紡織品含水率測量方法研究進(jìn)展

齊翀 向忠 胡旭東

摘要：為有效解決紡織品在紡織印染過程中水分含量無法實(shí)時精確控制的問題，提升紡織產(chǎn)品綜合性能，對現(xiàn)階段紡織品生產(chǎn)及使用過程中因含水率過高、過低而引起的產(chǎn)品缺陷、設(shè)備磨損問題以及紡織品含水率研究背景和研究價值進(jìn)行了介紹。闡述了紡織品含水率測量的7種方法，即烘箱法、電阻法、電容法、近紅外光譜法、中子法、核磁共振法、微波法，分析了各個測量方法的特點(diǎn)、精度、適用范圍以及最新進(jìn)展，并對紡織品含水率研究成果進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)果表明，隨著工藝要求、測量精度的不斷提高，微波法由于其在線、實(shí)時、非接觸、高精度測量等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為紡織品含水率測量的主要測量方法。目前對于微波法測量的應(yīng)用還處于起步階段，測量時需標(biāo)定每一種紡織品的含水率曲線，這就需要大量的實(shí)驗(yàn)樣品以及數(shù)據(jù)庫。但是紡織品的種類繁多、編織結(jié)構(gòu)多樣，很難做到對所有紡織品含水率曲線的標(biāo)定，因此，應(yīng)從紡織纖維的微觀機(jī)理、混合物介電常數(shù)等方面去進(jìn)一步研究，解決微波法的普遍適用性。

關(guān)鍵詞：紡織品;含水率;紅外測量;微波測量;在線測量;介電常數(shù)

中圖分類號：TS103文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-265X（2020）01-0052-10

Advance in Research on Moisture Content Measuring Method for Textiles

QI Chong， XIANG Zhong， HU Xudong

Abstract：In order to realize realtime precise control of moisture content of textiles during printing and dyeing， and improve the comprehensive performance of textile products， this study covers product defects and equipment wear caused by excessively high or low moisture content in the process of textile production and use at present， and the research background and value of textile moisture content. Seven measuring methods for moisture content of textiles， including ovendrying method， resistivity method， capacitance method， near infrared spectroscopy， neutron method， nuclear magnetic resonance method and microwave method were introduced， the features， precision， scope of application and latest progress of the methods were analyzed， and the research achievements of textile moisture content were also summarized. Results show that as more demanding requirements for process and measurement accuracy are made， the microwave method has become the main measuring method for textile moisture content for its advantages of being online， realtime， noncontact and highprecision. Nevertheless， the application of the microwave measuring method is still in its initial stage. With this method， it is required to calibrate moisture content curve of all types of textile， which requires a large number of experimental samples and database. Considering that there is a great variety of textiles of various weaving structures and it is difficult to calibrate the moisture content curve of all textiles， it is supposed to conduct further study from the microscopic mechanism of textile fibers and dielectric constant of mixtures to realize universal applicability of microwave method.

Key words：textile; moisture content; infrared measurement; microwave measurement; online measurement; dielectric constant

含水率表示物質(zhì)中所含水分的百分比，通常也叫做濕度，是衡量織物干燥程度的一個重要技術(shù)指標(biāo)[1]。在紡織印染加工工藝中，溫度、環(huán)境濕度、壓力等外界因素都會對織物含水率的測量精度與測量范圍造成一定的影響[2]。同時，水分含量對于織物的物理、熱學(xué)、光學(xué)以及導(dǎo)電特性也有著顯著影響。隨著紡織行業(yè)不斷的進(jìn)步發(fā)展，對紡織產(chǎn)品質(zhì)量要求也不斷提高，“十三五”發(fā)展規(guī)劃提出紡織工業(yè)需轉(zhuǎn)型升級，創(chuàng)造競爭優(yōu)勢，推動紡織工業(yè)節(jié)能減排，發(fā)展綠色、低碳經(jīng)濟(jì)，這就需要在紡織印染工藝中對織物含水率實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時檢測。因此，對于織物含水率測量方法的研究，具有非常重要的科學(xué)和應(yīng)用價值。

本文詳細(xì)綜述了織物含水率測量方法的影響因素以及發(fā)展?fàn)顩r，并對各測量方法所面臨的行業(yè)問題進(jìn)行簡要分析，提出了相應(yīng)的改良建議，以期對未來紡織品含水率的研究與應(yīng)用提供幫助。

1織物含水率測量方法

為了滿足時代發(fā)展的需要，織物含水率的測量要盡可能達(dá)到高精度、寬范圍，滿足實(shí)時性和適用性。目前，含水率測量方法主要分為烘箱法、電阻法、電容法、近紅外光譜法、中子法、核磁共振法以及微波法，現(xiàn)分別介紹如下。

1.1烘箱法

烘箱法的測量原理[3]是采用電子天平測量待測織物和水的總重量，再用電烘箱將織物加熱烘干至完全干燥，通過稱量獲取烘干后織物的干重，如式（1）所示，即可得到待測織物的含水率。

