基于微波技術(shù)的織物含水率測量方法

1、，同時用傳統(tǒng)的稱重法對織物的 ，并對所出現(xiàn)的誤差進(jìn)行了分析 30% 50% 、30% 55% 、35%measurement織物含水率會影響織物中纖維的尺寸 、結(jié)構(gòu) 、性 能等 。 由于纖維內(nèi)部的結(jié)合水分已經(jīng)填充在纖維分 子之間 ，所以吸收水分主要使纖維的長度 、寬度發(fā)生 變化 ，并使它們變得膨脹 。 此外 ，織物的水分同樣會 改變其電阻 值 ，從而影響紡織品的靜電荷 、靜 電 摩 擦 、染色工藝表觀深度和固色率等 1 2。在紡織生產(chǎn)中 ，水分測量通常采用烘干法 ，這種 方法很準(zhǔn)確 ，但 單次 測量 耗時 長，無 法實 現(xiàn)在 線 測 量。紅外法易受織物顏色 、結(jié)構(gòu) 、平整度等影響 ，會產(chǎn)生較大

2、的誤差 。 電阻法傳感器探頭長時間與高濕 度的織物接觸會對探頭產(chǎn)生腐蝕 ，亦會影響測量精 度。 微波法檢測速度快 、靈敏度高 、便于動態(tài)檢測和 實時控制 ，受織物顏色 、溫度 、平整度等影響較小 ，對 環(huán)境的敏感性較小 ，可在相對惡劣條件下進(jìn)行 3 4， 由于該測量過程快速穩(wěn)定 ，可以根據(jù)實際生產(chǎn)的需 求 實現(xiàn)在線測量 ，對實現(xiàn)紡織參數(shù)的自動化檢測有 重大 的意義 5。本文首先對織物測濕原理進(jìn)行分析， 并設(shè)計出基于微波技術(shù)的織物含水率測量方法景軍鋒 ，孫 樂，李鵬飛( 西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院 ，陜西 西安 710048 )摘 要 介紹了微波技術(shù)在紡織品水分測量中的應(yīng)用 ，對其濕度測量原理進(jìn)

3、行了分析。 基于微波技術(shù)設(shè)計出一種非接觸式織物含水率的測量系統(tǒng) ，并以 PLC 為處理器對織物的含水率進(jìn)行了測量 含水率進(jìn)行了測量 。 通過對實驗數(shù)據(jù)的處理 ，擬合出不同織物含水率的擬合直線 結(jié)果表明 ，該系統(tǒng)對于棉麻布 ，牛仔布和細(xì)棉布含水率的有效測量范圍分別在 70% 。 棉麻布的測量誤差最小， 在 1% 以內(nèi) 。關(guān)鍵詞 微波 ; 含水率 ; 非接觸 ; 擬合直線 ; 誤差 中圖分類號 : TS 131. 9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 : AM et hod for fabric moisture contentbased on microwave techniqueJING Junfeng ，SUN

4、Le，LI Pengfei( School of Electronicsand Information，Xi an Polytechnic University，Xian，Shaanxi 710048，China)Abstract This paper introduces the use of microwave technol ogy in measurement of textile moisture content ，as well as its measurement principle A non-contact f abric moisture content measureme

5、nt system based on microwave with PLC as the processor was desi gned A lso with conventional weighing method， the moisture content of fabrics was measuredThe experimental data was processed，the fitted lines representing the moisture contents of different fabrics were plotted， and errors were analyze

6、d The experimental results revealed that the effective measure range of this system for cotton linen cloth，denim and fine cotton cloth are 30% 50% ，30% 55% and 35% 70% ，respectively And the cotton linen cloth shows the small est measurement error ( within 1% ) Key words microwave; moisture content;

