平衡時，電容值也會穩定下來，通過測量電容的大小即可測出棉花回潮率[14]。該儀器便于攜帶，低功耗，不但消除了環境溫度對測量精度的影響，而且降低了密度對測量結果的影響，但該方法不適用于連續測量。endprint

2.5 電阻式棉花回潮率測量方法

電阻式測量法是利用不同回潮率的棉纖維具有不同電阻值的特點進行棉花回潮率測量的方法，目前該方法在我國使用較普遍。在測量過程中，主要根據棉纖維的電阻值與回潮率呈負相關變化的規律，在一定密度、電壓、溫濕度等情況下，將棉纖維作為一個電阻接在電路里，通過測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，采用該方法時須有溫濕度傳感器、溫度補償電路、密度補償裝置及穩定電壓等，確保一定的溫度、密度及電壓等。

自2007年以來，我國纖維檢驗局、農業部種植管理司等開展了“溫濕度對棉花回潮率測量影響及新型電測器”的研究，確定了棉纖維導電性能與溫度之間關系的數學模型，研制出單一90 V直流電壓的新型棉花回潮測量儀[19]，克服了溫度及電壓對測量結果的影響。為克服密度的影響，一些研究人員研制了具有密度補償裝置的回潮率測量儀器[20]，可保證適宜的密度測量環境，但是這些需要先取樣再測量。這種方法在棉花回潮率很低時，電阻值很大，流過待測棉花的電流值就很小，此時的小電流不易測量，難以保證測量精度。

3 結論與討論

運棉車內籽棉回潮率的測量通常是在室外進行的，測量環境較惡劣、干擾因素較多且被測對象數量較多，因此對測量方法要求較高，測量裝置應具有對周圍測量環境要求較低、測量速度快等特點。通過上述對微波式、紅外線式、CCD式、電容式和電阻式棉花回潮率測量方法的原理及特點進行分析可知，微波式、紅外線式與CCD式測量時易受外界干擾，對測量環境要求較高，而棉花加工廠各種干擾因素較多，不利于這3種方法的有效測量。電容式及電阻式的測量速度較快，且不易受測量環境的影響，但是電容式的測量成本普遍高于電阻式，很難廣泛使用。根據棉花加工廠對運棉車內籽棉回潮率的測量要求及上述各種測量方法的原理及特點可知，電阻式測量方法以其測量速度快、抗干擾、成本低等優點較適用于運棉車內籽棉回潮率的測量。

4 展望

運棉車內籽棉回潮率的測量是棉花收購的重要指標之一。目前，運棉車內籽棉回潮率的測量主要存在以下問題：（1）采集深度低于50 cm時，運棉車內部的數據就難以采集；（2）每次僅能對單點數據進行采集，需要多次采集求平均值，采集時間長，采集效率低；（3）數據結果需要人力記錄、統計，人為因素對數據的準確性影響很大；（4）數據的管理分析難度高，企業難以進行信息化管理等。因此，運棉車內籽棉回潮率的測量朝著多點測量、自動化、智能化的方向發展是必然趨勢；而且籽棉回潮率的測量與含雜率的檢測集成一體，信息管理一體化是未來棉花收購的發展方向。

參考文獻：

[1]張紅戰. 回潮率對棉花加工工藝系統的影響[J]. 中國棉花加工，2008（4）：19，21.

[2]路紋紋，呂新民，張立明，等. 棉花水分測試儀的設計[J]. 農機化研究，2008（5）：89-92.

[3]張建柱. 我國棉花回潮率電測器技術發展綜述[J]. 中國棉花加工，2010（5）：20-22.

[4]鄭穎航，丁天懷，李 勇. 基于電阻測量原理的新型棉花水分在線自動測量儀[J]. 儀表技術與傳感器，2002（7）：21-22，28.

[5]Zhang Y J，Seichi O. New density-independent moisture measurement using microwave phase shifts at two frequencies[J]. Instrumentation and Measurement，1999，48（6）： 1208-1211.

[6]Pelletier M G，Lubbock T X. Mositure measurement system for seed cotton or lint：US，7330034B1[P]. 2004-12-14.

[7]李玉忠. 微波水分測量技術發展歷史及微波水分計制造業現狀[J]. 分析儀器，2006（3）：49-53.

[8]黎澤倫，黃志誠，黃友均，等. 微波水分測量儀的設計[J]. 農業機械學報，2009，40（2）：81-83.

[9]孫必成，陳美玉，孫潤軍. 微波測量纖維含水率的方法[J]. 毛紡科技，2009，37（6）：54-56.

