谷物含水率測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展*

蔡澤宇，劉政，張光躍，楊騰祥，金誠謙

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)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(dǎo)；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)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(zhì)參數(shù)之一，關(guān)系著谷物的價(jià)值[1]，在谷物的收獲、加工、存儲(chǔ)和貿(mào)易中具有十分重要的意義。當(dāng)進(jìn)行田間谷物收獲時(shí)，谷物含水率是影響聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)性能及效率的關(guān)鍵指標(biāo)[2-3]。一方面谷物含水率對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)的切割輸送、脫粒清選的影響較大，決定著最小割臺(tái)損失的進(jìn)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(zhuǎn)速[5]。另一方面，谷物含水率的測(cè)量精度直接影響著產(chǎn)量圖的準(zhǔn)確性[6]，也影響著對(duì)谷物水分流失動(dòng)力學(xué)研究[7]；因此，在聯(lián)合收獲機(jī)上對(duì)谷物含水率進(jìn)行在線檢測(cè)是解決問題的有效方法[8]。

在糧食儲(chǔ)存過程中，谷物變質(zhì)的時(shí)間取決于溫度、水分和氧氣含量[9]。當(dāng)保存的谷物含水率小于9%時(shí)，谷物可以保存1年后發(fā)芽；當(dāng)含水率介于9%～12%時(shí)，谷物不到一年就無法發(fā)芽；當(dāng)含水率大于13%時(shí)，谷物在8個(gè)月內(nèi)會(huì)產(chǎn)生蟲害；當(dāng)含水率大于14%時(shí)，谷物在數(shù)周至數(shù)月就會(huì)變色并產(chǎn)生蟲害和霉菌[10]。因此谷物含水率過大會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)損失，但含水率過低又會(huì)增加干燥的成本并降低了售賣的利潤[11]。含水率的快速測(cè)量可以方便農(nóng)民進(jìn)行糧食的存儲(chǔ)、加工和銷售。

此外，含水率還是評(píng)價(jià)大米食味和品質(zhì)的重要指標(biāo)[12]。已有研究表明：大米品質(zhì)的感官評(píng)價(jià)值會(huì)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(huì)引起表面龜裂，使米飯黏性增加，喪失彈性，進(jìn)而影響食味品質(zhì)。

綜上，低成本、準(zhǔn)確的含水率測(cè)量傳感器對(duì)于改善谷物的收獲、加工、儲(chǔ)存和管理必不可少[14-22]。本文通過對(duì)谷物含水率測(cè)量的文獻(xiàn)梳理，對(duì)谷物含水率檢測(cè)方法進(jìn)行分類，并對(duì)我國的谷物含水率檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理。著重介紹了基于谷物介電特性的測(cè)量方法，并與其他的谷物含水率檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比和總結(jié)。

1 含水率測(cè)量的發(fā)展、方法分類和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 含水率檢測(cè)方法分類

谷物含水率檢測(cè)方法可分為有損檢測(cè)和無損檢測(cè)[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(duì)谷物含水率檢測(cè)方法進(jìn)行分類，如圖1所示。

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

有損檢測(cè)大都屬于直接法，這些方法具有通用性且常被用作標(biāo)準(zhǔn)方法，但存在著離線、耗時(shí)長(zhǎng)、具有破壞性等特點(diǎn)。無損檢測(cè)都為間接方法，利用了含水率與各種物理參數(shù)的聯(lián)系，通過建立函數(shù)模型獲得測(cè)量值[24]。

1.2 含水率檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

谷物含水率檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一了含水率的定義以及量值，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的梳理可以方便研究人員對(duì)含水率檢測(cè)方法研究以及如何對(duì)水分儀進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)。例如，在ASAE標(biāo)準(zhǔn)S352.2中就規(guī)定了空氣烘箱法對(duì)不同谷物的加熱時(shí)間，對(duì)于帶殼玉米、大豆和食用豆，需要在103 ℃恒溫72 h；對(duì)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(fèi)休(Karl Fischer)方法保持最佳一致。

本文著重對(duì)我國的谷物含水率的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了梳理，如表1所示。

