谷物含水率測量技術研究進展*

蔡澤宇，劉政，張光躍，楊騰祥，金誠謙

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

通訊作者：金誠謙，男，1973年生，安徽潛山人，博士，研究員，博導；研究方向為農業機械及其智能化。E-mail: 412114402@qq.com

0 引言

含水率是谷物重要的品質參數之一，關系著谷物的價值[1]，在谷物的收獲、加工、存儲和貿易中具有十分重要的意義。當進行田間谷物收獲時，谷物含水率是影響聯合收獲機作業性能及效率的關鍵指標[2-3]。一方面谷物含水率對聯合收獲機的切割輸送、脫粒清選的影響較大，決定著最小割臺損失的進料速度[4]、脫粒圓柱的最佳間隙、滾筒中防止籽粒破碎的最低轉速[5]。另一方面，谷物含水率的測量精度直接影響著產量圖的準確性[6]，也影響著對谷物水分流失動力學研究[7]；因此，在聯合收獲機上對谷物含水率進行在線檢測是解決問題的有效方法[8]。

在糧食儲存過程中，谷物變質的時間取決于溫度、水分和氧氣含量[9]。當保存的谷物含水率小于9%時，谷物可以保存1年后發芽；當含水率介于9%～12%時，谷物不到一年就無法發芽；當含水率大于13%時，谷物在8個月內會產生蟲害；當含水率大于14%時，谷物在數周至數月就會變色并產生蟲害和霉菌[10]。因此谷物含水率過大會導致存儲損失，但含水率過低又會增加干燥的成本并降低了售賣的利潤[11]。含水率的快速測量可以方便農民進行糧食的存儲、加工和銷售。

此外，含水率還是評價大米食味和品質的重要指標[12]。已有研究表明：大米品質的感官評價值會隨著大米水分含量下降而降低[13]，水分含量小的大米蒸煮后會引起表面龜裂，使米飯黏性增加，喪失彈性，進而影響食味品質。

綜上，低成本、準確的含水率測量傳感器對于改善谷物的收獲、加工、儲存和管理必不可少[14-22]。本文通過對谷物含水率測量的文獻梳理，對谷物含水率檢測方法進行分類，并對我國的谷物含水率檢測標準進行梳理。著重介紹了基于谷物介電特性的測量方法，并與其他的谷物含水率檢測方法進行對比和總結。

1 含水率測量的發展、方法分類和檢測標準

1.1 含水率檢測方法分類

谷物含水率檢測方法可分為有損檢測和無損檢測[23]，也可分為直接方法和間接方法。本文從有損和無損的角度對谷物含水率檢測方法進行分類，如圖1所示。

圖1 谷物含水率檢測方法分類圖Fig. 1 Classification chart of moisture content detection methods of grain

有損檢測大都屬于直接法，這些方法具有通用性且常被用作標準方法，但存在著離線、耗時長、具有破壞性等特點。無損檢測都為間接方法，利用了含水率與各種物理參數的聯系，通過建立函數模型獲得測量值[24]。

1.2 含水率檢測標準

谷物含水率檢測標準統一了含水率的定義以及量值，通過對標準的梳理可以方便研究人員對含水率檢測方法研究以及如何對水分儀進行標定和校準。例如，在ASAE標準S352.2中就規定了空氣烘箱法對不同谷物的加熱時間，對于帶殼玉米、大豆和食用豆，需要在103 ℃恒溫72 h；對于小麥、燕麥、黑麥和高粱，需要在130 ℃下分別加熱19 h、22 h、16 h和18 h，來保證與卡爾·費休(Karl Fischer)方法保持最佳一致。

本文著重對我國的谷物含水率的檢測標準進行了梳理，如表1所示。

表1 現行有效谷物含水率檢測標準統計表Tab. 1 StatisticalTable of current effective grain moisture content detection standard

