棉花回潮率檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

■ 劉妍妍 王會博

〔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)定條件下測得的原棉水分含量，以試樣的濕重與干重的差值對干重的百分率表示，其

定義公式見式（1）。

式中：R-回潮率，%；

W1-棉樣干重，t；

W2-棉樣濕重，t。

國家標(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，通過實(shí)際檢測的回潮率來決定最終的結(jié)算重量［2］。在加工過程中，不同的回潮率則對棉花加工質(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］等多個環(huán)節(jié)［9］［10］，準(zhǔn)確檢測出棉花回潮率至關(guān)重要［11］。為此，本文歸納了國內(nèi)外棉花回潮率檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用情況，并對棉花回潮率檢測技術(shù)未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，以期為未來我國棉花回潮率檢測技術(shù)及應(yīng)用提供參考。

二、棉花回潮率檢測技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

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

（一）直接法

直接法是先測量棉樣的濕重，然后利用干燥或化學(xué)方法將棉花烘干測量干重，最后通過回潮率定義公式計(jì)算出回潮率。棉花回潮率檢測中最常用的直接法是烘箱法。我國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)是檢測結(jié)果準(zhǔn)確，受環(huán)境因素影響??；其缺點(diǎn)是耗時時間長、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法主要有電阻式回潮率檢測法、電容式回潮率檢測法、紅外式回潮率檢測法、微波式回潮率檢測法及CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）式回潮率檢測法等。

1.電阻式回潮率檢測法。

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

電阻式回潮率檢測法是國內(nèi)外棉花行業(yè)回潮率檢測應(yīng)用最廣的間接檢測方法。國外對此研究較早，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系統(tǒng)［13］。世界先進(jìn)的紡織測試和質(zhì)量控制設(shè)備供應(yīng)商USTER 生產(chǎn)的HVI1000［14］大容量棉花測試儀和Intelligin［15］產(chǎn)品，其回潮率檢測模塊也是基于電阻法檢測原理實(shí)現(xiàn)的。

我國于20世紀(jì)50年代年開始研究基于電阻法的棉花回潮率檢測技術(shù)，首先研制出基于電阻法的原棉回潮率測定儀。隨著棉花質(zhì)量檢測技術(shù)的進(jìn)步，原棉回潮率測定儀不斷地進(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定儀［16］，采用單片機(jī)控制、實(shí)現(xiàn)全自動壓棉、觸屏顯示屏操作、可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通信等，有效解決了原有儀器存在的操作繁瑣、勞動強(qiáng)度大、測試精度誤差等問題。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)用籽棉回潮率檢測裝置［18］、手持式籽棉回潮率檢測儀［19］、門架式籽棉回潮率檢測儀［20］、車載式籽棉回潮率檢測儀［21］、籽棉回潮率在線檢測裝置［22］［23］［24］、棉包回潮率在線檢測系統(tǒng)［25］和棉包水分測定儀［26］等電阻式棉花回潮率檢測設(shè)備，部分產(chǎn)品見圖2—圖6。

圖2 原棉回潮率檢測儀

圖3 手持式籽棉回潮率檢測儀

圖4 門架式回潮率檢測儀

圖5 籽棉回潮率在線檢測裝置

圖6 棉包回潮率檢測儀

國內(nèi)目前基于電阻式的皮棉回潮率檢測技術(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技術(shù)研究不夠深入，采摘、收購及加工環(huán)節(jié)的籽棉回潮率檢測產(chǎn)品還存在檢測精度不高、性能不穩(wěn)定、受環(huán)境影響大等問題，并未進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

2.電容式回潮率檢測法。

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

直接測量法以棉花為電容器的中間介質(zhì)，通過測量電容的大小來測定棉花回潮率。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。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儀，并通過試驗(yàn)研制了該棉花水分檢測儀的可行性。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，通過測量電容大小來測定棉花回潮率。胡智宏［30］等人以聚酰亞胺濕敏材料為介質(zhì)構(gòu)成測量電容，設(shè)計(jì)了一種便攜電容式棉花含水量測量儀，并制作出樣機(jī)。

電容式回潮率檢測法具有檢測精度高、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)行研究卻并未見棉花回潮率檢測產(chǎn)品應(yīng)用。