表1 現(xiàn)行有效谷物含水率檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)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(cè)量谷物含水率都依據(jù)了谷物介電特性的變化。在常溫下谷物的介電常數(shù)為2～5，而水的介電常數(shù)為81左右，谷物內(nèi)水分含量的變化會(huì)引起其介電常數(shù)的變化[25]。電容式含水率檢測(cè)法通過測(cè)量振蕩電路受介電常數(shù)變化的輸出頻率值來測(cè)算出谷物的含水率[26]。同樣射頻(RF)和微波(MW)在對(duì)谷物加熱時(shí)，介電常數(shù)會(huì)影響電磁能的吸收和耗散。射頻法和微波法的區(qū)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(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，通常認(rèn)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(xué)向光子學(xué)的過渡，目前該方法用于谷物含水率檢測(cè)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(cè)方法上，研究人員主要將精力放到了影響介電測(cè)量的因素以及利用模型減少干擾對(duì)裝置的影響，以提高測(cè)量精度。影響介電測(cè)量的主要因素包括：溫度、谷物的堆積密度[29-30]、質(zhì)量參數(shù)(蛋白質(zhì)，油，淀粉含量等)[31-32]。影響介電常數(shù)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(cè)量高水分作物時(shí)，谷物表面的水分會(huì)對(duì)電容產(chǎn)生影響[34]。

射頻式含水率檢測(cè)方法利用射頻信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)射頻信號(hào)，通過同軸電纜傳播到探測(cè)單元，當(dāng)探測(cè)單元遇到不同水分的谷物時(shí)，其阻抗發(fā)生變化并產(chǎn)生反射波形，再利用信號(hào)接收器接收到反射信號(hào)，根據(jù)反射信號(hào)與原始信號(hào)的區(qū)別獲得谷物含水率。影響射頻式水分儀測(cè)量精度的因素包括探測(cè)單元的材料、探針長(zhǎng)度和間距[35]。已有研究表明探測(cè)單元的材料選擇對(duì)結(jié)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(zhǎng)度對(duì)谷物含水率的測(cè)量結(jié)果起著至關(guān)重要的作用，探針的長(zhǎng)度越短，其測(cè)量的誤差就越大[37]。當(dāng)探針長(zhǎng)度小于100 mm時(shí)，測(cè)量會(huì)出現(xiàn)很大誤差，當(dāng)探針長(zhǎng)度大于200 mm時(shí)，測(cè)量誤差小于1%[38]，但當(dāng)探針的長(zhǎng)度大于350 mm，由于能量的衰減太快導(dǎo)致反射信號(hào)不易判別，也會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

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

2.2 不同頻率的含水率檢測(cè)方法

不同頻率下，谷物的介電特性具有不同的特點(diǎn)，影響著谷物含水率的測(cè)量準(zhǔn)確度。本文簡(jiǎn)要回顧了過去幾十年中低、中、高頻谷物含水率檢測(cè)的研究進(jìn)展。

大部分的商用電容式谷物含水率檢測(cè)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(shù)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(guān)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(dāng)谷物含水率大于20%時(shí)，儀器的精度會(huì)下降并需要重新校準(zhǔn)[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(dǎo)納計(jì)對(duì)谷物和種子的介電性能進(jìn)行測(cè)量[52]。結(jié)果表明對(duì)冬小麥的介電常數(shù)的測(cè)量精度約為2%，并且隨著頻率的增加精度會(huì)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(guān)系圖Fig. 2 Relation between dielectric performance and frequency

此外，149 MHz這是一個(gè)特殊的頻率，它源于美國農(nóng)業(yè)部谷物檢驗(yàn)、包裝和儲(chǔ)藏管理局(USDA-GIPSA)組織開發(fā)的統(tǒng)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(gè)算法中，并且算法的精度優(yōu)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(cè)量結(jié)果。選擇149 MHz作為測(cè)量頻率的原因?yàn)椋?1)對(duì)一些含水率高的樣品分析表明，149 MHz時(shí)的電導(dǎo)率效應(yīng)明顯低于100 MHz以下頻率的。(2)對(duì)15種谷物含水率的誤差分析發(fā)現(xiàn)在149 MHz附近出現(xiàn)了一個(gè)極小值[55]。(3)美國業(yè)余無線電頻段在148 MHz 以下，而警察、消防、出租車和飛機(jī)會(huì)使用150 MHz以上的頻段，因此使用149 MHz不易受到通信服務(wù)的干擾[56]。

已有研究，利用250 Hz～10 GHz頻率范圍內(nèi)對(duì)冬小麥的介電常數(shù)與含水率進(jìn)行試驗(yàn)[57]，結(jié)果如圖3所示。數(shù)據(jù)表明冬小麥的介電常數(shù)隨著頻率增加而連續(xù)降低，且不具有線性關(guān)系；此外損耗因子隨頻率增加有不同的變化趨勢(shì)。

