紡織品含水率測(cè)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(shí)精確控制的問題，提升紡織產(chǎn)品綜合性能，對(duì)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?jī)r(jià)值進(jìn)行了介紹。闡述了紡織品含水率測(cè)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(gè)測(cè)量方法的特點(diǎn)、精度、適用范圍以及最新進(jìn)展，并對(duì)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(cè)量精度的不斷提高，微波法由于其在線、實(shí)時(shí)、非接觸、高精度測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為紡織品含水率測(cè)量的主要測(cè)量方法。目前對(duì)于微波法測(cè)量的應(yīng)用還處于起步階段，測(cè)量時(shí)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(duì)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(cè)量;微波測(cè)量;在線測(cè)量;介電常數(shù)

中圖分類號(hào)：TS103文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(gè)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(huì)對(duì)織物含水率的測(cè)量精度與測(cè)量范圍造成一定的影響[2]。同時(shí)，水分含量對(duì)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(duì)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(jí)，創(chuàng)造競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)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(duì)織物含水率實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。因此，對(duì)于織物含水率測(cè)量方法的研究，具有非常重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。

本文詳細(xì)綜述了織物含水率測(cè)量方法的影響因素以及發(fā)展?fàn)顩r，并對(duì)各測(cè)量方法所面臨的行業(yè)問題進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，提出了相應(yīng)的改良建議，以期對(duì)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(cè)量方法

為了滿足時(shí)代發(fā)展的需要，織物含水率的測(cè)量要盡可能達(dá)到高精度、寬范圍，滿足實(shí)時(shí)性和適用性。目前，含水率測(cè)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(cè)量原理[3]是采用電子天平測(cè)量待測(cè)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(cè)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(cè)量，操作簡(jiǎn)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(cè)量結(jié)果往往存在延遲，無法獲取織物的實(shí)時(shí)含水率。同時(shí)，烘箱法屬于取樣測(cè)量，無法做到在線檢測(cè)，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(zhǎng)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(duì)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(duì)織物柔軟特性設(shè)計(jì)了適用于織物的含水率測(cè)量裝置[6]，原理如圖1（a）所示，待測(cè)織物夾在上下兩測(cè)量板之間，下方測(cè)量板（負(fù)）作為參考電極，上方測(cè)量板（正）通過調(diào)節(jié)正壓力F改變待測(cè)織物在兩測(cè)量板間的夾緊力度。由此，測(cè)量板（正）、織物、測(cè)量板（負(fù)）構(gòu)成一個(gè)電路。當(dāng)織物中的含水率M變化時(shí)，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(duì)織物電阻信號(hào)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(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是成本低，速度快，缺點(diǎn)是精度不高，測(cè)量范圍小[7]。文獻(xiàn)[810]首先通過實(shí)驗(yàn)在電壓、時(shí)間、溫度條件下對(duì)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(cè)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(duì)測(cè)量條件進(jìn)行調(diào)控，初步實(shí)現(xiàn)了織物含水率的測(cè)量，但測(cè)量精度有限且對(duì)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(cè)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(cè)量，提高了低水分高阻值織物的測(cè)量精度，擴(kuò)大測(cè)量范圍。時(shí)至今日，電阻法測(cè)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(zhǎng)時(shí)間接觸，造成腐蝕，使用壽命減短;三是微弱電信號(hào)的精確采集問題。以期后續(xù)學(xué)者從以上幾方面對(duì)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(huì)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?；陔娙萜鞯墓ぷ髟?，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(cè)織物，當(dāng)給平行板施加電壓時(shí)，兩平行板一個(gè)顯示正極，一個(gè)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(shí)，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(duì)電容信號(hào)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(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是體積小，成本低，測(cè)量速度快、適用于在線水分測(cè)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(cè)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(cè)量裝置進(jìn)一步簡(jiǎn)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(hào)穩(wěn)定等方面進(jìn)行評(píng)估，保證其可靠性;為了使用的方便，Mcintosh等[22]進(jìn)一步將測(cè)量裝置優(yōu)化，設(shè)計(jì)成手持式的電容傳感器。但隨著測(cè)量裝置體積越來越小，測(cè)量過程的便捷化，其測(cè)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(hào)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(cè)量中，但是仍存在因高頻帶來的信號(hào)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(duì)電容非線性進(jìn)行處理以及利用最小二乘法對(duì)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(gè)氧原子和兩個(gè)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(shí)，近紅外光會(huì)對(duì)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(cè)量原理如圖4（a）所示，當(dāng)近紅外光照射含水織物時(shí)，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(huì)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(duì)近紅外線的衰減信號(hào)進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理，即可根據(jù)獲取的衰減信號(hào)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(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、測(cè)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(duì)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(dòng)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(duì)近紅外光水分測(cè)量的研究逐漸深入，并成功將近紅外水分測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到紡織、農(nóng)業(yè)、建筑等眾多領(lǐng)域，測(cè)量方式也由實(shí)驗(yàn)室發(fā)展到工業(yè)在線測(cè)量，進(jìn)一步到手提式測(cè)量;2001年，董俠等[34]著重研究了含水平紋織物對(duì)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(cè)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(cè)量的近紅外水分測(cè)量裝置，但由于光電接收器件和系統(tǒng)信噪比的影響，測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)模型，進(jìn)一步提高了測(cè)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(huì)對(duì)近紅外光的傳輸產(chǎn)生干擾，使測(cè)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?，而氫原子屬于慢化體，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(dòng)時(shí)，會(huì)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(cè)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(shí)，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(duì)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(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是精度高、測(cè)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(duì)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(cè)量奠定了基礎(chǔ);為了能更加準(zhǔn)確測(cè)量物品內(nèi)部的水分含量，Douglass等[47]開始采用中子探針測(cè)量土壤含水率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明探針式水分測(cè)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(duì)中子法測(cè)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(cè)量精度。目前，中子法被普遍應(yīng)用于土壤含水率測(cè)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(huì)影響人體健康，同時(shí)由于它高昂的設(shè)備價(jià)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(chǎng)的作用下自旋，與交變磁場(chǎng)發(fā)生能量交換的現(xiàn)象[50]，原理如圖6所示。在靜電場(chǎng)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(chǎng)B0作拉莫爾進(jìn)動(dòng)，此時(shí)，氫原子核在外磁場(chǎng)作用下處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài);當(dāng)再次施加一個(gè)與磁場(chǎng)B0垂直的射頻磁場(chǎng)B1時(shí)，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(dòng);同時(shí)，氫原子從低能級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芗?jí)。射頻停止后，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(shí)間稱為弛豫時(shí)間[51]。通過核磁共振儀對(duì)弛豫時(shí)間和幅值的信號(hào)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(cè)量