7、noncont act; fitted lines; error收稿日期 : 2011 10 08修回日期 : 2012 05 09基金項目 : 陜西省科技廳 2011 年度攻關(guān)項目資助 ( 2011K07- 25 ) ; 西安市科技局計劃項目 ( CXY1128 )作者簡介 : 景軍 鋒( 1978 ) ，男，講師，博 士生。主要從事紡織印 染工藝參數(shù)在線檢測等研究。孫 樂，通 信作者，E-mail: sunleyue126 com。62紡織學(xué)報第 33 卷一測濕系統(tǒng) 。 分別對細(xì)棉布 、棉麻布和牛仔布進(jìn)行 測量 ，用擬合原理擬合出不同織物的含水率方程 ，并 對實驗誤差進(jìn)行分析 。1 微波測

8、量水分原理微波對于金屬物質(zhì)由于表面切膚效應(yīng)而迅速衰 減 ，但對非金屬物質(zhì)則具有極強(qiáng)的穿透性 6。 微波在含水的材料中傳播時 ，材料內(nèi)部的水分子由于受 到微波電場的作用而發(fā)生取向極化。 微波能量的損耗主要表現(xiàn)為偶極子取向極化損耗，損耗的大小 與水分子的含量有一定關(guān)系7。 純水的儲能特性 在低頻段約為 80，在 微 波頻段有所減小 ，在 10 GHz 處約為 60 ，而對于一般介質(zhì) 在 1 55之間 。水分 子的損耗因子 約為 40 ，而一般介質(zhì) 小于 1。電磁波在材料中傳播時， 材料中水分子介電常數(shù)的實部與虛部均比其他材料大 2 個數(shù)量級 。 水分的微小變化會引起介電常數(shù)的變化由于水分子的這種特

9、性 ，使水分子成為決定復(fù)合材料介電值的主要部分 。 通過測量透射波的大小來反映材料中的水分含量 ，這就是微波測量水分的理論基礎(chǔ)5。電磁波在電介質(zhì)材料中的傳播常數(shù)= + j，當(dāng)電磁波通過厚度為 d 的介質(zhì)材料時 ，其衰減量 5-8為 dA = ( l) dl = d( 1)材料厚度一定時 ，微波通過材料后能量會衰減 ，P1P1A = 10 lg 1 = 10 lg1ax = kaxP2P 1 eax可以驗證 ，若能對衰減的微波能量進(jìn)行測量 ，經(jīng)數(shù)據(jù) 處理后就可得出材料的含水率， 能量的衰減 : P1U1 2 /R1A = 10 lg P 1 = 10 lg 1 2 1P 2微波能量在經(jīng)過復(fù)介質(zhì)材

10、料后R2不變 ，因此式 ( 3) 可簡化為U1 2 /R1A =10 lg 1 2 1 = 10U2 2 /R2U 2110 lg 1 = 20 lg U1U2U2通過測量微波在衰減前后電壓值的變化量便可 求出衰減量， 從而計算出織物的含水率 。( 2)( 3)U 2 /R2，其 阻 抗 值 R1，lg UU1 2 /RR1U2 2 /R2U1( 4)理模塊 、數(shù)據(jù)處理與顯示組成 ，通過電源模塊為各部 分提供不同需求的電源 。振蕩器使電源提供的直流功率轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l功 率，在此產(chǎn)生 10 GHz 頻率的微波信號 。 隔離器為單 向傳輸器件 ，接在某些波導(dǎo)元件之間 ，能夠使正向傳 輸?shù)男盘枱o衰減或衰

11、減很小 ，而對于反向傳輸?shù)男?號則具有較大衰減 。 并能夠吸收由負(fù)載不匹配所引 起的反射 ，用以隔斷波導(dǎo)元件間的相互影響 ，使振蕩 器產(chǎn)生的信號穩(wěn)定工作 。 衰減器用來調(diào)節(jié)傳輸系統(tǒng) 中功率電平的大小 。微波發(fā)射與接收天線采用增益高 、反射小 、方向 性好的矩形喇叭天線 。 在天線口加上聚四氟乙烯使 微波能量更集中地發(fā)射和接收 。 檢波器和選頻放大 器實質(zhì)上為放大濾波電路 。 由于檢波器的輸出信號 含有噪聲需經(jīng)過濾波器進(jìn)行濾波 ，在此用選頻放大 器來保證測量精度 。 振蕩器與電源構(gòu)成微波信號源 發(fā)出的 10 GHz 信號 ，經(jīng)隔離器與衰減器作用后由發(fā) 射天線發(fā)射 。 信號經(jīng)過待測織物后， 部分信