測(cè)量谷物的介電常數(shù)時(shí)必須考慮堆積密度對(duì)介電常數(shù)的影響。但是在微波頻率，通過檢測(cè)微波的衰減(幅度減小)、相移(相位延遲)或其他與密度無關(guān)的函數(shù)，可以建立與谷物堆積密度無關(guān)的模型[58]。試驗(yàn)表明當(dāng)微波頻率高于1 GHz時(shí)，材料的電導(dǎo)率不會(huì)受到密度影響。已有研究利用頻率為11～18 GHz的傳感器對(duì)含水率為11%～19%、體積密度為0.72～0.88 g/cm3的冬小麥進(jìn)行試驗(yàn)，微波測(cè)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(shù)，試驗(yàn)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(fā)了兩參數(shù)微波測(cè)量技術(shù)在谷物水分儀[60]或結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用微波測(cè)量谷物含水率[61]。

可用于測(cè)量谷物含水率的頻率范圍很廣，不同頻率所對(duì)應(yīng)的裝置結(jié)構(gòu)和模型也各不同，本文對(duì)它們進(jìn)行了梳理，見表2。

(a) 損失因子與頻率關(guān)系 (b) 介電常數(shù)與頻率關(guān)系圖3 250 Hz～10 GHz頻率下，介電常數(shù)、損失因子與頻率的關(guān)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(cè)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(shí)際大田應(yīng)用中，大都還采用了普通的電容式谷物含水率檢測(cè)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(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)在商業(yè)上得到廣泛使用，但是儀器的準(zhǔn)確性和可靠性較低，尤其是在谷物含水率大于20%時(shí)[71]。通過對(duì)水分儀的誤差來源進(jìn)行研究[72-74]，才能在儀器設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí)，減少各種因素對(duì)電容式水分儀準(zhǔn)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(duì)這三個(gè)影響因素，研究人員提出了許多修正模型。當(dāng)頻率變化時(shí)，主要是對(duì)信號(hào)流模型中的頻率變量進(jìn)行校正，讓傳感器頻率穩(wěn)定在0.1 MHz以內(nèi)，此時(shí)含水率的誤差將保持在0.02%以下[55]。

對(duì)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(shù)換算到一個(gè)統(tǒng)一密度下的介電常數(shù)，介電特性混合方程[76]

(1)

式中：εdc——密度換算后的介電常數(shù)；

εr——原有介電常數(shù)；

ρtarget——目標(biāo)密度，674 kg/m3；

ρsample——谷物樣本的密度，kg/m3。

溫度對(duì)谷物的介電特性有著較為顯著的影響，F(xiàn)unk提出了一個(gè)溫度校正函數(shù)[77]

Mtc=Mpred-Ktc·(T-25)

(2)

式中：Mpred——根據(jù)介電特性實(shí)際計(jì)算出的含水率；

Ktc——溫度校正系數(shù)(每攝氏度的濕度百分比)；

T——測(cè)量時(shí)谷物樣本的溫度；

Mtc——經(jīng)溫度校準(zhǔn)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(shù)只在高頻下與溫度成正比，在低頻和谷物高含水率時(shí)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(cè)

除了利用谷物介電特性的方法以外，商業(yè)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(xué)研制的SHD-1型插入式中子水分儀?；诳栙M(fèi)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(cè)定儀、上海某公司的AKF系列水分儀等。本文對(duì)其他類型的谷物含水率檢測(cè)方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

近紅外光譜測(cè)量法，近紅外光譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分析中廣泛應(yīng)用[79-80]。通過分析O—H，CH—，CH—O和N—H分子鍵的振動(dòng)產(chǎn)生的電磁響應(yīng)，對(duì)樣品中的水、乙醇、糖等成分進(jìn)行分析[81]。早期，利用NIR對(duì)谷物含水率檢測(cè)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(cè)小顆粒谷物，但還不能檢測(cè)大粒的谷物。

表2 不同頻率下谷物含水率檢測(cè)統(tǒng)計(jì)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(chǎng)的能量，吸收能量的多少與試樣中所含的核子數(shù)目成比例。已有研究表明，利用核磁共振法對(duì)含水率為0.05%～100%內(nèi)的谷物測(cè)量，精度可以小于0.5%[82]。