2 基于谷物介電特性的方法

無論是電容法還是射頻法、微波法和太赫茲法測量谷物含水率都依據了谷物介電特性的變化。在常溫下谷物的介電常數為2～5，而水的介電常數為81左右，谷物內水分含量的變化會引起其介電常數的變化[25]。電容式含水率檢測法通過測量振蕩電路受介電常數變化的輸出頻率值來測算出谷物的含水率[26]。同樣射頻(RF)和微波(MW)在對谷物加熱時，介電常數會影響電磁能的吸收和耗散。射頻法和微波法的區別在于，射頻指的是頻率范圍300 kHz～300 GHz之間的電磁波，微波是高頻射頻的一類電磁波，其頻率范圍為300 MHz～300 GHz。在測量儀器領域，通常認為射頻的頻率范圍為300 kHz～3 GHz，微波的頻率范圍為3～300 GHz。太赫茲是最近幾年被提出的，其頻率高于微波并低于紅外光的頻率，是電子學向光子學的過渡，目前該方法用于谷物含水率檢測還處于起步階段[27-28]。

2.1 谷物介電特性

在電容式含水率檢測方法上，研究人員主要將精力放到了影響介電測量的因素以及利用模型減少干擾對裝置的影響，以提高測量精度。影響介電測量的主要因素包括：溫度、谷物的堆積密度[29-30]、質量參數(蛋白質，油，淀粉含量等)[31-32]。影響介電常數的其他因素還包括谷粒大小，樣品成分(異物、谷粒被昆蟲啃食和破碎)以及谷物的自然變化的影響[33]。在測量高水分作物時，谷物表面的水分會對電容產生影響[34]。

射頻式含水率檢測方法利用射頻信號源產生一個射頻信號，通過同軸電纜傳播到探測單元，當探測單元遇到不同水分的谷物時，其阻抗發生變化并產生反射波形，再利用信號接收器接收到反射信號，根據反射信號與原始信號的區別獲得谷物含水率。影響射頻式水分儀測量精度的因素包括探測單元的材料、探針長度和間距[35]。已有研究表明探測單元的材料選擇對結果影響不大[36]，考慮到成本，抗氧化性，抗腐蝕性，目前射頻式水分傳感器多采用不銹鋼材料。但探針長度對谷物含水率的測量結果起著至關重要的作用，探針的長度越短，其測量的誤差就越大[37]。當探針長度小于100 mm時，測量會出現很大誤差，當探針長度大于200 mm時，測量誤差小于1%[38]，但當探針的長度大于350 mm，由于能量的衰減太快導致反射信號不易判別，也會產生較大誤差。

微波式谷物含水率檢測方法早在20世紀70年代被提出[39-41]，該方法中的轉換模型(ε′-1)/ε″是一種與密度無關的函數[42]，可用于預測顆粒材料的含水率，式中ε″為介電損耗因子，ε′為介電常數[43-45]。此外，針對不同的作物，研究人員希望開發出一種針對玉米、小麥、大麥、燕麥油菜籽和大豆的通用的校準方法[46-47]。

2.2 不同頻率的含水率檢測方法

不同頻率下，谷物的介電特性具有不同的特點，影響著谷物含水率的測量準確度。本文簡要回顧了過去幾十年中低、中、高頻谷物含水率檢測的研究進展。

大部分的商用電容式谷物含水率檢測儀的頻率都在1～50 MHz[48-49]之間。通過含水率的定量分析，介電常數ε′保持恒定或隨著所有水分含量百分比的頻率增加而降低，而損耗因子ε″則隨頻率而變化，介電性能與頻率的關系[50]如圖2所示。

從圖2中可以看出，由于含水率的變化，介電性能在較低頻率下變化更大，具有明顯的梯度。在20 MHz以下的頻率中，含水率隨著頻率的變化存在線性的變化。但有研究表明，當谷物含水率大于20%時，儀器的精度會下降并需要重新校準[51]。

在50～500 MHz頻率范圍，研究人員使用頻率分別為50～250 MHz和200～500 MHz的電橋和導納計對谷物和種子的介電性能進行測量[52]。結果表明對冬小麥的介電常數的測量精度約為2%，并且隨著頻率的增加精度會降低[53-54]。

(a) 容重為768 kg/m3的冬小麥

(b) 容重為738 kg/m3的大豆圖2 介電性能與頻率的關系圖Fig. 2 Relation between dielectric performance and frequency

