纺织品含水率测量方法研究进展

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　　摘要：为有效解决纺织品在纺织印染过程中水分含量无法实时精确控制的问题，提升纺织产品综合性能，对现阶段纺织品生产及使用过程中因含水率过高、过低而引起的产品缺陷、设备磨损问题以及纺织品含水率研究背景和研究价值进行了介绍。阐述了纺织品含水率测量的7种方法，即烘箱法、电阻法、电容法、近红外光谱法、中子法、核磁共振法、微波法，分析了各个测量方法的特点、精度、适用范围以及最新进展，并对纺织品含水率研究成果进行了总结。结果表明，随着工艺要求、测量精度的不断提高，微波法由于其在线、实时、非接触、高精度测量等优点，逐渐成为纺织品含水率测量的主要测量方法。目前对于微波法测量的应用还处于起步阶段，测量时需标定每一种纺织品的含水率曲线，这就需要大量的实验样品以及数据库。但是纺织品的种类繁多、编织结构多样，很难做到对所有纺织品含水率曲线的标定，因此，应从纺织纤维的微观机理、混合物介电常数等方面去进一步研究，解决微波法的普遍适用性。
　　关键词：纺织品;含水率;红外测量;微波测量;在线测量;介电常数
　　中图分类号：TS103文献标志码：A文章编号：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
　　含水率表示物質中所含水分的百分比，通常也叫做湿度，是衡量织物干燥程度的一个重要技术指标[1]。在纺织印染加工工艺中，温度、环境湿度、压力等外界因素都会对织物含水率的测量精度与测量范围造成一定的影响[2]。同时，水分含量对于织物的物理、热学、光学以及导电特性也有着显著影响。随着纺织行业不断的进步发展，对纺织产品质量要求也不断提高，“十三五”发展规划提出纺织工业需转型升级，创造竞争优势，推动纺织工业节能减排，发展绿色、低碳经济，这就需要在纺织印染工艺中对织物含水率实现多点实时检测。因此，对于织物含水率测量方法的研究，具有非常重要的科学和应用价值。 　　本文详细综述了织物含水率测量方法的影响因素以及发展状况，并对各测量方法所面临的行业问题进行简要分析，提出了相应的改良建议，以期对未来纺织品含水率的研究与应用提供帮助。
　　1织物含水率测量方法
　　为了满足时代发展的需要，织物含水率的测量要尽可能达到高精度、宽范围，满足实时性和适用性。目前，含水率测量方法主要分为烘箱法、电阻法、电容法、近红外光谱法、中子法、核磁共振法以及微波法，现分别介绍如下。
　　1.1烘箱法
　　烘箱法的测量原理[3]是采用电子天平测量待测织物和水的总重量，再用电烘箱将织物加热烘干至完全干燥，通过称量获取烘干后织物的干重，如式（1）所示，即可得到待测织物的含水率。
　　M/%=w0-w1w0×100（1）
　　式中：M为织物含水率，%;w0为织物和水的总重量，g;w1为织物的干重，g。
　　烘箱法属于直接测量，操作简便、精度高，一般用作实验标定和检验其他方法的精确度;但在实际操作过程中，由于人为操作、环境温湿度的影响，测量结果往往存在延迟，无法获取织物的实时含水率。同时，烘箱法属于取样测量，无法做到在线检测，制约了其在生产线上的应用与推广[4]。
　　1.2电阻法
　　织物一般由纤维纱线通过不同编织方法与工艺加工而成，纤维性能和编织方法决定了织物的性能。以纯纺棉织物为例，棉纤维由天然高分子化合物组成，纤维材料具有极高的绝缘性能，由其构成的棉织物可以看作是绝缘体，但随着水分的增加，导电性能逐步增强，棉纤维电阻受含水率、温度、密度以及外加电压的影响[5]，如式（2）所示。
　　Lgρ=C·t2-（A-B·M）·t（2）
　　式中：ρ为棉花质量比电阻，表示长为1 cm和质量为1 g的棉花的电阻，Ω·g/cm2;M为含水率;t为温度，℃;A为0 ℃干燥状态下ρ的对数随温度的变化率，其值为0.086 3/℃;B为0.005 35/℃;C为0.000 175/℃。