高光譜成像法，高光譜成像技術(shù)除了獲得物質(zhì)的近紅外光譜信息外，還可以獲得物質(zhì)的圖像信息，這為實(shí)現(xiàn)谷物含水量的檢測(cè)提供了可能[83]。在建立預(yù)測(cè)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(shù)用于快速鑒別小麥含水率[86]，有結(jié)果表明高光譜技術(shù)對(duì)小麥籽粒含水量相關(guān)系數(shù)大于0.9[87]。

磁場(chǎng)法，是利用磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)來測(cè)量谷物的含水率，如圖4(a)所示。系統(tǒng)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(yùn)行，主線圈的強(qiáng)磁場(chǎng)被抵消線圈抵消。而暴露于磁體中的谷物樣品會(huì)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)。試驗(yàn)表明，谷物含水率越高二次磁場(chǎng)的強(qiáng)度越大[88]。

聲學(xué)法，研究人員設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種聲學(xué)式水分儀。當(dāng)谷物從漏斗中連續(xù)流出時(shí)，撞擊到一個(gè)30°傾斜的傳感器表面，由表面下方的麥克風(fēng)接收撞擊產(chǎn)生的聲波，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，裝置如圖4(b)所示。通過測(cè)量撞擊聲的聲壓級(jí)(SPL)作為輸出電壓，并確定了電壓與谷物含水率的關(guān)系。結(jié)果表明，谷物距離玻璃傳感器的下落高度為10 cm時(shí)具有最佳的校準(zhǔn)方程(R2=0.94)，對(duì)三種小麥的輸出電壓與籽粒含水率之間的關(guān)系作校準(zhǔn)方程，谷物含水率在8%～20%范圍內(nèi)的最大誤差為1.25%[89]。

中子法，中子式谷物含水率測(cè)量裝置，如圖4(c)所示。裝置主要由中子源、慢中子探測(cè)器、脈沖記數(shù)器、中子源保護(hù)管、電源等組成。工作中，中子源單位時(shí)間發(fā)出固定數(shù)目的快中子(0.1～10 MeV)，當(dāng)快中子與谷物的氫(H)原子核碰撞產(chǎn)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(cè)器上產(chǎn)生電壓脈沖，由脈沖計(jì)數(shù)器記錄脈沖數(shù)，通過建立脈沖數(shù)與谷物含水率的關(guān)系來進(jìn)行預(yù)測(cè)[90]。

電阻法，電阻法是較為常用的方法，在糧倉含水率檢測(cè)和便攜式水分儀上有大量成熟產(chǎn)品。如縱向采料盤的電阻式單粒稻谷水分儀[91]；基于阻-頻轉(zhuǎn)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(cè)阻機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的谷物水分儀。電阻法裝置由取樣機(jī)構(gòu)、信號(hào)處理電路組成，已有試驗(yàn)表明稻谷、小麥和大麥的單粒阻值和含水率的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.998、0.999和0.999。對(duì)含水率為10%～35%的谷物試驗(yàn)，含水率測(cè)量絕對(duì)誤差小于±0.4%[93]。

(a) 磁場(chǎng)法測(cè)含水率系統(tǒng)圖

(b) 聲學(xué)法測(cè)含水率系統(tǒng)圖

(c) 中子法測(cè)含水率系統(tǒng)圖

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

4 多種谷物含水率測(cè)量方法比較

谷物含水率檢測(cè)的方法很多，不同的方法具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，甚至在一個(gè)方法下采用不同的標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)帶來不同的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。已有研究利用烘干法分別在尼日利亞農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)(NSAE)，美國谷物化學(xué)師協(xié)會(huì)(AACC)和美國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)(ASAE)標(biāo)準(zhǔn)等六種不同的烘箱條件下保持恒定的加熱時(shí)間和干燥時(shí)間對(duì)糙米的含水率進(jìn)行測(cè)量，由于不同標(biāo)準(zhǔn)使用了不同的步驟，因此含水率結(jié)果并不一致[94-95]。但干燥法由于性能相對(duì)穩(wěn)定、測(cè)量精度較高、試驗(yàn)方法和條件易于獲得，被廣泛用作含水率檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法。

在其他研究中，對(duì)其他方法的水分儀與標(biāo)準(zhǔn)烘箱方法進(jìn)行了廣泛的研究，總結(jié)如下。

電容法具有成本低、體積小、維護(hù)方便等特點(diǎn)[96]。在大田中，裝置受力較小、相對(duì)簡(jiǎn)單且堅(jiān)固耐用，適用安裝在農(nóng)業(yè)機(jī)械上。但傳感器在測(cè)量過程中需要消耗大量的時(shí)間，且易受環(huán)境溫度濕度、樣品加載時(shí)間、樣品的孔隙度、樣品密度等因素影響，穩(wěn)定性較差，難以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量模型[97-98]。