M/%=w0-w1w0×100（1）

式中：M為織物含水率，%;w0為織物和水的總重量，g;w1為織物的干重，g。

烘箱法屬于直接測量，操作簡便、精度高，一般用作實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和檢驗(yàn)其他方法的精確度;但在實(shí)際操作過程中，由于人為操作、環(huán)境溫濕度的影響，測量結(jié)果往往存在延遲，無法獲取織物的實(shí)時含水率。同時，烘箱法屬于取樣測量，無法做到在線檢測，制約了其在生產(chǎn)線上的應(yīng)用與推廣[4]。

1.2電阻法

織物一般由纖維紗線通過不同編織方法與工藝加工而成，纖維性能和編織方法決定了織物的性能。以純紡棉織物為例，棉纖維由天然高分子化合物組成，纖維材料具有極高的絕緣性能，由其構(gòu)成的棉織物可以看作是絕緣體，但隨著水分的增加，導(dǎo)電性能逐步增強(qiáng)，棉纖維電阻受含水率、溫度、密度以及外加電壓的影響[5]，如式（2）所示。

Lgρ=C·t2-（A-B·M）·t（2）

式中：ρ為棉花質(zhì)量比電阻，表示長為1 cm和質(zhì)量為1 g的棉花的電阻，Ω·g/cm2;M為含水率;t為溫度，℃;A為0 ℃干燥狀態(tài)下ρ的對數(shù)隨溫度的變化率，其值為0.086 3/℃;B為0.005 35/℃;C為0.000 175/℃。

針對織物柔軟特性設(shè)計(jì)了適用于織物的含水率測量裝置[6]，原理如圖1（a）所示，待測織物夾在上下兩測量板之間，下方測量板（負(fù)）作為參考電極，上方測量板（正）通過調(diào)節(jié)正壓力F改變待測織物在兩測量板間的夾緊力度。由此，測量板（正）、織物、測量板（負(fù)）構(gòu)成一個電路。當(dāng)織物中的含水率M變化時，織物的電阻R0也相應(yīng)發(fā)生改變，標(biāo)定每一種織物的M-R0曲線，通過圖1（b）對織物電阻信號的采集和處理，即可根據(jù)獲取的電阻值按標(biāo)定曲線推算出織物的含水率。

電阻法屬于接觸式測量，優(yōu)點(diǎn)是成本低，速度快，缺點(diǎn)是精度不高，測量范圍小[7]。文獻(xiàn)[810]首先通過實(shí)驗(yàn)在電壓、時間、溫度條件下對不同類型的布進(jìn)行電阻研究，為后續(xù)電阻法研究奠定了基礎(chǔ);向忠等[11]通過單因素試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電阻法受測量條件（溫度、壓力、電壓、表面清潔程度等）影響很大，并從機(jī)械結(jié)構(gòu)入手對測量條件進(jìn)行調(diào)控，初步實(shí)現(xiàn)了織物含水率的測量，但測量精度有限且對于低水分高電阻織物無法獲取電阻;隨后景軍峰等[12]采用改進(jìn)型惠斯電橋，利用1 MΩ小電阻有效解決了織物高電阻問題;近年來，Casans等[1314]設(shè)計(jì)了更高效的電阻測量電路（如圖2所示），實(shí)現(xiàn)了低電壓（5 V）、高電阻

（100 GΩ）的纖維材料的電阻測量，提高了低水分高阻值織物的測量精度，擴(kuò)大測量范圍。時至今日，電阻法測量織物含水率的技術(shù)已然非常成熟，但是在印染行業(yè)中仍存在問題，一是依賴于織物的標(biāo)定曲線;二是接觸探頭與印染織物的長時間接觸，造成腐蝕，使用壽命減短;三是微弱電信號的精確采集問題。以期后續(xù)學(xué)者從以上幾方面對電阻法進(jìn)一步深入研究。

1.3電容法

織物的介電常數(shù)較低，在干燥狀態(tài)下約為1～4，而純水的介電常數(shù)很高，約為80，這一差異將會導(dǎo)致含水織物的混合介電常數(shù)隨著水分含量的變化而變化。基于電容器的工作原理，設(shè)計(jì)了適應(yīng)于織物的平行板電容器[15]，如圖3所示，它由兩塊相互平行的金屬板組成，中間放置待測織物，當(dāng)給平行板施加電壓時，兩平行板一個顯示正極，一個顯示負(fù)極，極板的電容為：

c=εsd（3）

式中：c為極板電容，F(xiàn);ε為極板介電常數(shù);d為極板間距，mm;s為極板面積，mm2。

由式（3）可知，當(dāng)極板的間距和面積一定時，電容受介電常數(shù)的影響，而介電常數(shù)又受織物含水率M的影響，因此，通過標(biāo)定每一種織物的M-c曲線，通過圖3（b）對電容信號的采集和數(shù)據(jù)處理，即可根據(jù)獲取的電容按標(biāo)定曲線推算出織物的含水率[16]。