12、號被織 物中的水分吸收并耗散掉 ，沒被吸收的信號透過織 物后被接收天線接收 ，經(jīng)檢波器與選頻放大器調(diào)理 后傳輸?shù)教幚砥鳎?處理器對采集到的信號處理后由 顯示裝置進(jìn)行顯示， 待下一步的應(yīng)用分析 。 2. 2 線性擬合原理通過前期實驗可知 ，在一定頻段微波作用下 ，織 物中水分含量與微波功率的衰減有一定的規(guī)律 。 該 規(guī)律近似為 1 條直線 。 在此可用一元線性回歸分析 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 9。對于實驗樣本 ( xi，yi ) ，每個 xi 可以確定 1 個回 歸值 yi。這個回歸值與實際測量值Yi 之差 Yi yi表示回歸直線 y = + x 的偏離程度 ，若偏離越小 ， 則擬 合 越 好。 把求出

13、 的 、代入回歸直線 方 程 可 得到經(jīng)驗回歸直線方程y = + x，其中 為經(jīng)驗回歸系數(shù) 。 由于等精度測量結(jié)果的最可信賴值應(yīng)在殘 余誤差平方和最小時求出 。 因此通過以上求解， 就 可以求出擬合多項式的系數(shù) 。3 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析首先對相同規(guī)格的細(xì)棉布行多次稱量以減小系統(tǒng)誤差、牛仔布和棉麻布進(jìn) 用稱重法得到的測量2 實驗系統(tǒng)設(shè)計2. 1 測濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)測濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由微波信號源 、檢測模塊 、信號調(diào)值可以認(rèn)為是織物含水率的準(zhǔn)確值 ，用于與微波透射法的測 量 值 進(jìn) 行 比 較 。 對同一試樣用稱量法 測量 ，再用微波透射法來測量其衰減量 ，由于每一衰減值均對應(yīng)一濕度值 ，再通過對實驗數(shù)據(jù)的擬

14、合便可以得到織物含水率的擬合方程 。細(xì)棉布 、棉麻布 、牛仔布試樣厚度分別為 0. 44 、 0. 24、0. 64 mm。參考 文獻(xiàn)4-6可以知道，厚 度與 衰減量無關(guān) 。 表 1 示出細(xì)棉布 、棉麻布和牛仔布的 測量數(shù)據(jù) 。表 1 不同織物的實驗數(shù)據(jù)Tab1 Different f abric experimental data織物測量電壓 /V稱重濕度 /%擬合濕度 / %細(xì)棉布0. 2576. 3380. 79細(xì)棉布0. 2974. 1176. 32細(xì)棉布0. 4068. 6666. 64細(xì)棉布0. 4666. 1962. 43細(xì)棉布0. 5562. 0957. 060. 6456.

15、3452. 49細(xì)棉布0. 7050. 4349. 80細(xì)棉布0. 8641. 3943. 60細(xì)棉布0. 9334. 8341. 24細(xì)棉布0. 5650. 9654. 82棉麻布0. 6447. 8747. 57棉麻布0. 6745. 7845. 09棉麻布0. 7242. 2841. 19棉麻布0. 8038. 6735. 470. 8735. 7630. 92棉麻布0. 8833. 3130. 30棉麻布0. 9026. 8629. 08棉麻布0. 9916. 8523. 91棉麻布0. 3060. 0762. 17棉麻布0. 3258. 2160. 42牛仔布0. 4055. 495

