基于微波技术的织物含水率测量方法

1、，同时用传统的称重法对织物的 ，并对所出现的误差进行了分析 30% 50% 、30% 55% 、35%measurement织物含水率会影响织物中纤维的尺寸 、结构 、性 能等 。 由于纤维内部的结合水分已经填充在纤维分 子之间 ，所以吸收水分主要使纤维的长度 、宽度发生 变化 ，并使它们变得膨胀 。 此外 ，织物的水分同样会 改变其电阻 值 ，从而影响纺织品的静电荷 、静 电 摩 擦 、染色工艺表观深度和固色率等 1 2。在纺织生产中 ，水分测量通常采用烘干法 ，这种 方法很准确 ，但 单次 测量 耗时 长，无 法实 现在 线 测 量。红外法易受织物颜色 、结构 、平整度等影响 ，会产生较大

2、的误差 。 电阻法传感器探头长时间与高湿 度的织物接触会对探头产生腐蚀 ，亦会影响测量精 度。 微波法检测速度快 、灵敏度高 、便于动态检测和 实时控制 ，受织物颜色 、温度 、平整度等影响较小 ，对 环境的敏感性较小 ，可在相对恶劣条件下进行 3 4， 由于该测量过程快速稳定 ，可以根据实际生产的需 求 实现在线测量 ，对实现纺织参数的自动化检测有 重大 的意义 5。本文首先对织物测湿原理进行分析， 并设计出基于微波技术的织物含水率测量方法景军锋 ，孙 乐，李鹏飞( 西安工程大学 电子信息学院 ，陕西 西安 710048 )摘 要 介绍了微波技术在纺织品水分测量中的应用 ，对其湿度测量原理进

3、行了分析。 基于微波技术设计出一种非接触式织物含水率的测量系统 ，并以 PLC 为处理器对织物的含水率进行了测量 含水率进行了测量 。 通过对实验数据的处理 ，拟合出不同织物含水率的拟合直线 结果表明 ，该系统对于棉麻布 ，牛仔布和细棉布含水率的有效测量范围分别在 70% 。 棉麻布的测量误差最小， 在 1% 以内 。关键词 微波 ; 含水率 ; 非接触 ; 拟合直线 ; 误差 中图分类号 : TS 131. 9 文献标志码 : 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基金项目 : 陕西省科技厅 2011 年度攻关项目资助 ( 2011K07- 25 ) ; 西安市科技局计划项目 ( CXY1128 )作者简介 : 景军 锋( 1978 ) ，男，讲师，博 士生。主要从事纺织印 染工艺参数在线检测等研究。孙 乐，通 信作者，E-mail: sunleyue126 com。62纺织学报第 33 卷一测湿系统 。 分别对细棉布 、棉麻布和牛仔布进行 测量 ，用拟合原理拟合出不同织物的含水率方程 ，并 对实验误差进行分析 。1 微波测

8、量水分原理微波对于金属物质由于表面切肤效应而迅速衰 减 ，但对非金属物质则具有极强的穿透性 6。 微波在含水的材料中传播时 ，材料内部的水分子由于受 到微波电场的作用而发生取向极化。 微波能量的损耗主要表现为偶极子取向极化损耗，损耗的大小 与水分子的含量有一定关系7。 纯水的储能特性 在低频段约为 80，在 微 波频段有所减小 ，在 10 GHz 处约为 60 ，而对于一般介质 在 1 55之间 。水分 子的损耗因子 约为 40 ，而一般介质 小于 1。电磁波在材料中传播时， 材料中水分子介电常数的实部与虚部均比其他材料大 2 个数量级 。 水分的微小变化会引起介电常数的变化由于水分子的这种特