電容法屬于接觸式測量，優(yōu)點(diǎn)是體積小，成本低，測量速度快、適用于在線水分測量，缺點(diǎn)是受到環(huán)境溫度、織物密度、種類等眾多因素的影響，精度較低[17]。Smith等[18]首次在低頻率實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的介電常數(shù)與電容存在聯(lián)系，為電容法奠定了基礎(chǔ)。Kandala等[1920]基于平行板電容器原理，建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)方程，測量電容與相位角的關(guān)系，并成功應(yīng)用于糧食工業(yè)中。隨后Parsons等[21]將測量裝置進(jìn)一步簡化，設(shè)計(jì)了探針式EC5傳感器，并且從環(huán)境溫度、樣品體積、信號穩(wěn)定等方面進(jìn)行評估，保證其可靠性;為了使用的方便，Mcintosh等[22]進(jìn)一步將測量裝置優(yōu)化，設(shè)計(jì)成手持式的電容傳感器。但隨著測量裝置體積越來越小，測量過程的便捷化，其測量精度隨之降低。因此，馬彥霞等[23]利用集成芯片CAV424構(gòu)成信號處理電路，通過軟件溫度補(bǔ)償，并成功的將其應(yīng)用于織物纖維水分測量中，但是仍存在因高頻帶來的信號誤差以及非線性問題;隨后王曉雷等[24]通過附加電阻的方法來消除因高頻帶來的電導(dǎo)影響;劉海波[25]、李慶先等[26]采用函數(shù)鏈接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對電容非線性進(jìn)行處理以及利用最小二乘法對回歸模型補(bǔ)償優(yōu)化，取得比較顯著的效果。但在紡織印染行業(yè)中仍存在問題，一是依賴于織物的標(biāo)定曲線;二是紡織印染廠的溫濕度很高，實(shí)際中電容法的穩(wěn)定性差。

1.4近紅外光譜法

水分子由一個氧原子和兩個氫原子以150度3分的夾角組合而成，形成穩(wěn)定分子結(jié)構(gòu)時，近紅外光會對水分子中的含氫基團(tuán)產(chǎn)生近紅外光譜，在一定波段范圍內(nèi)，近紅外光易被水分子吸收發(fā)生能量的衰減[27]：

I=I0eαcd（4）

式中：I0為入射光強(qiáng);I為出射或反射光強(qiáng);c為物品組分濃度;α為吸收系數(shù);d為物品吸收層厚度，mm。

近紅外光譜法測量原理如圖4（a）所示，當(dāng)近紅外光照射含水織物時，織物中水分子內(nèi)的H—O鍵、水分子與水分子之間的H—H鍵便會吸收部分紅外光，使近紅外光的能量發(fā)生衰減，而衰減程度與被照射的水分子的數(shù)量成正比[28]，標(biāo)定每一種織物的衰減含水率曲線，通過圖4（b）對近紅外線的衰減信號進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理，即可根據(jù)獲取的衰減信號按標(biāo)定曲線推算出織物的含水率[29]。

近紅外光譜法屬于非接觸測量，優(yōu)點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、測量速度快，缺點(diǎn)是近紅外光易受顏色、紋理等因素干擾。1935年，Gordy等[3031]最早研究發(fā)現(xiàn)氰化物溶液對近紅外光的吸收，隨后在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析發(fā)現(xiàn)氫鍵（X—H）的振動是吸收近紅外光的主要原因，為近紅外法奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)60年代初到90年代末，研究人員[3233]對近紅外光水分測量的研究逐漸深入，并成功將近紅外水分測量技術(shù)應(yīng)用到紡織、農(nóng)業(yè)、建筑等眾多領(lǐng)域，測量方式也由實(shí)驗(yàn)室發(fā)展到工業(yè)在線測量，進(jìn)一步到手提式測量;2001年，董俠等[34]著重研究了含水平紋織物對紅外線透射性能的影響，從自由水與結(jié)合水所占比重、覆蓋系數(shù)等角度初步驗(yàn)證了近紅外光譜法在織物含水率測量上的可行性;在此基礎(chǔ)上，林曉鷹等[35]研制出能夠進(jìn)行連續(xù)、非接觸測量的近紅外水分測量裝置，但由于光電接收器件和系統(tǒng)信噪比的影響，測量范圍小，且誤差較大。2010年，Song等[36]研制了一種新型近紅外水分含量測定儀，采用積分球系統(tǒng)提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和信噪比;隨后，文獻(xiàn)[37-40]進(jìn)一步利用近紅外光譜成像技術(shù)更準(zhǔn)確更有效地控制織物中水分傳遞過程，也為未來更高精度的定點(diǎn)水分測量提供了方向;2016年，Dema等[41]采用與機(jī)器視覺相結(jié)合的方法，以圖像特征參數(shù)H、S、V建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，進(jìn)一步提高了測量的范圍和精度。但是在紡織印染行業(yè)中仍存在問題，一是依賴于織物的標(biāo)定曲線;二是織物表面顏色、編織形式等會對近紅外光的傳輸產(chǎn)生干擾，使測量結(jié)果不盡人意，因此在印染廠中近紅外光法的使用有一定的局限性。

1.5中子法

快中子是由核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的自由中子，可以通過慢化過程轉(zhuǎn)變?yōu)槁凶樱鴼湓訉儆诼w，通常作為中子慢化的減速劑[42]。當(dāng)快中子在介質(zhì)中高速運(yùn)動時，會與水分子中的氫原子發(fā)生碰撞損失部分能量而慢化，最后轉(zhuǎn)變成慢中子，測量原理圖如圖5（a）所示[43]。設(shè)中子能量為E0，質(zhì)量為m，氫原子核的質(zhì)量為M，當(dāng)中子與氫原子核相碰撞時，氫原子核受到反沖核的能量E：

