棉花回潮率检测技术研究现状与发展趋势

■ 刘妍妍 王会博

〔郑州棉麻工程技术设计研究所，河南郑州450004〕

一、引言

棉花的吸湿性是棉纤维的重要性质，因此回潮率是棉花的重要指标。回潮率是指规定条件下测得的原棉水分含量，以试样的湿重与干重的差值对干重的百分率表示，其

定义公式见式（1）。

式中：R-回潮率，%；

W1-棉样干重，t；

W2-棉样湿重，t。

国家标准明确规定了棉花公定回潮率为8.5%［1］，棉花贸易中，通过实际检测的回潮率来决定最终的结算重量［2］。在加工过程中，不同的回潮率则对棉花加工质量影响显著［3］［4］。此外，棉花回潮率还影响贮藏运输［5］［6］、加工工艺［7］和纺织使用［8］等多个环节［9］［10］，准确检测出棉花回潮率至关重要［11］。为此，本文归纳了国内外棉花回潮率检测技术研究现状及应用情况，并对棉花回潮率检测技术未来发展趋势进行展望，以期为未来我国棉花回潮率检测技术及应用提供参考。

二、棉花回潮率检测技术研究及应用现状

随着技术的进步，棉花回潮率检测方法虽然有很多种，但是归纳起来主要有两大类：直接法和间接法。

（一）直接法

直接法是先测量棉样的湿重，然后利用干燥或化学方法将棉花烘干测量干重，最后通过回潮率定义公式计算出回潮率。棉花回潮率检测中最常用的直接法是烘箱法。我国GB/T 6102.1—2006《原棉回潮率试验方法 烘箱法》规定采用烘箱法测定原棉回潮率［12］。

烘箱法是取一定量的棉样，把其放入设定温度的烘箱内进行烘干，直到棉样被烘至恒重，然后利用回潮率定义公式计算出原棉的回潮率。其优点是检测结果准确，受环境因素影响小；其缺点是耗时时间长、效率低，样品容易被破坏。通常实验室采用烘箱法，目前实验室中最常用的为Y802A 型八篮恒温烘箱（见图1）。

图1 Y802A型八篮恒温烘箱

（二）间接法

间接法是利用棉纤维的某些特性与回潮率之间的关系，间接转换获得棉花回潮率。棉花回潮率间接检测法主要有电阻式回潮率检测法、电容式回潮率检测法、红外式回潮率检测法、微波式回潮率检测法及CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）式回潮率检测法等。

1.电阻式回潮率检测法。

电阻式回潮率检测法（以下简称“电阻法”）是利用棉花的导电特性，通过研究棉纤维回潮率与电阻值的对应关系来进行棉花回潮率测定的方法。考虑到影响棉花导电特性除了回潮率外，还有温湿度、电压、密度等的因素，使用该方法时需要保持在一定的温湿度、电压和密度等条件下，必要时还需要添加相应的补偿模块。

电阻式回潮率检测法是国内外棉花行业回潮率检测应用最广的间接检测方法。国外对此研究较早，1908年Briggs首次建立了电压与回潮率之间的关系模型，1966年Byler RK首次将电阻法应用在轧花机烘干自动控制仪上，1996年Byler RK和Anthony WS研发出一种新的电阻式的棉花回潮率在线检测系统［13］。世界先进的纺织测试和质量控制设备供应商USTER 生产的HVI1000［14］大容量棉花测试仪和Intelligin［15］产品，其回潮率检测模块也是基于电阻法检测原理实现的。

我国于20世纪50年代年开始研究基于电阻法的棉花回潮率检测技术，首先研制出基于电阻法的原棉回潮率测定仪。随着棉花质量检测技术的进步，原棉回潮率测定仪不断地进行优化改进，2021年陕西华斯特仪器有限责任公司设计了一种便携式棉花回潮率测定仪［16］，采用单片机控制、实现全自动压棉、触屏显示屏操作、可实现数据存储和数据通信等，有效解决了原有仪器存在的操作繁琐、劳动强度大、测试精度误差等问题。随着棉花加工技术的进步，行业内科研人员根据使用环节不同［17］，研制了采棉机用籽棉回潮率检测装置［18］、手持式籽棉回潮率检测仪［19］、门架式籽棉回潮率检测仪［20］、车载式籽棉回潮率检测仪［21］、籽棉回潮率在线检测装置［22］［23］［24］、棉包回潮率在线检测系统［25］和棉包水分测定仪［26］等电阻式棉花回潮率检测设备，部分产品见图2—图6。