9、性 ，使水分子成为决定复合材料介电值的主要部分 。 通过测量透射波的大小来反映材料中的水分含量 ，这就是微波测量水分的理论基础5。电磁波在电介质材料中的传播常数= + j，当电磁波通过厚度为 d 的介质材料时 ，其衰减量 5-8为 dA = ( l) dl = d( 1)材料厚度一定时 ，微波通过材料后能量会衰减 ，P1P1A = 10 lg 1 = 10 lg1ax = kaxP2P 1 eax可以验证 ，若能对衰减的微波能量进行测量 ，经数据 处理后就可得出材料的含水率， 能量的衰减 : P1U1 2 /R1A = 10 lg P 1 = 10 lg 1 2 1P 2微波能量在经过复介质材

10、料后R2不变 ，因此式 ( 3) 可简化为U1 2 /R1A =10 lg 1 2 1 = 10U2 2 /R2U 2110 lg 1 = 20 lg U1U2U2通过测量微波在衰减前后电压值的变化量便可 求出衰减量， 从而计算出织物的含水率 。( 2)( 3)U 2 /R2，其 阻 抗 值 R1，lg UU1 2 /RR1U2 2 /R2U1( 4)理模块 、数据处理与显示组成 ，通过电源模块为各部 分提供不同需求的电源 。振荡器使电源提供的直流功率转变为射频功 率，在此产生 10 GHz 频率的微波信号 。 隔离器为单 向传输器件 ，接在某些波导元件之间 ，能够使正向传 输的信号无衰减或衰

11、减很小 ，而对于反向传输的信 号则具有较大衰减 。 并能够吸收由负载不匹配所引 起的反射 ，用以隔断波导元件间的相互影响 ，使振荡 器产生的信号稳定工作 。 衰减器用来调节传输系统 中功率电平的大小 。微波发射与接收天线采用增益高 、反射小 、方向 性好的矩形喇叭天线 。 在天线口加上聚四氟乙烯使 微波能量更集中地发射和接收 。 检波器和选频放大 器实质上为放大滤波电路 。 由于检波器的输出信号 含有噪声需经过滤波器进行滤波 ，在此用选频放大 器来保证测量精度 。 振荡器与电源构成微波信号源 发出的 10 GHz 信号 ，经隔离器与衰减器作用后由发 射天线发射 。 信号经过待测织物后， 部分信

12、号被织 物中的水分吸收并耗散掉 ，没被吸收的信号透过织 物后被接收天线接收 ，经检波器与选频放大器调理 后传输到处理器， 处理器对采集到的信号处理后由 显示装置进行显示， 待下一步的应用分析 。 2. 2 线性拟合原理通过前期实验可知 ，在一定频段微波作用下 ，织 物中水分含量与微波功率的衰减有一定的规律 。 该 规律近似为 1 条直线 。 在此可用一元线性回归分析 对数据进行处理 9。对于实验样本 ( xi，yi ) ，每个 xi 可以确定 1 个回 归值 yi。这个回归值与实际测量值Yi 之差 Yi yi表示回归直线 y = + x 的偏离程度 ，若偏离越小 ， 则拟 合 越 好。 把求出

13、 的 、代入回归直线 方 程 可 得到经验回归直线方程y = + x，其中 为经验回归系数 。 由于等精度测量结果的最可信赖值应在残 余误差平方和最小时求出 。 因此通过以上求解， 就 可以求出拟合多项式的系数 。3 实验结果与数据分析首先对相同规格的细棉布行多次称量以减小系统误差、牛仔布和棉麻布进 用称重法得到的测量2 实验系统设计2. 1 测湿系统结构测湿系统结构由微波信号源 、检测模块 、信号调值可以认为是织物含水率的准确值 ，用于与微波透射法的测 量 值 进 行 比 较 。 对同一试样用称量法 测量 ，再用微波透射法来测量其衰减量 ，由于每一衰减值均对应一湿度值 ，再通过对实验数据的拟

14、合便可以得到织物含水率的拟合方程 。细棉布 、棉麻布 、牛仔布试样厚度分别为 0. 44 、 0. 24、0. 64 mm。参考 文献4-6可以知道，厚 度与 衰减量无关 。 表 1 示出细棉布 、棉麻布和牛仔布的 测量数据 。表 1 不同织物的实验数据Tab1 Different f abric experimental data织物测量电压 /V称重湿度 /%拟合湿度 / %细棉布0. 2576. 3380. 79细棉布0. 2974. 1176. 32细棉布0. 4068. 6666. 64细棉布0. 4666. 1962. 43细棉布0. 5562. 0957. 060. 6456.