E=E04Mm（M+m）2cos2φ（5）

式中：φ為反沖核沿中子入射方向飛出角[44]。

慢中子的數(shù)量與織物水分子含量存在線性關(guān)系，可以標(biāo)定每一種織物的慢中子數(shù)含水率曲線。通過圖5（b）對慢中子進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集，即可根據(jù)獲取的慢中子數(shù)按標(biāo)定曲線推算出織物的含水率[45]。

中子法屬于接觸式測量，優(yōu)點(diǎn)是精度高、測量速度快，缺點(diǎn)是成本高、存在安全隱患。1952年，Gardner等[46]最早開始對中子散射現(xiàn)象進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了中子碰撞能量衰減特性，為中子法水分測量奠定了基礎(chǔ);為了能更加準(zhǔn)確測量物品內(nèi)部的水分含量，Douglass等[47]開始采用中子探針測量土壤含水率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明探針式水分測量能更好的體現(xiàn)材料的內(nèi)部含水率。但在實(shí)驗(yàn)的過程中，他們并沒有考慮外界因素的干擾，Hewlett等[48]、Avery等[49]從不同角度對中子法測量誤差進(jìn)行分析，排除儀器因素和標(biāo)定因素的干擾并建立統(tǒng)計(jì)模型，提高了測量精度。目前，中子法被普遍應(yīng)用于土壤含水率測量中，并且有著很高的收益。但在印染紡織中，由于環(huán)境溫濕度影響以及中子本身具有很強(qiáng)的穿透性，其輻射會影響人體健康，同時由于它高昂的設(shè)備價格，使其很難在紡織中普遍推廣。

1.6核磁共振法

核磁共振是指磁矩不為零的原子核，在外加磁場的作用下自旋，與交變磁場發(fā)生能量交換的現(xiàn)象[50]，原理如圖6所示。在靜電場B0中，氫原子核被磁化，發(fā)生自旋，且磁化矢量M繞恒定磁場B0作拉莫爾進(jìn)動，此時，氫原子核在外磁場作用下處于動態(tài)平衡狀態(tài);當(dāng)再次施加一個與磁場B0垂直的射頻磁場B1時，磁化矢量M偏移原本平衡位置，以B1為軸作面螺旋線轉(zhuǎn)動;同時，氫原子從低能級轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芗墶Ｉ漕l停止后，氫原子核從非平衡狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)，氫原子又從高能態(tài)恢復(fù)至低能態(tài)，這一過程被稱作弛豫過程，而所需要的時間稱為弛豫時間[51]。通過核磁共振儀對弛豫時間和幅值的信號進(jìn)行采集，即可獲取氫原子數(shù)目，從而推算出含水率。圖6核磁共振法測量

核磁共振法屬于非接觸測量，優(yōu)點(diǎn)是精度高、測量速度快，能動態(tài)顯示水分分布，缺點(diǎn)是成本太高，很難在工業(yè)中普及。1986年，Cutmore等[52]基于核磁共振光譜原理采用核磁共振技術(shù)首次對物質(zhì)材料的含水率進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)信號衰減與樣品密度無關(guān)，且不受樣品大小的影響。2012年，張建峰等[53]利用核磁共振成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對介質(zhì)的三維模型構(gòu)建，推導(dǎo)出介質(zhì)不同部位的信號幅值與水分含量的回歸函數(shù)關(guān)系;要世瑾等[54]宋平等[55]將核磁共振法應(yīng)用于糧食種子水分測量，根據(jù)弛豫時間呈現(xiàn)的多組分特征，揭示了種子內(nèi)水分連續(xù)變化規(guī)律;Kirtil等[56]在此基礎(chǔ)上將核磁共振技術(shù)與磁共振成像技術(shù)相結(jié)合，并成功的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中;2016年，Ji等[57]、Valori等[58]采用聚合法和形態(tài)學(xué)設(shè)計(jì)，對織物纖維表面接觸角、吸濕、吸濕距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過低頻核磁共振直觀地顯示了水在織物纖維中的狀態(tài)和分布;核磁共振法實(shí)現(xiàn)了非侵入、非破壞、高分辨力、無損檢測，穩(wěn)定性、實(shí)時性好，直觀地顯示了織物內(nèi)部水分的動態(tài)傳遞過程，但由于設(shè)備的高昂價格、車間的惡劣環(huán)境，使核磁共振法難以推廣。

1.7微波法

微波是頻率在300MHZ～300GHZ的電磁波，具有穿透、反射、吸收3個特性。在水中傳播時，易被吸收，會發(fā)生能量衰減和相位移動。根據(jù)測量過程中介質(zhì)所放位置不同，主要分為傳輸線法、空間測量法[59]。