核磁共振法屬于非接觸測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是精度高、測(cè)量速度快，能動(dòng)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(duì)物質(zhì)材料的含水率進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)信號(hào)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(duì)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(hào)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(cè)量，根據(jù)弛豫時(shí)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(duì)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(cè)，穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性好，直觀地顯示了織物內(nèi)部水分的動(dòng)態(tài)傳遞過程，但由于設(shè)備的高昂價(jià)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(gè)特性。在水中傳播時(shí)，易被吸收，會(huì)發(fā)生能量衰減和相位移動(dòng)。根據(jù)測(cè)量過程中介質(zhì)所放位置不同，主要分為傳輸線法、空間測(cè)量法[59]。

傳輸線法是將待測(cè)材料放置于傳輸線內(nèi)部進(jìn)行測(cè)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?？臻g測(cè)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(cè)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(shí)會(huì)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(shí)，水分子將會(huì)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(shí)，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(duì)微波衰減前后的電壓信號(hào)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(cè)量

微波法屬于非接觸測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、測(cè)量速度快、測(cè)量范圍大。20世紀(jì)40年代末，kraszewski等[64]最早開始對(duì)微波水分測(cè)量進(jìn)行研究，采用了一對(duì)喇叭天線，在自由空間中測(cè)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(cè)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(cè)量方式由實(shí)驗(yàn)室測(cè)量發(fā)展到在線測(cè)量，測(cè)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(cè)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(cè)量時(shí)提出了有關(guān)糧食水分測(cè)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(duì)于糧食的無關(guān)密度測(cè)量，也為實(shí)現(xiàn)織物的無關(guān)種類的測(cè)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(cè)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(duì)棉布的水分測(cè)量;Delhom等[73]在實(shí)驗(yàn)室中采用微波法對(duì)棉纖維水分測(cè)量，精度可達(dá)0.1%;但是他們的研究局限于表面現(xiàn)象，測(cè)量范圍小，且受織物種類影響，不具有普遍適用性，對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)，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(jiǎn)：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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)量。同時(shí)微波法是對(duì)微波能量衰減或相位移動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，不會(huì)對(duì)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(duì)其深入研究。

2不同含水率測(cè)試方法比較

對(duì)于現(xiàn)有的含水率測(cè)量方法，都可以將其應(yīng)用于紡織品含水率測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量，但這兩種方法的測(cè)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(huì)對(duì)人體健康造成傷害。

微波法對(duì)于水分測(cè)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(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、不受織物顏色及紋理影響，同時(shí)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(cè)量范圍廣、精度高、在線非接觸等優(yōu)勢(shì)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(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過標(biāo)定曲線實(shí)現(xiàn)了對(duì)織物的含水率測(cè)量，精度可達(dá)±0.1%，測(cè)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(cè)量的主要研究方向。目前，采用微波法測(cè)量時(shí)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。

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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(jiǎn)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