15、3452. 49细棉布0. 7050. 4349. 80细棉布0. 8641. 3943. 60细棉布0. 9334. 8341. 24细棉布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测量是在等间隔时间点进行的 ，对于每种 布匹的吸水量 、风干时间都会不 同 。 由于布匹的厚 度也会影响风干时间 ，因此对于不同种类布匹测量 得到的实验个数也有所不同 。 图 1 示出细棉布 、棉 麻布和牛仔布对应的微波衰减量与织物含水率的拟 合直线 。

17、对应的拟合直线方程分别为 :细棉布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 为微波功率的衰减量 ; y 为拟合含水率的值 。由拟合直线和实际测量数据可以看出， 当细棉图 1 织物拟合直线Fig1 Fabric f itt ing line布含水率小于 40% 、大于 70% 时拟合直线与实际含 水率有较大偏差 ; 当棉麻布含水率小于 30% 时拟合 直线与实际含水率有较大偏差 ; 当牛仔布含水率小 于 30% 、大于 55% 时拟合直线与实际含水率有

18、较大 偏差 。由于实验是在室温环境下通风进行 ，耗时较长 ， 误差较大 ，为模拟实际生产情况 ，采用烘箱加热干燥 法进行布匹温度的测量 。表 2 示出对棉麻布 、牛仔布和细棉布通过加热 干燥后测量数据 。表 2 织物加热干燥数据Tab2 Fabric heati ng drying data织物 测量电压 /V 称重湿度 /% 拟合湿度 /%细棉布0.3476. 2681. 28细棉布0.5070. 3569. 14细棉布0.5868. 2964. 460.7063. 8758. 54细棉布0.7759. 3155. 54细棉布0.8157. 2453. 94细棉布0.8846. 4851.

19、33细棉布0.9441. 6849. 23细棉布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 期景军峰 等 : 基于微波技术的织物含水率测量方法6364纺织学报第 33 卷由于测量是在等间隔时间点进行的 ，每种布匹 的加热干燥时间都不同 ，因此对于不同种类布匹测 量得到的实验个数也有所不同。 图 2 示出细棉布棉麻布和牛仔布加热干燥后微波衰减量与含水率的拟合直线 。图 2 布匹的加热干燥拟合直线Fig2 Fabric heating drying fitting line由拟合直线与测量数据可以看出 ，实际测量数 据与拟合直线的偏离程度要比用烘干法大 些，但 是 通过与烘干法的比较可以看出 ，当细棉布含水率在 35% 70%

21、，棉麻布含水率在30% 50% ，牛 仔 布含水率在 30% 55% 之间时的拟合直线与用称 量 法得到的结果相比 ，线性度较好 ，误差也较小 。取细棉布含水率在 35% 70% 之间，棉麻布含 水率在 30% 50% 之 间 ，牛仔布含水率在 30% 55% 之间的数据重新拟合 ，得到图 3 所示的修正后 的拟合直线 。图 3 布匹的修正拟合直线Fig3 Fabric correction fitting line对应的拟合方程分别为 :细棉布 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 为微波功率的衰减量 ; y 为含水率的拟合值 。 从修正后的拟合直线可以看出 ，对于不同种类的织 物 ，在某一含水率范围内 ，用微波透射法得到的数据 与传统称重法相比 ，细棉布误差小于 3. 3% ，棉麻布 误差小于 1% ，而牛仔布误差小于 1. 5% 。 实际生产 中的织物均为高湿度状态 ，1% 的误差已经很好 ，3% 的误差虽然有点大 ，但仍在可接受范围 ，并且不排除 实验中由偶然因素所造成的误差放大 。4 误差分析产生实验误差的因素可能由系统误差与测量误 差引起 。系统误差是由实验原理与系统设计所造成 ，应用微波测量织物水分的相关