傳輸線法是將待測材料放置于傳輸線內(nèi)部進(jìn)行測量的方法，而織物一般處于平整鋪開狀態(tài)，不適合采用傳輸線法。空間測量法是由同軸線或波導(dǎo)把電磁波引至發(fā)射天線，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳輸形式又分為透射法和反射法，測量原理圖分別如圖7（a）、圖7（b）所示，微波初始能量為Ein，由發(fā)射天線發(fā)射，照射織物時會發(fā)生透射或反射現(xiàn)象，由接收天線接收透射或反射后的微波。微波在織物中傳輸時，水分子將會吸收部分能量，造成損失Eloss，剩余的能量為Eout[6061]。

以微波透射法為例，在自由空間中，微波透射樣品時，其衰減A見下式：

A=10lgPinPout=20lgUinUout（6）

式中：Pin表示微波透射介質(zhì)前的輸入功率;Pout表示微波透射有損介質(zhì)之后的輸出功率。

由式（6）可知，微波透射織物前后的衰減量可以轉(zhuǎn)化為電壓值，因此通過圖7（c）、圖7（d）對微波衰減前后的電壓信號進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理，通過實(shí)驗(yàn)記錄不同含水率下的輸出電壓，即可通過標(biāo)定曲線獲取織物的含水率[6263]。圖7微波法測量

微波法屬于非接觸測量，優(yōu)點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、測量速度快、測量范圍大。20世紀(jì)40年代末，kraszewski等[64]最早開始對微波水分測量進(jìn)行研究，采用了一對喇叭天線，在自由空間中測量微波透射樣品的衰減和相移，這一研究成果證明了微波法的可行性。隨后大量學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究，80年代微波水分測量技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)展到紡織、建筑、農(nóng)業(yè)、能源等領(lǐng)域，測量方式由實(shí)驗(yàn)室測量發(fā)展到在線測量，測量方法也不再局限于自由空間，出現(xiàn)傳輸線技術(shù)、諧振腔技術(shù)[6566]。但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果受樣品厚度、密度的影響，在諧振腔中，還與樣品的位置有關(guān)系[67]。Nelson等[68]在進(jìn)行糧食水分測量時提出了有關(guān)糧食水分測量的密度無關(guān)因子ε（式（7）），根據(jù)該因子，可以實(shí)現(xiàn)對于糧食的無關(guān)密度測量，也為實(shí)現(xiàn)織物的無關(guān)種類的測量提供了思路和方向。在此基礎(chǔ)上，Meyer等[69]、Jacobsen等[70]基于復(fù)介電常數(shù)雙參數(shù)測量，擬合與密度無關(guān)的校準(zhǔn)曲線。

景軍峰等[71]、Pengfei等[72]以PLC為處理器，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理方法，通過標(biāo)定曲線初步實(shí)現(xiàn)了對棉布的水分測量;Delhom等[73]在實(shí)驗(yàn)室中采用微波法對棉纖維水分測量，精度可達(dá)0.1%;但是他們的研究局限于表面現(xiàn)象，測量范圍小，且受織物種類影響，不具有普遍適用性，對于每一種織物，都需要去重新標(biāo)定電壓含水率曲線;因此，Kim等[74]、Bier等[75]眾多學(xué)者重點(diǎn)研究了不同材料的有效介電常數(shù)，發(fā)現(xiàn)微波與介電常數(shù)之間存在聯(lián)系（式（8）、式（9）），利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀建立了水分與介電常數(shù)的模型，以介電常數(shù)為中間變量確立了微波衰減與含水量的關(guān)系，從而無需標(biāo)定曲線便可測量織物的含水率;隨后，Liu等[76]、Sankaralingam等[77]采用單因素實(shí)驗(yàn)的方法從織物種類、組織結(jié)構(gòu)等角度去分析織物介電常數(shù)，發(fā)現(xiàn)織物的介電常數(shù)與種類、組織結(jié)構(gòu)均存在聯(lián)系;在此基礎(chǔ)上，Bal等[78]、Yang等[79]對二相模型的織物介電性能進(jìn)行研究，比較了目前通用的3種模型的適用性（式（10）、式（11）、式（12）），發(fā)現(xiàn)對于不同材料，其適用性是不一樣的;文獻(xiàn)[80-83]進(jìn)一步研究含水混合物的介電常數(shù)模型，通過實(shí)驗(yàn)介電常數(shù)值與混合規(guī)則理論曲線相對比，分析了規(guī)則估計(jì)的理論誤差。

ξ=ε″ε′（afε′-ε″）（7）

ε′≈1+Δφλ0360d2（8）

ε″≈ΔAλ0ε′8.686πd（9）

式中：ε′為介電常數(shù)實(shí)部;ε″為介電常數(shù)虛部;ΔA為微波衰減，db;Δφ為相移;λ0為自由空間波長，mm;d為介質(zhì)厚度，mm;af為特定頻率下的斜率。

M=aε3+bε2+cε+d（10）

ε=εd+∑ni=1vi（εi-εd）3∑nj=11+εiε*-1aj-1（11）

ε1β=∑viε1βi（12）

式中：ε為混合介電常數(shù);M為含水率;εi和vi分別表示第i類客體的介電常數(shù)和所占體積比;n表示混合物中客體的數(shù)目，ε*表示混合物的表觀介電常數(shù)，β由混合物屬性決定。

