農產品水分測量技術綜述

鄒治軍

(南京科技職業學院，江蘇南京 210048)

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農產品水分測量技術綜述

鄒治軍

(南京科技職業學院，江蘇南京 210048)

論述了國內外廣泛應用的農作物水分測量技術的工作原理和性能。利用微波實現水分的實時在線檢測具有突出的優點，著重介紹了微波水分檢測的原理和發展現狀。

水分；介電常數；紅外；微波；諧振腔

水分是指液體或固體中水的含量。在進行農產品品質評價時，水分是考慮的主要指標之一。目前，常用的農產品水分檢測方法按照原理不同可以分為直接法和間接法兩大類[1]。直接法采用烘箱干燥或化學方法檢測水分，檢測精度高，但不適合在線檢測，通常把它作為評價其他檢測方法的標準方法。間接法通過測量與水分有關的電量(如電導率、介電常數)或非電量(如微波幅度、相位、頻率)的變化來檢測水分。間接法主要包括電阻法、電容法、中子法、紅外法、微波法等方法。筆者對農產品水分間接檢測法的原理、特點及發展現狀進行詳細介紹。

1 電阻法

電阻法基于兩電極間的直流電阻與谷物水分存在對數成線性關系的原理[2]。通過測量電極間的電阻值，可以計算得到谷物的水分。電阻法電路結構簡單，檢測快速。由于物料水分分布的不均勻性，電阻法的測量誤差較大，而且測量結果僅是局部水分而非平均水分。目前，電阻法主要用于測量電導率受水分影響較大的物料。

2 電容法

電容器的電容量與兩極板間介質的介電常數呈正比關系。電容量的大小反映介質的含水率。電容法精度高，抗干擾能力及抗寄生電容能力強[3]，但是電容量受溫度及其他因素的影響(如體積、密度、品種等)較大，因此需考慮溫度補償和非線性補償的問題。李慶先等[4]分析了電容式水分傳感器的非線性影響因素與影響機理，提出對非線性影響補償的校正方法。中國農業大學自主開發的電容式水分傳感器及信號處理裝置實現了聯合收割機谷物水分的實時在線測量[5]。

3 中子法

中子法利用水中的氫原子對快中子的減速作用形成慢中子，通過測量慢中子(即衰減程度)來確定水分。該方法檢測快速，不破壞物質自然結構。缺點是價格昂貴，必須嚴防射線泄露。該方法目前在一些發達國家已被禁止使用。

4 紅外法

紅外法利用水分子對特定波長的紅外線吸收強烈的原理實現水分檢測。紅外法響應速度快，測量水分范圍大，但只能測量物料的表面水分。物料溫度、物料的光學特性如顏色、光密度以及物料表面特征如表面結構、粒度會影響測量結果。針對紅外水分儀在水分測量過程中受溫度、背景光影響等問題，朱冰釵等[6]引入基于BP神經網絡的多傳感器數據融合技術，有效解決溫度和背景光對測量精度的影響。

5 微波法

微波水分檢測根據被測物料的介電常數與非電量參數(如微波幅度、相位、頻率等)之間存在的函數關系，通過測量物料水分引起微波信號的相位移與衰減量計算得到含水量[7]。微波水分檢測方法分為微波反射法、微波透射法和微波諧振腔法。微波透射法存在微波耦合到自由空間的情況，所以采用透射法測量易受到外界干擾。微波諧振腔具有很好的抗干擾和抗靜電干擾能力。Kraszewski[8]綜述了微波水分檢測設備的相關問題，并且指出未來的發展趨勢。目前國外生產的各種微波水分測量儀器價格較昂貴。為全面提升我國農業裝備制造業科技創新能力，科技部啟動了“十一五”國家科技支撐計劃“多功能農業裝備與設施研制”重大項目。在中國農業機械化科學研究院制定的課題申請指南中，明確提出研究微波在線式糧食水分檢測技術[9]。

5.1 微波透射法 Kraszewski[10]論述了微波測量物料水分的一般原理。微波透射法通過測量透射物料后的微波相位移與衰減量確定物料水分含量。透射法檢測速度快，靈敏度高，不需要接觸被測物，屬于無損檢測，但是測量精度受物料密度的影響。Kraszewski等[11]針對谷物密度變化對測量結果的影響，提出對微波衰減和相位移同時進行測量。張陽軍等[12]使用兩個不同的微波頻率分別透射物料，通過測量不同頻率下微波相位移參數，實現物料厚度和密度不相關的水分檢測，試驗結果均差為1.4%，最大誤差為4.4%。Trabelsi等[13]根據容積密度與相對復介電常數的關系，提出一個密度不相關函數應用于微波水分檢測。蔣蓓[14]研制了木材單板含水率在線測量系統，實現了單板水分的在線測量。

5.2 微波反射法 微波反射法依據微波反射參量如相位移、衰減量與物料水分之間的非線性函數關系，通過測量微波反射參量確定物料水分。丁言鎂等[15]研究了利用微波測量介質內部局部相對濕度的方法，但沒有考慮密度、環境溫度等因素對測量精度的影響。