此外，149 MHz這是一個特殊的頻率，它源于美國農業部谷物檢驗、包裝和儲藏管理局(USDA-GIPSA)組織開發的統一谷物水分算法(UGMA)。這種算法將不同類型谷物的含水率模型組合到一個算法中，并且算法的精度優于或等于RF介電型儀器的精度，以便供制造商使用，使得不同水分儀器具有一致的測量結果。選擇149 MHz作為測量頻率的原因為：(1)對一些含水率高的樣品分析表明，149 MHz時的電導率效應明顯低于100 MHz以下頻率的。(2)對15種谷物含水率的誤差分析發現在149 MHz附近出現了一個極小值[55]。(3)美國業余無線電頻段在148 MHz 以下，而警察、消防、出租車和飛機會使用150 MHz以上的頻段，因此使用149 MHz不易受到通信服務的干擾[56]。

已有研究，利用250 Hz～10 GHz頻率范圍內對冬小麥的介電常數與含水率進行試驗[57]，結果如圖3所示。數據表明冬小麥的介電常數隨著頻率增加而連續降低，且不具有線性關系；此外損耗因子隨頻率增加有不同的變化趨勢。

測量谷物的介電常數時必須考慮堆積密度對介電常數的影響。但是在微波頻率，通過檢測微波的衰減(幅度減小)、相移(相位延遲)或其他與密度無關的函數，可以建立與谷物堆積密度無關的模型[58]。試驗表明當微波頻率高于1 GHz時，材料的電導率不會受到密度影響。已有研究利用頻率為11～18 GHz的傳感器對含水率為11%～19%、體積密度為0.72～0.88 g/cm3的冬小麥進行試驗，微波測得的含水率誤差小于0.3%。在16.8 GHz下建立小麥的微波衰減、相移之比和谷物溫度的函數，試驗表明，在-1 ℃～42 ℃ 的溫度和10%～19%的含水率下，獲得的含水率不確定度小于±0.45%[59]。還有研究人員開發了兩參數微波測量技術在谷物水分儀[60]或結合人工神經網絡利用微波測量谷物含水率[61]。

可用于測量谷物含水率的頻率范圍很廣，不同頻率所對應的裝置結構和模型也各不同，本文對它們進行了梳理，見表2。

(a) 損失因子與頻率關系 (b) 介電常數與頻率關系圖3 250 Hz～10 GHz頻率下，介電常數、損失因子與頻率的關系圖Fig. 3 Relation diagram of dielectric constant, loss factor and frequency at 250 Hz～10 GHz frequency

綜上，基于介電特性的谷物含水率檢測方法和裝置很多，并有很多高精度以及不受密度影響的裝置。但是在實際大田應用中，大都還采用了普通的電容式谷物含水率檢測裝置。

2.3 電容式水分儀誤差分析及修正模型

電容式谷物水分儀由于具有速度快和操作簡便的優勢在商業上得到廣泛使用，但是儀器的準確性和可靠性較低，尤其是在谷物含水率大于20%時[71]。通過對水分儀的誤差來源進行研究[72-74]，才能在儀器設計和測試時，減少各種因素對電容式水分儀準確性的影響。

電容式谷物含水率傳感器最常見的誤差來源包括：收獲過程中體積密度變化[75]、溫度和頻率變化。

對這三個影響因素，研究人員提出了許多修正模型。當頻率變化時，主要是對信號流模型中的頻率變量進行校正，讓傳感器頻率穩定在0.1 MHz以內，此時含水率的誤差將保持在0.02%以下[55]。

對于不同密度的谷物，研究人員利用Looyenga介電特性混合物方程將不同密度谷物的介電常數換算到一個統一密度下的介電常數，介電特性混合方程[76]

(1)

式中：εdc——密度換算后的介電常數；

εr——原有介電常數；

ρtarget——目標密度，674 kg/m3；

ρsample——谷物樣本的密度，kg/m3。

溫度對谷物的介電特性有著較為顯著的影響，Funk提出了一個溫度校正函數[77]

Mtc=Mpred-Ktc·(T-25)

(2)

式中：Mpred——根據介電特性實際計算出的含水率；

Ktc——溫度校正系數(每攝氏度的濕度百分比)；

T——測量時谷物樣本的溫度；

Mtc——經溫度校準后的谷物含水率。

該模型可以減少由溫度帶來的誤差。然而介電常數只在高頻下與溫度成正比，在低頻和谷物高含水率時是非線性的[78]，因此溫度修正公式(2)不能完全修正誤差。

3 其他方式的谷物含水率檢測

除了利用谷物介電特性的方法以外，商業上有一些其他方式的水分儀，如基于中子法的水分儀：美國503型水分儀、南京大學研制的SHD-1型插入式中子水分儀。基于卡爾費休法的水分儀：日本京都電子的MKS-500水分儀、瑞士某公司的V20/V30系列水分儀、北京某公司的ZDJ-1S型卡氏微量水分測定儀、上海某公司的AKF系列水分儀等。本文對其他類型的谷物含水率檢測方法進行簡單介紹。