式（10）為經(jīng)驗(yàn)公式，一般通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出;式（11）為介電理論模型;式（12）為介電混合模型。

以介電混合模型（式（12））為例，根據(jù)濕織物的組成原理，將干織物的密度ρd、介電常數(shù)εd代入公式化簡：ε1β=ε1βwρdρw-ε1βdM+ε1βd1-M（13）

結(jié)合微波在織物中的衰減公式（8）、式（9），即可推導(dǎo)出微波衰減與含水率的數(shù)學(xué)模型：

ΔA=20dπl(wèi)geλaM+b1-Mβ2（14）

式（14）僅僅是通過理論模型進(jìn)行推導(dǎo)得出的，而對于實(shí)驗(yàn)研究部分，目前還沒有學(xué)者進(jìn)行相關(guān)方面的研究。但是基于介電常數(shù)對微波衰減與含水率關(guān)系的研究已是未來發(fā)展的主要方向，通過織物介電常數(shù)實(shí)驗(yàn)對理論模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，將可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的無關(guān)種類、密度的測量。同時微波法是對微波能量衰減或相位移動進(jìn)行測量，不會對織物本身產(chǎn)生任何影響，也不受織物表面顏色、平整度等外界條件影響，在印染工藝中具有非常廣闊的應(yīng)用前景，以期后續(xù)學(xué)者對其深入研究。

2不同含水率測試方法比較

對于現(xiàn)有的含水率測量方法，都可以將其應(yīng)用于紡織品含水率測量中，但實(shí)際上它們都有著各自明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，具體如表1所示。

3結(jié)語

20世紀(jì)，電阻法和電容法憑借其成熟的技術(shù)、低廉的成本，在紡織印染廠中得到了廣泛應(yīng)用，但是隨著高新技術(shù)的發(fā)展以及產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，其低精度、小范圍測量已然無法滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求，在未來注定將被逐漸淘汰;近紅外光譜法在眾多領(lǐng)域的水分測量應(yīng)用中均取得了顯著成效，但是在紡織印染行業(yè)中，由于近紅外光的傳輸受織物表面顏色、紋理的影響，使得該技術(shù)在紡織品的應(yīng)用中受到限制，無法實(shí)現(xiàn)高精度測量;中子法和核磁共振法都能實(shí)現(xiàn)含水率的高精度、快速測量，但這兩種方法的測量成本高，無法做到在工業(yè)中進(jìn)行大規(guī)模推廣。除此之外，中子法還存在安全隱患，中子源有著很強(qiáng)的輻射作用，會對人體健康造成傷害。

微波法對于水分測量的研究從20世紀(jì)便開始，并且成功的應(yīng)用于眾多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。相較于其他幾種方法，其測量精度高、穩(wěn)定性好、不受織物顏色及紋理影響，同時成本不是太高，可在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行大規(guī)模推廣。微波法憑借測量范圍廣、精度高、在線非接觸等優(yōu)勢已得到企業(yè)的重點(diǎn)研究。其中PLEVA公司已成功研制出AF310測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過標(biāo)定曲線實(shí)現(xiàn)了對織物的含水率測量，精度可達(dá)±0.1%，測量范圍0～80%。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，微波法將成為未來紡織品含水率測量的主要研究方向。目前，采用微波法測量時仍主要依賴標(biāo)定曲線，由于織物種類繁多、編織結(jié)構(gòu)多樣，需要建立龐大的數(shù)據(jù)庫以及定期更新。但是已有部分學(xué)者從介電常數(shù)模型角度正在進(jìn)行無關(guān)種類方面的研究并取得了初步成果，以期后續(xù)的學(xué)者進(jìn)一步深入研究，分析理論模型的適用性，并建立能夠適用于任何織物的介電常數(shù)模型，從而擺脫標(biāo)定曲線的限制，這樣便可從根本上解決問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] GORJI M， BAGHERZADEH R. Moisture management behaviors of high wicking fabrics composed of profiled fiber[J]. Advances in Materials Science & Engineering， 2016，41（3）：318-324.

[2] ZHANG J， ZHANG X， FANG K， et al. Effect of the water content of padded cotton fabrics on reactive dye fixation in the padsteam process[J]. Coloration Technology， 2017，133（1）：57-64.

[3] 曹淇凇，石紅，邰文峰.紡織品纖維含量快速檢測方法研究[C]//全國印染助劑行業(yè)研討會暨江蘇省印染助劑情報(bào)站年會.2009.

[4] 王建君.紡織纖維水分測試方法研究與應(yīng)用[D].長沙：湖南大學(xué)，2007.

[5] 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(shù)與傳感器，2002（7）：21-22.

[6] 王建君，李曉峰.棉纖維水分檢測方法的研究[J].棉紡織技術(shù)，2003，31（12）：5-8.

[7] 李曉峰，羅佑新.苧麻纖維回潮率GM（1，2）模型的研究[J].紡織學(xué)報(bào)，2001，22（6）：28-30.

[8] HEARLE J W S. The electrical resistance of textile materials： a review of the literature[J]. Journal of the Textile Institute Proceedings， 1952，43（43）：194-223.