[10]何永政，韓 剛. 淺析棉包回潮率測試新技術——微波法[J]. 中國纖檢，2012（21）：66-69.

[11]楊河清，程 冰，葉正文，等. 多種物料水分在線自動檢測技術的開發[J]. 燒結球團，2009，34（3）：41-44.

[12]董鵬輝.基于近紅外線的紙張水分及定量測量技術研究[D]. 西安：長安大學，2009：1-75.

[13]Thomasson J A. Cotton moisture measurement with a black-and-white video camera[J]. Applied Engineering in Agriculture，1995，11（3）： 371-375.

[14]胡智宏，鄒 琳. 便攜電容式棉花含水量測量儀[J]. 儀表技術與傳感器，2008（7）：19-21.

[15]王 偉，張洪州，李建軍，等. 高精度數字化棉花水分智能檢測儀：中國，201110095934[P]. 2011-04-18.

[16]Byler R K. Resistance-type portable cotton lint moisture meter[J]. American Society of Agricultural and Biological Engineers，2006，22（1）： 13-17.

[17]張明柱. 新技術在電測器上的應用研究[J]. 中國纖檢，2012（13）：68-69.

[18]范力旻. 新型棉花水分測試儀[J]. 中國棉花，2007，34（12）：12-13.

[19]倪玉婷. 溫濕度對棉花回潮率測定影響研究及新型電測器的研制——訪中國纖維檢驗局總工程師徐水波[J]. 中國纖檢，2009（2）：10-13.

[20]韓 剛，何嘉磷，張明柱，等. 一種棉花水分測定儀：中國，200720126242[P]. 2007-10-30.endprint

2.5 電阻式棉花回潮率測量方法

電阻式測量法是利用不同回潮率的棉纖維具有不同電阻值的特點進行棉花回潮率測量的方法，目前該方法在我國使用較普遍。在測量過程中，主要根據棉纖維的電阻值與回潮率呈負相關變化的規律，在一定密度、電壓、溫濕度等情況下，將棉纖維作為一個電阻接在電路里，通過測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，采用該方法時須有溫濕度傳感器、溫度補償電路、密度補償裝置及穩定電壓等，確保一定的溫度、密度及電壓等。

自2007年以來，我國纖維檢驗局、農業部種植管理司等開展了“溫濕度對棉花回潮率測量影響及新型電測器”的研究，確定了棉纖維導電性能與溫度之間關系的數學模型，研制出單一90 V直流電壓的新型棉花回潮測量儀[19]，克服了溫度及電壓對測量結果的影響。為克服密度的影響，一些研究人員研制了具有密度補償裝置的回潮率測量儀器[20]，可保證適宜的密度測量環境，但是這些需要先取樣再測量。這種方法在棉花回潮率很低時，電阻值很大，流過待測棉花的電流值就很小，此時的小電流不易測量，難以保證測量精度。

3 結論與討論

運棉車內籽棉回潮率的測量通常是在室外進行的，測量環境較惡劣、干擾因素較多且被測對象數量較多，因此對測量方法要求較高，測量裝置應具有對周圍測量環境要求較低、測量速度快等特點。通過上述對微波式、紅外線式、CCD式、電容式和電阻式棉花回潮率測量方法的原理及特點進行分析可知，微波式、紅外線式與CCD式測量時易受外界干擾，對測量環境要求較高，而棉花加工廠各種干擾因素較多，不利于這3種方法的有效測量。電容式及電阻式的測量速度較快，且不易受測量環境的影響，但是電容式的測量成本普遍高于電阻式，很難廣泛使用。根據棉花加工廠對運棉車內籽棉回潮率的測量要求及上述各種測量方法的原理及特點可知，電阻式測量方法以其測量速度快、抗干擾、成本低等優點較適用于運棉車內籽棉回潮率的測量。

4 展望

運棉車內籽棉回潮率的測量是棉花收購的重要指標之一。目前，運棉車內籽棉回潮率的測量主要存在以下問題：（1）采集深度低于50 cm時，運棉車內部的數據就難以采集；（2）每次僅能對單點數據進行采集，需要多次采集求平均值，采集時間長，采集效率低；（3）數據結果需要人力記錄、統計，人為因素對數據的準確性影響很大；（4）數據的管理分析難度高，企業難以進行信息化管理等。因此，運棉車內籽棉回潮率的測量朝著多點測量、自動化、智能化的方向發展是必然趨勢；而且籽棉回潮率的測量與含雜率的檢測集成一體，信息管理一體化是未來棉花收購的發展方向。

參考文獻：

[1]張紅戰. 回潮率對棉花加工工藝系統的影響[J]. 中國棉花加工，2008（4）：19，21.