近紅外光譜測量法，近紅外光譜技術在農產品品質分析中廣泛應用[79-80]。通過分析O—H，CH—，CH—O和N—H分子鍵的振動產生的電磁響應，對樣品中的水、乙醇、糖等成分進行分析[81]。早期，利用NIR對谷物含水率檢測需要將樣品研磨成粉；目前，大部分商用儀器都可以直接檢測小顆粒谷物，但還不能檢測大粒的谷物。

表2 不同頻率下谷物含水率檢測統計表Tab. 2 StatisticalTable of grain moisture content detection at different frequencies

核磁共振法，核磁共振法是利用一定條件下原子核自旋重新取向，從而谷物在某一確定的頻率上吸收電磁場的能量，吸收能量的多少與試樣中所含的核子數目成比例。已有研究表明，利用核磁共振法對含水率為0.05%～100%內的谷物測量，精度可以小于0.5%[82]。

高光譜成像法，高光譜成像技術除了獲得物質的近紅外光譜信息外，還可以獲得物質的圖像信息，這為實現谷物含水量的檢測提供了可能[83]。在建立預測模型前也需要選擇最佳波段和降維處理[84-85]。已有研究將高光譜成像技術用于快速鑒別小麥含水率[86]，有結果表明高光譜技術對小麥籽粒含水量相關系數大于0.9[87]。

磁場法，是利用磁體產生的磁場來測量谷物的含水率，如圖4(a)所示。系統由曝光線圈(主線圈)，磁傳感器，抵消線圈和放大器組成，其中主線圈以1 kHz的頻率運行，主線圈的強磁場被抵消線圈抵消。而暴露于磁體中的谷物樣品會產生二次磁場。試驗表明，谷物含水率越高二次磁場的強度越大[88]。

聲學法，研究人員設計并開發了一種聲學式水分儀。當谷物從漏斗中連續流出時，撞擊到一個30°傾斜的傳感器表面，由表面下方的麥克風接收撞擊產生的聲波，并轉換為電信號，裝置如圖4(b)所示。通過測量撞擊聲的聲壓級(SPL)作為輸出電壓，并確定了電壓與谷物含水率的關系。結果表明，谷物距離玻璃傳感器的下落高度為10 cm時具有最佳的校準方程(R2=0.94)，對三種小麥的輸出電壓與籽粒含水率之間的關系作校準方程，谷物含水率在8%～20%范圍內的最大誤差為1.25%[89]。

中子法，中子式谷物含水率測量裝置，如圖4(c)所示。裝置主要由中子源、慢中子探測器、脈沖記數器、中子源保護管、電源等組成。工作中，中子源單位時間發出固定數目的快中子(0.1～10 MeV)，當快中子與谷物的氫(H)原子核碰撞產生散射而損失能量，逐漸變化為慢中子(0～1 keV)，打在慢中子探測器上產生電壓脈沖，由脈沖計數器記錄脈沖數，通過建立脈沖數與谷物含水率的關系來進行預測[90]。

電阻法，電阻法是較為常用的方法，在糧倉含水率檢測和便攜式水分儀上有大量成熟產品。如縱向采料盤的電阻式單粒稻谷水分儀[91]；基于阻-頻轉換和智能非線性處理算法的單粒式谷物水分儀[92]；采用單螺旋桿擠壓測阻機構設計的谷物水分儀。電阻法裝置由取樣機構、信號處理電路組成，已有試驗表明稻谷、小麥和大麥的單粒阻值和含水率的相關系數R2分別為0.998、0.999和0.999。對含水率為10%～35%的谷物試驗，含水率測量絕對誤差小于±0.4%[93]。