16、4. 36牛仔布0. 4554. 0451. 16牛仔布0. 5248. 8847. 24牛仔布0. 5845. 8744. 280. 6243. 4642. 47牛仔布0. 7238. 1838. 41牛仔布0. 7936. 1935. 89牛仔布0. 8134. 235. 21牛仔布0. 8530. 9133. 90牛仔布牛仔布牛仔布由于測量是在等間隔時間點進(jìn)行的 ，對于每種 布匹的吸水量 、風(fēng)干時間都會不 同 。 由于布匹的厚 度也會影響風(fēng)干時間 ，因此對于不同種類布匹測量 得到的實驗個數(shù)也有所不同 。 圖 1 示出細(xì)棉布 、棉 麻布和牛仔布對應(yīng)的微波衰減量與織物含水率的擬 合直線 。

17、對應(yīng)的擬合直線方程分別為 :細(xì)棉布y=3. 465 8x + 38. 462 2( 5)棉麻布y=6. 245 8x + 22. 289 0( 6)牛仔布y=3. 125 1x + 28. 952 1( 7)式中 : x 為微波功率的衰減量 ; y 為擬合含水率的值 。由擬合直線和實際測量數(shù)據(jù)可以看出， 當(dāng)細(xì)棉圖 1 織物擬合直線Fig1 Fabric f itt ing line布含水率小于 40% 、大于 70% 時擬合直線與實際含 水率有較大偏差 ; 當(dāng)棉麻布含水率小于 30% 時擬合 直線與實際含水率有較大偏差 ; 當(dāng)牛仔布含水率小 于 30% 、大于 55% 時擬合直線與實際含水率有

18、較大 偏差 。由于實驗是在室溫環(huán)境下通風(fēng)進(jìn)行 ，耗時較長 ， 誤差較大 ，為模擬實際生產(chǎn)情況 ，采用烘箱加熱干燥 法進(jìn)行布匹溫度的測量 。表 2 示出對棉麻布 、牛仔布和細(xì)棉布通過加熱 干燥后測量數(shù)據(jù) 。表 2 織物加熱干燥數(shù)據(jù)Tab2 Fabric heati ng drying data織物 測量電壓 /V 稱重濕度 /% 擬合濕度 /%細(xì)棉布0.3476. 2681. 28細(xì)棉布0.5070. 3569. 14細(xì)棉布0.5868. 2964. 460.7063. 8758. 54細(xì)棉布0.7759. 3155. 54細(xì)棉布0.8157. 2453. 94細(xì)棉布0.8846. 4851.

19、33細(xì)棉布0.9441. 6849. 23細(xì)棉布0.5349. 852. 36棉麻布0.5648. 5349. 95棉麻布0.7743. 0335. 98棉麻布0.8039. 2134. 310.8530. 9331. 65棉麻布0.9519. 5226. 77棉麻布0.2958. 5363. 99棉麻布0.3258. 4261. 29牛仔布0.4954. 8249. 58牛仔布0.5351. 9647. 43牛仔布0.5750. 1145. 43牛仔布0.6146. 1243. 57牛仔布0.6543. 4341. 820.7936. 4136. 46牛仔布0.8531. 6834. 45牛

20、仔布0.9125. 1332. 58牛仔布牛仔布牛仔布第9 期景軍峰 等 : 基于微波技術(shù)的織物含水率測量方法6364紡織學(xué)報第 33 卷由于測量是在等間隔時間點進(jìn)行的 ，每種布匹 的加熱干燥時間都不同 ，因此對于不同種類布匹測 量得到的實驗個數(shù)也有所不同。 圖 2 示出細(xì)棉布棉麻布和牛仔布加熱干燥后微波衰減量與含水率的擬合直線 。圖 2 布匹的加熱干燥擬合直線Fig2 Fabric heating drying fitting line由擬合直線與測量數(shù)據(jù)可以看出 ，實際測量數(shù) 據(jù)與擬合直線的偏離程度要比用烘干法大 些，但 是 通過與烘干法的比較可以看出 ，當(dāng)細(xì)棉布含水率在 35% 70%