[2]路紋紋，呂新民，張立明，等. 棉花水分測試儀的設計[J]. 農機化研究，2008（5）：89-92.

[3]張建柱. 我國棉花回潮率電測器技術發展綜述[J]. 中國棉花加工，2010（5）：20-22.

[4]鄭穎航，丁天懷，李 勇. 基于電阻測量原理的新型棉花水分在線自動測量儀[J]. 儀表技術與傳感器，2002（7）：21-22，28.

[5]Zhang Y J，Seichi O. New density-independent moisture measurement using microwave phase shifts at two frequencies[J]. Instrumentation and Measurement，1999，48（6）： 1208-1211.

[6]Pelletier M G，Lubbock T X. Mositure measurement system for seed cotton or lint：US，7330034B1[P]. 2004-12-14.

[7]李玉忠. 微波水分測量技術發展歷史及微波水分計制造業現狀[J]. 分析儀器，2006（3）：49-53.

[8]黎澤倫，黃志誠，黃友均，等. 微波水分測量儀的設計[J]. 農業機械學報，2009，40（2）：81-83.

[9]孫必成，陳美玉，孫潤軍. 微波測量纖維含水率的方法[J]. 毛紡科技，2009，37（6）：54-56.

[10]何永政，韓 剛. 淺析棉包回潮率測試新技術——微波法[J]. 中國纖檢，2012（21）：66-69.

[11]楊河清，程 冰，葉正文，等. 多種物料水分在線自動檢測技術的開發[J]. 燒結球團，2009，34（3）：41-44.

[12]董鵬輝.基于近紅外線的紙張水分及定量測量技術研究[D]. 西安：長安大學，2009：1-75.

[13]Thomasson J A. Cotton moisture measurement with a black-and-white video camera[J]. Applied Engineering in Agriculture，1995，11（3）： 371-375.

[14]胡智宏，鄒 琳. 便攜電容式棉花含水量測量儀[J]. 儀表技術與傳感器，2008（7）：19-21.

[15]王 偉，張洪州，李建軍，等. 高精度數字化棉花水分智能檢測儀：中國，201110095934[P]. 2011-04-18.

[16]Byler R K. Resistance-type portable cotton lint moisture meter[J]. American Society of Agricultural and Biological Engineers，2006，22（1）： 13-17.

[17]張明柱. 新技術在電測器上的應用研究[J]. 中國纖檢，2012（13）：68-69.

[18]范力旻. 新型棉花水分測試儀[J]. 中國棉花，2007，34（12）：12-13.

[19]倪玉婷. 溫濕度對棉花回潮率測定影響研究及新型電測器的研制——訪中國纖維檢驗局總工程師徐水波[J]. 中國纖檢，2009（2）：10-13.

[20]韓 剛，何嘉磷，張明柱，等. 一種棉花水分測定儀：中國，200720126242[P]. 2007-10-30.endprint

2.5 電阻式棉花回潮率測量方法

電阻式測量法是利用不同回潮率的棉纖維具有不同電阻值的特點進行棉花回潮率測量的方法，目前該方法在我國使用較普遍。在測量過程中，主要根據棉纖維的電阻值與回潮率呈負相關變化的規律，在一定密度、電壓、溫濕度等情況下，將棉纖維作為一個電阻接在電路里，通過測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，采用該方法時須有溫濕度傳感器、溫度補償電路、密度補償裝置及穩定電壓等，確保一定的溫度、密度及電壓等。

自2007年以來，我國纖維檢驗局、農業部種植管理司等開展了“溫濕度對棉花回潮率測量影響及新型電測器”的研究，確定了棉纖維導電性能與溫度之間關系的數學模型，研制出單一90 V直流電壓的新型棉花回潮測量儀[19]，克服了溫度及電壓對測量結果的影響。為克服密度的影響，一些研究人員研制了具有密度補償裝置的回潮率測量儀器[20]，可保證適宜的密度測量環境，但是這些需要先取樣再測量。這種方法在棉花回潮率很低時，電阻值很大，流過待測棉花的電流值就很小，此時的小電流不易測量，難以保證測量精度。