(a) 磁場法測含水率系統圖

(b) 聲學法測含水率系統圖

(c) 中子法測含水率系統圖

(d) 電阻法測含水率系統圖圖4 原理圖Fig. 4 Schematic diagram

4 多種谷物含水率測量方法比較

谷物含水率檢測的方法很多，不同的方法具有不同的優缺點，甚至在一個方法下采用不同的標準也會帶來不同的標準數據。已有研究利用烘干法分別在尼日利亞農業工程學會(NSAE)，美國谷物化學師協會(AACC)和美國農業工程學會(ASAE)標準等六種不同的烘箱條件下保持恒定的加熱時間和干燥時間對糙米的含水率進行測量，由于不同標準使用了不同的步驟，因此含水率結果并不一致[94-95]。但干燥法由于性能相對穩定、測量精度較高、試驗方法和條件易于獲得，被廣泛用作含水率檢測的標準方法。

在其他研究中，對其他方法的水分儀與標準烘箱方法進行了廣泛的研究，總結如下。

電容法具有成本低、體積小、維護方便等特點[96]。在大田中，裝置受力較小、相對簡單且堅固耐用，適用安裝在農業機械上。但傳感器在測量過程中需要消耗大量的時間，且易受環境溫度濕度、樣品加載時間、樣品的孔隙度、樣品密度等因素影響，穩定性較差，難以獲得準確的測量模型[97-98]。

近紅外光譜法具有檢測速度快、分析效率高、遠距離無接觸測量、操作簡單等特點[99-100]。但該方法屬于表面檢測，反映谷物內部真實水分需要復雜的模型修正，且涉及到復雜光路、體積龐大、價格昂貴。在近紅外光譜數據處理過程中，由于樣本的復雜性使得測量信息較弱，校正模型的傳遞性和普適性差，對數據處理要求高。該方法較電容法還存在一定的維護工作，如需要對紅外光發射口進行清潔，因此不適合做現場分析。但較電容法，近紅外光譜法可以測得谷物品質的各項參數，具有不可替代性。

電阻式谷物水分儀結構簡單、成本低，但是信號強度小、取樣裝置要求高、不宜于微量水和高含水量的測定，檢測結果受傳感器與樣品接觸狀態影響較大。聲學式水分儀重復性好，反應迅速，可進行在線測量，但裝置體積較大，受噪聲、籽粒大小與形狀的影響，對噪聲信號的屏蔽要求較高[101]。微波法具有靈敏度高、速度快等特點，但其檢測下限不夠低，且易引起駐波干擾。卡爾費休法在許多的標準里面是物質含水率的標準測試方法，該方法檢測精度很高可用于測量微量水分，且檢測結果非常穩定，但其檢測試劑成本較高，設備較復雜。核磁共振法檢測速度快、精度高、范圍寬，能區分自由水和結合水，但設備成本昂貴、保養費用高、使用前需要精確標定。中子法的突出優點是高水分段靈敏度高，且對冰凍狀態谷物可以檢測水分，但由于氫的散射性不夠穩定，不同品種、產地的谷物測量結果差異較大，因此使用前需要進行人工標定并采取防護措施。

5 結論

目前用于谷物含水率檢測方法主要是電容法和近紅外光譜法。電容法具有成本低、體積小、維護方便等特點，在大田中裝置受力較小、相對簡單且堅固耐用，適用安裝在農業機械上。近紅外光譜法具有檢測速度快、分析效率高、遠距離無接觸測量、操作簡單，不但可以分析出谷物含水率，還可以同時分析出谷物的其他品質參數，但受測量環境影響較大，適合用于室內谷物品質分析。此外，對于室內谷物含水率的檢測，各種含水率檢測方法都可以適用，且通過穩定環境下的數值修正和標定，可以準確的獲得谷物含水率。在大田環境下，受惡劣環境、復雜工況影響和裝置精度要求谷物含水率檢測還需要滿足以下條件。

1) 提高復雜環境下的含水率檢測穩定性和測量過程中的實時性。

2) 裝置必須可靠耐用，安裝維護方便，校準簡單。

3) 裝置需要滿足不同谷物的測量要求，基于裝置可以建立統一的含水率測量算法。

未來，大田谷物含水率監測發展除了需要兼顧不同作物類型、加強在低含水率和高含水率的檢測準確度，還可以考慮將近紅外光譜方法應用到大田環境下進行含水率監測，同時監測得到谷物的品質參數。