5.3 微波諧振腔法 微波諧振腔法通過測量諧振頻率的偏移和諧振腔的品質因數確定物料含水率。該方法的分辨力和測量精度較高。通過計算介電常數和衰減因子的比值可消除密度對測量結果的影響，從而實現與密度無關的微波諧振腔水分測量。Kraszewski等[16]實現了微波諧振腔技術對單粒大豆種子的水分測量。尤田束[17]利用微波諧振器技術測定任意形狀的物體。姜宇等[18-19]論述了微波諧振腔含水率傳感器的設計方法，建立了微波諧振腔諧振頻率、品質因數與物料水分的數學模型。楊蘋等[20]研制了基于微波諧振器的谷物濕度檢測系統。韓凌[21]研制了基于微波諧振腔技術的水分儀，并且針對同軸諧振腔水分傳感器的穩定性、分辨力和重復性進行了研究。姜宇等[22]研究了IA_BP算法對微波諧振器濕度測量結果的校正，提高了水分測量精度。

6 結語

目前，我國谷物含水率檢測主要采用基于電容法和紅外法的國外進口設備。當谷物水分過低或過高時，電容法無法精確測量。紅外法水分檢測儀價格昂貴。微波法測量快速，精度高，而且實現不接觸、非破壞，因此這是實時在線測量物料含水率的理想方法，在糧食生產、加工和儲藏領域有廣闊的市場前景。

[1] 龔紅菊，姬長英.谷物水分測量方法的比較研究[J].糧油加工與食品機械，2006(6)：60-66.

[2] BRIGGS L J.An electrical resistance method for the rapid determination of the moisture content of grain[J].Science，1908，28(727)：810-813.

[3] 翟寶峰，白媛.電容式糧食水分檢測儀的設計[J].遼寧工學院學報，2002，23(1)：34-35.

[4] 李慶先，騰召勝，羅志坤.電容式水分傳感器的非線性特性與改善方法[J].測試技術學報，2007，21(5)：424-427.

[5] 方建卿.聯合收割機谷物含水率在線測量技術研究[D].北京：中國農業大學，2005.

[6] 朱冰釵，鄭崇蘇.多傳感器數據融合技術在紅外水分儀中的應用[J].福州大學學報：自然科學版，2005，33(5)：610-613.

[7] 周在杞，周克印，許會.微波檢測技術[M].北京：化學工業出版社，2008.

[8] KRASZEWSKI A W.Microwave aquametry-needs and perspectives[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1991，30(1)：828-835.

[9] 中國農業機械化科學研究院.“十一五”國家科技支撐計劃重大項目“多功能農業裝備與設施研制”課題申請指南[Z].北京：中國農業機械化科學研究院，2007.

[10] KRASZEWSKI A W.Microwave instrumentation for moisture content measurement[J].Microwave Power，1973，8(3)：323-335.

[11] KRASZEWSKI A W，KULINSKY S.An improved microwave method of moisture content and control[J].IEEE Trans Industr-electronics and Control Inste，1976，23(4)：364-370.

[12] ZHANG Y J，OKAMURA S.New density-independent moisture measurement using microwave phase shifts at two frequencies[J].IEEE Trans Instrumentation and Measurement，1999，48(6)：1208-1211.

[13] TRABELSI S，KRASZEWSKI A W，NELSON S O.A New density-independent function microwave moisture content determination in particulate materials[J].IEEE Trans Instrumentation and Measurement，1997，5：648-652.

[14] 蔣蓓.基于微波測量原理的單板含水率在線測量系統[D].北京：北京林業大學，2007.

[15] 丁言鎂，左春英，李基好.反射式微波濕度分布檢測模型的構建[J].儀表計算與傳感器，2004(10)：52-53.

[16] KRASZEWSKI A W，YOU T S，NELSON S O.Microwave resonator technique for moisture content determination in single soybean seeds [J].IEEE Trans on Instrumentation and Measurement，1989，38(1)：79-84.

[17] 尤田束.用微波諧振腔技術測定任意形狀生物體的濕度[J].微波學報，1998，14(2)：167-174.

[18] 姜宇，曹軍，楊國輝.微波諧振腔含水率傳感器的設計方法[J].現代科學儀器，2006(2)：26-29.

[19] 姜宇，丁雪梅，楊國輝.基于微波諧振腔的濕度傳感器[J].儀表計算與傳感器，2006(5)：3-5.

[20] 楊蘋，嚴珩銘，于文益.基于微波諧振器的谷物濕度檢測系統[J].機械工程學報，2007，43(1)：229-234.

[21] 韓凌.基于微波諧振腔技術的水分儀設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[22] 姜宇，曹軍，楊國輝.IA-BP算法在諧振腔物料水分測量中的應用[J].哈爾濱商業大學學報，2006，22(2)：71-75.

Overview of Technology for Determination of Moisture Content in Agricultural Products

ZOU Zhi-jun

(Nanjing Polytechnic Institute, Nanjing, Jiangsu 210048)

This paper describes the theory and performance of widely used techniques for determination of moisture content in agricultural products at home and abroad. Microwave technology has the outstanding advantages for real-time, on-line monitoring and control of moisture content, so the paper also describes in detail the theory and research advances of techniques based on the microwave technology for determination of moisture content.

Moisture content; Permittivity; Infrared; Microwave; Resonant cavity

鄒治軍(1976- )，男，江西宜春人，講師，碩士，從事智能檢測與智能控制方面的研究。

2015-04-27

S 126

A

0517-6611(2015)17-352-01