[9] ASANOVIC K A， MIHAJLIDI T A， MILOSAVLJEVIC S V， et al. Investigation of the electrical behavior of some textile materials[J]. Journal of Electrostatics， 2007，65（3）：162-167.

[10] MUSTATA F S C， MUSTATA A. Dielectric behaviour of some woven fabrics on the basis of natural cellulosic fibers[J]. Advances in Materials Science & Engineering， 2014，2014（2）：1-8.

[11] 向忠，汝晶煒，吳學(xué)進(jìn)，等.電阻式織物回潮率測量裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].紡織學(xué)報(bào)，2014，35（6）：130-134.

[12] 景軍鋒，李炫君，鳳婧，等.電阻式織物回潮率在線測量裝置的設(shè)計(jì)[J].棉紡織技術(shù)，2016，44（7）：27-31.

[13] CASANS S， IAKYMCHUK T， ROSADOMUOz A. High resistance measurement circuit for fiber materials： application to moisture content estimation[J]. Measurement， 2018， 119：167-174.

[14] CASANS S， ROSADOMMUOZ A， IAKYMCHUK T. Novel resistance measurement method： analysis of accuracy and thermal dependence with applications in fiber materials[J]. Sensors， 2016，16（12）：2129.

[15] 單成祥.傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.

[16] 沙小宇，趙建洋.織物含水率在線檢測研究與實(shí)現(xiàn)[J].輕紡工業(yè)與技術(shù)，2016，45（6）：51-52.

[17] 胡建東，趙向陽，李振峰，等.參數(shù)調(diào)制探針式電容土壤水分傳感技術(shù)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20（5）：1057-1060.

[18] SMITH D W. Multisensor MEMS for temperature， relative humidity， and highg shock monitoring[J]. Dissertations & ThesesGradworks， 2012，64（2）：11-17.

[19] KANDALA C V K， BUTTS C L， NELSON S O. Capacitance sensor for nondestructive measurement of moisture content in nuts and grain[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2007，56（5）：1809-1813.

[20] KANDALA C V， SUNDARAM J. Nondestructive measurement of moisture content using a parallelplate capacitance sensor for grain and nuts[J]. IEEE Sensors Journal， 2010，10（7）：1282-1287.

[21] PARSONS L R， BANDARANAYAKE W M. Performance of a new capacitance soil moisture probe in a sandy soil[J]. Soil Science Society of America Journal， 2009，73（4）：1378.

[22] MCINTOSH R B， CASADA M E. Fringing field capacitance sensor for measuring the moisture content of agricultural commodities[J]. IEEE Sensors Journal， 2008，8（3）：240-247.

[23] 馬彥霞，徐其迎，李健.紡織纖維含水率測量方法的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（32）：64-65.

[24] 王曉雷，任學(xué)軍，胡敬芳，等.附加電阻高頻電容法土壤水分傳感器的研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42（6）：689-692.

[25] 劉海波.函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電容水分傳感器非線性校正中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（1）：145-146.

[26] 李慶先，滕召勝，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(shù)學(xué)報(bào)，2007，21（5）：424-427.

[27] 嚴(yán)衍祿.近紅外光譜分析基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2005.

[28] 鄧孺孺，何穎清，秦雁，等.近紅外波段（900～2500nm）水吸收系數(shù)測量[J].遙感學(xué)報(bào)，2012，16（1）：192-206.

[29] 徐楓.近紅外水分儀的研制與開發(fā)[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[30] GORDY W， WILLIAMS D. The infrared absorption of cyanides and thiocyanates[J]. Journal of Chemical Physics，1935，3（11）：664.

[31] GORDY W. The infrared absorption of alcoholacetone mixtures[J]. Physical Review， 1936，50（12）：1151-1153.

[32] MESIC M， CORLUKA V， VALTER Z. Analysis of some parameters influencing moisture quantity measurements in wheat with NIR technique[C]// International Conference on Applied Electromagnetics & Communications. IEEE， 2006.

[33] GILLON D， DAURIAC F， Deshayes M， et al. Foliage moisture content and spectral characteristics using near infrared reflectance spectroscopy （NIRS）[C]//Proc. IV International Conference on Forest Research. 2002.

[34] 董俠，姚穆，張文清.含水織物的紅外透射性能[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，15（2）：38-40.

[35] 林曉鷹.近紅外水分儀的研制[J].中國儀器儀表，2001（2）：13-14.

[36] SONG Y， CHEN B， WANG S， et al. The novel integrating sphere type nearinfrared moisture determination instrument based on labVIEW[C]// International Conference on Computer and Computing Technologies in Agriculture. Springer， Berlin， Heidelberg， 2010.

[57] JI P， JIN J， CHEN X， et al. Characterization of water state and distribution in fibre materials by lowfield nuclear magnetic resonance[J]. RSC Advances， 2016，6（14）：11492-11500.

[58] VALORI A， MCDONALD P J， SCRIVENER K L. The morphology of C—S—H： Lessons from 1 H nuclear magnetic resonance relaxometry[J]. Cement & Concrete Research， 2013，49：65-81.

[59] 張克潛.微波與光電子學(xué)中的電磁理論[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[60] 李玉忠.微波水分測量技術(shù)發(fā)展歷史及微波水分計(jì)制造業(yè)現(xiàn)狀[J].分析儀器，2006（3）：49-53.