近紅外光譜法具有檢測(cè)速度快、分析效率高、遠(yuǎn)距離無接觸測(cè)量、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[99-100]。但該方法屬于表面檢測(cè)，反映谷物內(nèi)部真實(shí)水分需要復(fù)雜的模型修正，且涉及到復(fù)雜光路、體積龐大、價(jià)格昂貴。在近紅外光譜數(shù)據(jù)處理過程中，由于樣本的復(fù)雜性使得測(cè)量信息較弱，校正模型的傳遞性和普適性差，對(duì)數(shù)據(jù)處理要求高。該方法較電容法還存在一定的維護(hù)工作，如需要對(duì)紅外光發(fā)射口進(jìn)行清潔，因此不適合做現(xiàn)場(chǎng)分析。但較電容法，近紅外光譜法可以測(cè)得谷物品質(zhì)的各項(xiàng)參數(shù)，具有不可替代性。

電阻式谷物水分儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但是信號(hào)強(qiáng)度小、取樣裝置要求高、不宜于微量水和高含水量的測(cè)定，檢測(cè)結(jié)果受傳感器與樣品接觸狀態(tài)影響較大。聲學(xué)式水分儀重復(fù)性好，反應(yīng)迅速，可進(jìn)行在線測(cè)量，但裝置體積較大，受噪聲、籽粒大小與形狀的影響，對(duì)噪聲信號(hào)的屏蔽要求較高[101]。微波法具有靈敏度高、速度快等特點(diǎn)，但其檢測(cè)下限不夠低，且易引起駐波干擾。卡爾費(fèi)休法在許多的標(biāo)準(zhǔn)里面是物質(zhì)含水率的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，該方法檢測(cè)精度很高可用于測(cè)量微量水分，且檢測(cè)結(jié)果非常穩(wěn)定，但其檢測(cè)試劑成本較高，設(shè)備較復(fù)雜。核磁共振法檢測(cè)速度快、精度高、范圍寬，能區(qū)分自由水和結(jié)合水，但設(shè)備成本昂貴、保養(yǎng)費(fèi)用高、使用前需要精確標(biāo)定。中子法的突出優(yōu)點(diǎn)是高水分段靈敏度高，且對(duì)冰凍狀態(tài)谷物可以檢測(cè)水分，但由于氫的散射性不夠穩(wěn)定，不同品種、產(chǎn)地的谷物測(cè)量結(jié)果差異較大，因此使用前需要進(jìn)行人工標(biāo)定并采取防護(hù)措施。

5 結(jié)論

目前用于谷物含水率檢測(cè)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(hù)方便等特點(diǎn)，在大田中裝置受力較小、相對(duì)簡(jiǎn)單且堅(jiān)固耐用，適用安裝在農(nóng)業(yè)機(jī)械上。近紅外光譜法具有檢測(cè)速度快、分析效率高、遠(yuǎn)距離無接觸測(cè)量、操作簡(jiǎn)單，不但可以分析出谷物含水率，還可以同時(shí)分析出谷物的其他品質(zhì)參數(shù)，但受測(cè)量環(huán)境影響較大，適合用于室內(nèi)谷物品質(zhì)分析。此外，對(duì)于室內(nèi)谷物含水率的檢測(cè)，各種含水率檢測(cè)方法都可以適用，且通過穩(wěn)定環(huán)境下的數(shù)值修正和標(biāo)定，可以準(zhǔn)確的獲得谷物含水率。在大田環(huán)境下，受惡劣環(huán)境、復(fù)雜工況影響和裝置精度要求谷物含水率檢測(cè)還需要滿足以下條件。

1) 提高復(fù)雜環(huán)境下的含水率檢測(cè)穩(wěn)定性和測(cè)量過程中的實(shí)時(shí)性。

2) 裝置必須可靠耐用，安裝維護(hù)方便，校準(zhǔn)簡(jiǎn)單。

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

未來，大田谷物含水率監(jiān)測(cè)發(fā)展除了需要兼顧不同作物類型、加強(qiáng)在低含水率和高含水率的檢測(cè)準(zhǔn)確度，還可以考慮將近紅外光譜方法應(yīng)用到大田環(huán)境下進(jìn)行含水率監(jiān)測(cè)，同時(shí)監(jiān)測(cè)得到谷物的品質(zhì)參數(shù)。