3 結論與討論

運棉車內籽棉回潮率的測量通常是在室外進行的，測量環境較惡劣、干擾因素較多且被測對象數量較多，因此對測量方法要求較高，測量裝置應具有對周圍測量環境要求較低、測量速度快等特點。通過上述對微波式、紅外線式、CCD式、電容式和電阻式棉花回潮率測量方法的原理及特點進行分析可知，微波式、紅外線式與CCD式測量時易受外界干擾，對測量環境要求較高，而棉花加工廠各種干擾因素較多，不利于這3種方法的有效測量。電容式及電阻式的測量速度較快，且不易受測量環境的影響，但是電容式的測量成本普遍高于電阻式，很難廣泛使用。根據棉花加工廠對運棉車內籽棉回潮率的測量要求及上述各種測量方法的原理及特點可知，電阻式測量方法以其測量速度快、抗干擾、成本低等優點較適用于運棉車內籽棉回潮率的測量。

4 展望

運棉車內籽棉回潮率的測量是棉花收購的重要指標之一。目前，運棉車內籽棉回潮率的測量主要存在以下問題：（1）采集深度低于50 cm時，運棉車內部的數據就難以采集；（2）每次僅能對單點數據進行采集，需要多次采集求平均值，采集時間長，采集效率低；（3）數據結果需要人力記錄、統計，人為因素對數據的準確性影響很大；（4）數據的管理分析難度高，企業難以進行信息化管理等。因此，運棉車內籽棉回潮率的測量朝著多點測量、自動化、智能化的方向發展是必然趨勢；而且籽棉回潮率的測量與含雜率的檢測集成一體，信息管理一體化是未來棉花收購的發展方向。

參考文獻：

[1]張紅戰. 回潮率對棉花加工工藝系統的影響[J]. 中國棉花加工，2008（4）：19，21.

[2]路紋紋，呂新民，張立明，等. 棉花水分測試儀的設計[J]. 農機化研究，2008（5）：89-92.

[3]張建柱. 我國棉花回潮率電測器技術發展綜述[J]. 中國棉花加工，2010（5）：20-22.

[4]鄭穎航，丁天懷，李 勇. 基于電阻測量原理的新型棉花水分在線自動測量儀[J]. 儀表技術與傳感器，2002（7）：21-22，28.

[5]Zhang Y J，Seichi O. New density-independent moisture measurement using microwave phase shifts at two frequencies[J]. Instrumentation and Measurement，1999，48（6）： 1208-1211.

[6]Pelletier M G，Lubbock T X. Mositure measurement system for seed cotton or lint：US，7330034B1[P]. 2004-12-14.

[7]李玉忠. 微波水分測量技術發展歷史及微波水分計制造業現狀[J]. 分析儀器，2006（3）：49-53.

[8]黎澤倫，黃志誠，黃友均，等. 微波水分測量儀的設計[J]. 農業機械學報，2009，40（2）：81-83.

[9]孫必成，陳美玉，孫潤軍. 微波測量纖維含水率的方法[J]. 毛紡科技，2009，37（6）：54-56.

[10]何永政，韓 剛. 淺析棉包回潮率測試新技術——微波法[J]. 中國纖檢，2012（21）：66-69.

[11]楊河清，程 冰，葉正文，等. 多種物料水分在線自動檢測技術的開發[J]. 燒結球團，2009，34（3）：41-44.

[12]董鵬輝.基于近紅外線的紙張水分及定量測量技術研究[D]. 西安：長安大學，2009：1-75.

[13]Thomasson J A. Cotton moisture measurement with a black-and-white video camera[J]. Applied Engineering in Agriculture，1995，11（3）： 371-375.

[14]胡智宏，鄒 琳. 便攜電容式棉花含水量測量儀[J]. 儀表技術與傳感器，2008（7）：19-21.

[15]王 偉，張洪州，李建軍，等. 高精度數字化棉花水分智能檢測儀：中國，201110095934[P]. 2011-04-18.

[16]Byler R K. Resistance-type portable cotton lint moisture meter[J]. American Society of Agricultural and Biological Engineers，2006，22（1）： 13-17.

[17]張明柱. 新技術在電測器上的應用研究[J]. 中國纖檢，2012（13）：68-69.

[18]范力旻. 新型棉花水分測試儀[J]. 中國棉花，2007，34（12）：12-13.

[19]倪玉婷. 溫濕度對棉花回潮率測定影響研究及新型電測器的研制——訪中國纖維檢驗局總工程師徐水波[J]. 中國纖檢，2009（2）：10-13.

[20]韓 剛，何嘉磷，張明柱，等. 一種棉花水分測定儀：中國，200720126242[P]. 2007-10-30.endprint