23、理论虽然很成熟，但严格的数学公式至今学术界也没有给出， 现有的都只 是经验公式 ，实验中用到的器件等也存在一定的缺 陷 ，设备的安装等都会造成系统误差。对于测量误差 ，电子秤在实用过程中会产生温 漂 ，带来误差 ; 微波发生装置需经过一段时间预热才 会稳定 ，也会带来误差 ; 实验中的布匹是经手工拉直 测量的 ，布匹中的水分分布不匀也会造成误差。 而实际生产中的布匹是从轧染机出来的 ，水分分布 非常均匀 ; 用烘箱加热时由于烘箱体积有限 ，布匹放入 烘箱中加热时是折叠放入的 ，加热时水分蒸发不均 匀 ，也会造成误差 ; 用风干法干燥布匹 时 ，布匹是 垂 直放置 ，下半部的水分含量会比上半部高

24、 ，也会造成 测量误差 。通过对棉麻布 、牛仔布和细棉布的含水率分析 可以看出 : 由于不同织物的吸水性能不同 ，超过其吸 水能力时 ，水分不会被吸收 。 而含水率过小时 ，水分 的介电常数占不到主导地位 ，微波对水分的吸收也 会减弱 ，测量时也会造成误差 。5 结语实验证明微波透射法对织物含水率进行测量可 以实现 。 该方法操作简单 ，实验误差小 ，可实现非接 触 、无损式在线测量 。由于织物中水分含量与微波 能耗间并非是线性关系 。 通过拟合所得到的直线也 会有一定的误差 ，造成这种误差的因素既有系统误 差又有测量误差 ，这一点值得考虑 ，这也是下一步需 要研究解决的内容FZXB参考文献1

25、 张卫玲 ，张 健飞毛织物抗静电整 理及其影响因 素J纺织学报 ，2009 ，30 ( 3) : 72 76ZHANG Weiling，ZHANG Ji anf ei Antistatic finishing of wool fabric and its influencing factorsJ Journal of Textil e Research ，2009 ，30( 3) : 72 76 2 王天靖 ，臧少玉 ，毛志平 ，等 ECO 型活性染料对棉织 物的湿焙连续染色 J纺织学报 ，2010，31( 9) : 62 67WANG Tianjing ZANG Shaoyu ， MAO Z

26、hiping Continuous dyeing of cotton with ECO foll owed by shortened w et- steaming processJ Journ al of Textile Research ，2010 ，31( 9 ) : 62 3 67 SEICHI Okamura ， MAcontentmeasurement bymi crowaveattenuation andprobl emsJIEEE Press，1998( 5) : 189 192JENQ Y C Digi tal spectra of nonuniformly sampled s

27、ignals: fundamentals an high speed wavefor mdigitizesJIEEE Transactions on Instrumentation andMeasurements ，1988 ，37( 2) : 245 251 景军锋 ，王波 ，李5鹏飞基于微波透射法测量织 物含水率J计 算 机测量与控制，2010，18 ( 11) :2491 2493 JING Junfeng，WANG Bo，LI Pengfei Moi stur e content measurement of fabric based on microwave transmi s- s

28、ionJ Computer Measurement and Control ， 2010 ， 18( 11) : 2491 2493 6杨雪霞 微波技术基础 M北京: 清华大学出版社， 2009 : 198YANG Xuexia M icrowave Technology Base M Beiji ng: Tsi nghua University Press，2009 : 1987ZHANG Y J，OKA MURA S New density-independent moi stur e measurement using microwave phase shifts at two frequencies J IEEE T ransacti ons on Instrumentation and Measurement ， 1999 ， 4