图2 原棉回潮率检测仪

图3 手持式籽棉回潮率检测仪

图4 门架式回潮率检测仪

图5 籽棉回潮率在线检测装置

图6 棉包回潮率检测仪

国内目前基于电阻式的皮棉回潮率检测技术已经比较成熟，产品已广泛应用。但基于电阻式的籽棉回潮率检测技术研究不够深入，采摘、收购及加工环节的籽棉回潮率检测产品还存在检测精度不高、性能不稳定、受环境影响大等问题，并未进行广泛应用。

2.电容式回潮率检测法。

电容式回潮率检测法（以下简称“电容法”）是根据不同回潮率的棉花，其介电常数不同来测定棉花回潮率。按介质不同分为直接测量法和间接测量法两种。

直接测量法以棉花为电容器的中间介质，通过测量电容的大小来测定棉花回潮率。王伟［27］等人设计了一种高精度数字化棉花水分智能检测仪，采用阻容脉冲转换（RC/F）、RS485通讯模块技术，实现了数字化检测。王建平［28］等人介绍了一种基于STC89C52RC单片机控制的电容式棉花水分检测仪，并通过试验研制了该棉花水分检测仪的可行性。陈超［29］等人进行了一种基于STC89C52RC单片机的轻巧型智能棉花水分检测仪的设计与试验，并采用ZCSll00型精密电容位移传感器，为提高仪器的灵敏度与精准性提供了参考。

间接测量法以多孔硅、聚酰亚胺等吸附材料作为电容器的中间介质，介质吸附材料吸附棉花中的水分后，通过测量电容大小来测定棉花回潮率。胡智宏［30］等人以聚酰亚胺湿敏材料为介质构成测量电容，设计了一种便携电容式棉花含水量测量仪，并制作出样机。

电容式回潮率检测法具有检测精度高、非接触的优点，但由于其缺点是电路结构复杂、成本高，因此，虽有学者进行研究却并未见棉花回潮率检测产品应用。

3.红外式回潮率检测法。

红外式回潮率检测法（以下简称“红外法”）根据不同回潮率的棉花对特定波长的红外线吸收程度差异，测得红外线透射前后的衰减量来测定棉花回潮率［31］。

Anthony WS［32］于1986年设计了基于红外法的棉花回潮率在线检测仪安装在轧花机上，并通过与烘箱法对比验证了其可行性与测量精度，提出了一种用红外传感器在线检测棉花回潮率的方法，得出了基于红外法的在线棉花回潮率检测可行且具有良好的测量精度的结论。1999年Steve Moffett和Paul Mohr［33］设计了基于红外法的棉花回潮检测仪。2019年Kuldashov［34］等人设计了基于近红外LED 光源的双波长棉花回潮率传感器。毕新胜［35］等通过分析和研究近红外技术，提出用漫反射法检测籽棉回潮率，论述了红外法在籽棉回潮率检测中的可行性和优越性。杨舒涵［36］提出一种基于红外的棉花回潮率检测方法，通过试验初步验证了基于红外的棉花回潮率检测的可行性，并设计了红外测量的原理装置。国外对于红外式回潮率检测法研究较早，目前已有相关产品用于棉花加工企业，但其价格也比较昂贵。而国内因为仅有部分学者开始研究，所以并未形成产品。

4.微波式回潮率检测法。

微波式回潮率检测法（以下简称“微波法”）是根据微波衰减的特性来测定棉花回潮率。在特定微波范围内，不同回潮率棉花介电常数不同，通过检测不同回潮率棉花的微波衰减量测得棉花回潮率。