[61] 孫樂.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的織物含水率無損測量系統(tǒng)的研究[D].西安：西安工程大學(xué)，2012.

[62] 黎澤倫，黃志誠，黃友均，等.微波水分測量儀的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（2）：81-83.

[63] 徐浩，葉明.微波水分測量的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（5）：43-44.

[64] KRASZEWSKI A. Microwave aquametry[C]// European Microwave Conference. 1980.

[65] KING R J， KING K V， WOO K. Microwave moisture measurement of grains[J]. Instrumentation & Measurement IEEE Transactions on， 1992，41（1）：111-115.

[66] KLEIN A. Microwave moisture determination of coal.—A comparison of attenuation and phase measurement[C]// European Microwave Conference. 1980.

[67] MIYAI Y. A new microwave moisture meter for grains[J]. Journal of Microwave Power， 1978，13（2）：163-166.

[68] NELSON S O， KRASZEWSKI A W， TRABELSI S， et al. Using cereal grain permittivity for sensing moisture content[J]. Instrumentation & Measurement IEEE Transactions on， 2000，49（3）：470-475.

[69] MEYER W， SCHILZ W. A microwave method for density independent determination of the moisture content of solids[J]. Journal of Physics D Applied Physics， 2000，13（10）：1823.

[70] JACOBSEN R， MEYER W， SCHRAGE B. Density independent moisture meter at Xband[C]// European Microwave Conference. 2007.

[71] 景軍鋒，孫樂，李鵬飛.基于微波技術(shù)的織物含水率測量方法[J].紡織學(xué)報(bào)，2012，33（9）：61-65.

[72] PENGFEI L， BO W， JIAKUN L， et al. Research on Moisture Content Measurement of Fabric Based on Microwave Transmission[M]. Xian： Xian Polytechnic University，2010.

[73] DELHOM C， ZUMBA J， RODGERS J. Microwave moisture measurement of cotton fiber moisture content in the laboratory[J]. Aatcc Journal of Research， 2017，4（3）：1-7.

[74] KIM K B， KIM J H， LEE S S， et al. Measurement of grain moisture content using microwave attenuation at 10.5 GHz and moisture density[J]. Instrumentation & Measurement IEEE Transactions on， 2002，51（1）：72-77.

[75] BIER I， HAMPE M， ZIGON T， et al. A lowcost microwavebased sensor for water content detection[C]// Sensors. IEEE， 2017.

[76] LIU Y J， ZHAO X M. The research on the dielectric constant of polyester knitted fabrics[J]. Advanced Materials Research， 2015，1089：42-45.

[77] SANKARALINGAM S， GUPTA B. Determination of dielectric constant of fabric materials and their use as substrates for design and development of antennas for wearable applications[J]. IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement，2010，59（12）：3122-3130.

[78] BAL K， KOTHARI V K. Study of dielectric behaviour of woven fabric based on two phase models[J]. Journal of Electrostatics， 2009，67（5）：751-758.

[79] YANG H Y， ZHAO X M， TEXTILES D O， et al. Research of influencing factors of dielectric constant of fabric[J]. Journal of Tianjin Polytechnic University， 2014，33（1）：28-31.

[80] SHEEN J， HONG Z W， MAO W L， et al. Microwave measurements of dielectric constants by mixture equations[C]// Antennas & Propagation Society International Symposium. 2010.

[81] ROTH C H， MALICKI M A， PLAGGE R. Empirical evaluation of the relationship between soil dielectric constant and volumetric water content as the basis for calibrating soil moisture measurements by TDR[J]. European Journal of Soil Science，2010，43（1）：1-13.

[82] SHEEN J， WANG Y L. Microwave measurements of dielectric constants for high dielectric constant ceramic materials by mixture equations[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation， 2013，20（3）：932-936.

[83] SHEENA J， LIU W， MAO W L， et al. Study of dielectric constants of binary composites at microwave frequency by mixture laws derived from three basic particle shapes[J]. European Polymer Journal， 2009，45（4）：1316-1321.

[84] CHEN W S， HSIEH M Y. Dielectric constant calculation based on mixture equations of binary composites at microwave frequency[J]. Ceramics International， 2017，43：S343-S350.

[85] NAITO K， KAGAWA Y， KURIHARA K. Dielectric properties and noncontact damage detection of plainwoven fabric glass fiber reinforced epoxy matrix composites using millimeter wavelength microwave[J]. Composite Structures， 2012，94（2）：695-701.

[86] AUSTIN J， HARRIS M T. Insitu monitoring of the bulk density and the moisture content of rapidly flowing particulates using a microwave resonance sensor[J]. IEEE Sensors Journal， 2014，14（3）：821-828.

收稿日期：2018-10-10網(wǎng)絡(luò)出版日期：2019-04-18

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（U1609205;51605443）;浙江省科技廳公益基金（2017C31053）;浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018C01027）;浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（LR18E050001）

作者簡介：齊翀（1994-），男，江蘇淮安人，碩士研究生，主要從事紡織裝備智能化方面的研究。

通信作者：胡旭東，Email： xdhu@zstu.edu.cn