3.紅外式回潮率檢測法。

紅外式回潮率檢測法（以下簡稱“紅外法”）根據(jù)不同回潮率的棉花對特定波長的紅外線吸收程度差異，測得紅外線透射前后的衰減量來測定棉花回潮率［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儀安裝在軋花機(jī)上，并通過與烘箱法對比驗(yàn)證了其可行性與測量精度，提出了一種用紅外傳感器在線檢測棉花回潮率的方法，得出了基于紅外法的在線棉花回潮率檢測可行且具有良好的測量精度的結(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儀。2019年Kuldashov［34］等人設(shè)計(jì)了基于近紅外LED 光源的雙波長棉花回潮率傳感器。畢新勝［35］等通過分析和研究近紅外技術(shù)，提出用漫反射法檢測籽棉回潮率，論述了紅外法在籽棉回潮率檢測中的可行性和優(yōu)越性。楊舒涵［36］提出一種基于紅外的棉花回潮率檢測方法，通過試驗(yàn)初步驗(yàn)證了基于紅外的棉花回潮率檢測的可行性，并設(shè)計(jì)了紅外測量的原理裝置。國外對于紅外式回潮率檢測法研究較早，目前已有相關(guān)產(chǎn)品用于棉花加工企業(yè)，但其價格也比較昂貴。而國內(nèi)因?yàn)閮H有部分學(xué)者開始研究，所以并未形成產(chǎn)品。

4.微波式回潮率檢測法。

微波式回潮率檢測法（以下簡稱“微波法”）是根據(jù)微波衰減的特性來測定棉花回潮率。在特定微波范圍內(nèi)，不同回潮率棉花介電常數(shù)不同，通過檢測不同回潮率棉花的微波衰減量測得棉花回潮率。

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)測回潮率的算法，為后續(xù)開發(fā)籽棉微波傳感器奠定基礎(chǔ)。Rodgers James［39］在實(shí)驗(yàn)室中采用微波法測量棉纖維回潮率，并于烘箱法進(jìn)行對比，精度可達(dá)到0.1%，驗(yàn)證了微波法測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)展有限公司最早開始研究微波法檢測棉花回潮率，2012年研制出檢測棉包的AT-MBC 型水分測量儀，2018年李世星［41］等人設(shè)計(jì)了用于收購環(huán)節(jié)的籽棉回潮率測量儀。院志霞［42］等人對微波法檢測籽棉回潮率進(jìn)行了試驗(yàn)研究，與烘箱法試驗(yàn)結(jié)果對比符合籽棉回潮率檢測誤差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試儀插入式回潮率報(bào)警器的對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了微波法籽棉回潮率測試儀檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性、重復(fù)性和一致性。

目前國內(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)的棉包水分測量儀和籽棉回潮率測量儀（見圖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量儀

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

CCD 式回潮率檢測法是近年來發(fā)展起來的，與紅外式回潮率檢測法類似，均通過光線透射衰減測定回潮率；不同的是CCD 式回潮率檢測法利用波長為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)檢測中，對于開發(fā)多指標(biāo)的棉花品質(zhì)檢測儀器來說應(yīng)用前景較好，但其缺點(diǎn)是檢測精度低，因此關(guān)于CCD 式回潮率檢測技術(shù)的研究及應(yīng)用均比較少見。

幾種棉花回潮率檢測技術(shù)對比見表1。

表1 棉花回潮率檢測方法對比

三、國內(nèi)棉花回潮率檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

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

（一）深入研究電阻式籽棉回潮率檢測技術(shù)

電阻式回潮率檢測法是國內(nèi)外棉花行業(yè)回潮率檢測應(yīng)用最廣的間接檢測方法。從電阻式棉花回潮率檢測技術(shù)成果看，國內(nèi)目前基于電阻法的皮棉回潮率檢測技術(shù)已經(jīng)相對成熟，其檢測精度可控制在0.2%以內(nèi)。但籽棉回潮率檢測技術(shù)因?yàn)槭艿矫拮?、雜質(zhì)等物料本身因素的影響，檢測結(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，同時運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)來增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，提高籽棉回潮率檢測精度。

（二）進(jìn)一步研究新型的棉花回潮率檢測技術(shù)

紅外式回潮率檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高、可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，是國外研究較早、應(yīng)用廣泛的棉花回潮率檢測技術(shù)，國內(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。雖然國內(nèi)已有微波式回潮率測量技術(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）檢測技術(shù)綜合化

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

四、結(jié)語

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