Richard Kingswood Kelly 和 Krzysztof Marian Kuchar［37］设计了棉包的微波式回潮率检测装置。Mathew G.Pelletier［38］等人研究了籽棉的微波特性，在1.0 GHz～2.5 GHz范围内收集了采收环节籽棉回潮率和密度与微波特性关系的实验数据，并利用数据研究预测回潮率的算法，为后续开发籽棉微波传感器奠定基础。Rodgers James［39］在实验室中采用微波法测量棉纤维回潮率，并于烘箱法进行对比，精度可达到0.1%，验证了微波法测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检测方法，并建立了籽棉回潮率与电磁波衰减和相移变化之间的数学模型。西安市阿尔特科实业发展有限公司最早开始研究微波法检测棉花回潮率，2012年研制出检测棉包的AT-MBC 型水分测量仪，2018年李世星［41］等人设计了用于收购环节的籽棉回潮率测量仪。院志霞［42］等人对微波法检测籽棉回潮率进行了试验研究，与烘箱法试验结果对比符合籽棉回潮率检测误差1%的要求。许明翥［43］等人在实验室中进行了微波法籽棉回潮率测试仪插入式回潮率报警器的对比试验，验证了微波法籽棉回潮率测试仪检测结果的准确性、重复性和一致性。

目前国内虽然已有西安市阿尔特科实业发展有限公司生产的棉包水分测量仪和籽棉回潮率测量仪（见图7）在实地使用，但是并未大范围推广。

图7 微波法籽棉回潮率测量仪

5.CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）式回潮率检测法。

CCD 式回潮率检测法是近年来发展起来的，与红外式回潮率检测法类似，均通过光线透射衰减测定回潮率；不同的是CCD 式回潮率检测法利用波长为940 nm的红外吸收量。由于此方法亦可用在棉花色泽和杂质检测中，对于开发多指标的棉花品质检测仪器来说应用前景较好，但其缺点是检测精度低，因此关于CCD 式回潮率检测技术的研究及应用均比较少见。

几种棉花回潮率检测技术对比见表1。

表1 棉花回潮率检测方法对比

三、国内棉花回潮率检测技术发展趋势

随着科技的进步，棉花产业步入信息化、智能化时代，棉花回潮率检测技术的落后必然会制约行业的发展。综合分析国内外棉花回潮率检测技术研究及应用现状，笔者认为未来国内棉花回潮率检测技术的发展有以下几个方向。

（一）深入研究电阻式籽棉回潮率检测技术

电阻式回潮率检测法是国内外棉花行业回潮率检测应用最广的间接检测方法。从电阻式棉花回潮率检测技术成果看，国内目前基于电阻法的皮棉回潮率检测技术已经相对成熟，其检测精度可控制在0.2%以内。但籽棉回潮率检测技术因为受到棉籽、杂质等物料本身因素的影响，检测结果不够精准，后续需继续研究籽棉中的杂质、棉籽与回潮率电阻的关系，同时运用机器学习等新兴技术来增强数据处理能力，提高籽棉回潮率检测精度。

（二）进一步研究新型的棉花回潮率检测技术

红外式回潮率检测技术的优点是测量精度高、可实现非接触式测量，是国外研究较早、应用广泛的棉花回潮率检测技术，国内的研究及应用还在起步阶段，后续研究人员可进行深入研究。虽然国内已有微波式回潮率测量技术研究并形成产品，但是仪器体积较大且成本投入高，后续仍需进一步研究。

（三）检测技术综合化

目前的棉花回潮率检测技术都有优缺点，怎样把两种或者多种技术结合起来以长补短将作为后续研究的方向。

四、结语

通过分析国内外棉花回潮率检测技术研究及应用现状，笔者认为未来国内棉花回潮率检测技术将向着电阻式籽棉回潮率检测技术的深入研究、新型棉花回潮率检测技术的进一步研究及应用、检测技术综合化研究等方向发展，希望浅见可以为未来我国棉花回潮率检测技术研究及应用提供参考。