21、，棉麻布含水率在30% 50% ，牛 仔 布含水率在 30% 55% 之間時的擬合直線與用稱 量 法得到的結(jié)果相比 ，線性度較好 ，誤差也較小 。取細(xì)棉布含水率在 35% 70% 之間，棉麻布含 水率在 30% 50% 之 間 ，牛仔布含水率在 30% 55% 之間的數(shù)據(jù)重新擬合 ，得到圖 3 所示的修正后 的擬合直線 。圖 3 布匹的修正擬合直線Fig3 Fabric correction fitting line對應(yīng)的擬合方程分別為 :細(xì)棉布 y = 4. 604 0 x + 34. 534 7棉麻布 y =4. 843 4x +28. 100 8y = 3. 712 9x + 26. 8

22、73 7 牛仔布( 8)( 9)( 10)式中 : x 為微波功率的衰減量 ; y 為含水率的擬合值 。 從修正后的擬合直線可以看出 ，對于不同種類的織 物 ，在某一含水率范圍內(nèi) ，用微波透射法得到的數(shù)據(jù) 與傳統(tǒng)稱重法相比 ，細(xì)棉布誤差小于 3. 3% ，棉麻布 誤差小于 1% ，而牛仔布誤差小于 1. 5% 。 實際生產(chǎn) 中的織物均為高濕度狀態(tài) ，1% 的誤差已經(jīng)很好 ，3% 的誤差雖然有點大 ，但仍在可接受范圍 ，并且不排除 實驗中由偶然因素所造成的誤差放大 。4 誤差分析產(chǎn)生實驗誤差的因素可能由系統(tǒng)誤差與測量誤 差引起 。系統(tǒng)誤差是由實驗原理與系統(tǒng)設(shè)計所造成 ，應(yīng)用微波測量織物水分的相關(guān)

23、理論雖然很成熟，但嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式至今學(xué)術(shù)界也沒有給出， 現(xiàn)有的都只 是經(jīng)驗公式 ，實驗中用到的器件等也存在一定的缺 陷 ，設(shè)備的安裝等都會造成系統(tǒng)誤差。對于測量誤差 ，電子秤在實用過程中會產(chǎn)生溫 漂 ，帶來誤差 ; 微波發(fā)生裝置需經(jīng)過一段時間預(yù)熱才 會穩(wěn)定 ，也會帶來誤差 ; 實驗中的布匹是經(jīng)手工拉直 測量的 ，布匹中的水分分布不勻也會造成誤差。 而實際生產(chǎn)中的布匹是從軋染機(jī)出來的 ，水分分布 非常均勻 ; 用烘箱加熱時由于烘箱體積有限 ，布匹放入 烘箱中加熱時是折疊放入的 ，加熱時水分蒸發(fā)不均 勻 ，也會造成誤差 ; 用風(fēng)干法干燥布匹 時 ，布匹是 垂 直放置 ，下半部的水分含量會比上半部高

24、 ，也會造成 測量誤差 。通過對棉麻布 、牛仔布和細(xì)棉布的含水率分析 可以看出 : 由于不同織物的吸水性能不同 ，超過其吸 水能力時 ，水分不會被吸收 。 而含水率過小時 ，水分 的介電常數(shù)占不到主導(dǎo)地位 ，微波對水分的吸收也 會減弱 ，測量時也會造成誤差 。5 結(jié)語實驗證明微波透射法對織物含水率進(jìn)行測量可 以實現(xiàn) 。 該方法操作簡單 ，實驗誤差小 ，可實現(xiàn)非接 觸 、無損式在線測量 。由于織物中水分含量與微波 能耗間并非是線性關(guān)系 。 通過擬合所得到的直線也 會有一定的誤差 ，造成這種誤差的因素既有系統(tǒng)誤 差又有測量誤差 ，這一點值得考慮 ，這也是下一步需 要研究解決的內(nèi)容FZXB參考文獻(xiàn)1

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