　　针对织物柔软特性设计了适用于织物的含水率测量装置[6]，原理如图1（a）所示，待测织物夹在上下两测量板之间，下方测量板（负）作为参考电极，上方测量板（正）通过调节正压力F改变待测织物在两测量板间的夹紧力度。由此，测量板（正）、织物、测量板（负）构成一个电路。当织物中的含水率M变化时，织物的电阻R0也相应发生改变，标定每一种织物的M-R0曲线，通过图1（b）对织物电阻信号的采集和处理，即可根据获取的电阻值按标定曲线推算出织物的含水率。
　　电阻法属于接触式测量，优点是成本低，速度快，缺点是精度不高，测量范围小[7]。文献[810]首先通过实验在电压、时间、温度条件下对不同类型的布进行电阻研究，为后续电阻法研究奠定了基础;向忠等[11]通过单因素试验发现电阻法受测量条件（温度、压力、电压、表面清洁程度等）影响很大，并从机械结构入手对测量条件进行调控，初步实现了织物含水率的测量，但测量精度有限且对于低水分高电阻织物无法获取电阻;随后景军峰等[12]采用改进型惠斯电桥，利用1 MΩ小电阻有效解决了织物高电阻问题;近年来，Casans等[1314]设计了更高效的电阻测量电路（如图2所示），实现了低电压（5 V）、高电阻
　　（100 GΩ）的纤维材料的电阻测量，提高了低水分高阻值织物的测量精度，扩大测量范围。时至今日，电阻法测量织物含水率的技术已然非常成熟，但是在印染行业中仍存在问题，一是依赖于织物的标定曲线;二是接触探头与印染织物的长时间接触，造成腐蚀，使用寿命减短;三是微弱电信号的精确采集问题。以期后续学者从以上几方面对电阻法进一步深入研究。
　　1.3电容法
　　织物的介电常数较低，在干燥状态下约为1～4，而纯水的介电常数很高，约为80，这一差异将会导致含水织物的混合介电常数随着水分含量的变化而变化。基于电容器的工作原理，设计了适应于织物的平行板电容器[15]，如图3所示，它由两块相互平行的金属板组成，中间放置待测织物，当给平行板施加电压时，两平行板一个显示正极，一个显示负极，极板的电容为：
　　c=εsd（3）
　　式中：c为极板电容，F;ε为极板介电常数;d为极板间距，mm;s为极板面积，mm2。
　　由式（3）可知，当极板的间距和面积一定时，电容受介电常数的影响，而介电常数又受织物含水率M的影响，因此，通过标定每一种织物的M-c曲线，通过图3（b）对电容信号的采集和数据处理，即可根据获取的电容按标定曲线推算出织物的含水率[16]。
　　电容法属于接触式测量，优点是体积小，成本低，测量速度快、适用于在线水分测量，缺点是受到环境温度、织物密度、种类等众多因素的影响，精度较低[17]。Smith等[18]首次在低頻率实验中发现物质的介电常数与电容存在联系，为电容法奠定了基础。Kandala等[1920]基于平行板电容器原理，建立实验数据的经验方程，测量电容与相位角的关系，并成功应用于粮食工业中。随后Parsons等[21]将测量装置进一步简化，设计了探针式EC5传感器，并且从环境温度、样品体积、信号稳定等方面进行评估，保证其可靠性;为了使用的方便，Mcintosh等[22]进一步将测量装置优化，设计成手持式的电容传感器。但随着测量装置体积越来越小，测量过程的便捷化，其测量精度随之降低。因此，马彦霞等[23]利用集成芯片CAV424构成信号处理电路，通过软件温度补偿，并成功的将其应用于织物纤维水分测量中，但是仍存在因高频带来的信号误差以及非线性问题;随后王晓雷等[24]通过附加电阻的方法来消除因高频带来的电导影响;刘海波[25]、李庆先等[26]采用函数链接神经网络对电容非线性进行处理以及利用最小二乘法对回归模型补偿优化，取得比较显著的效果。但在纺织印染行业中仍存在问题，一是依赖于织物的标定曲线;二是纺织印染厂的温湿度很高，实际中电容法的稳定性差。 　　1.4近红外光谱法
　　水分子由一个氧原子和两个氢原子以150度3分的夹角组合而成，形成稳定分子结构时，近红外光会对水分子中的含氢基团产生近红外光谱，在一定波段范围内，近红外光易被水分子吸收发生能量的衰减[27]：
　　I=I0eαcd（4）
　　式中：I0为入射光强;I为出射或反射光强;c为物品组分浓度;α为吸收系数;d为物品吸收层厚度，mm。
　　近红外光谱法测量原理如图4（a）所示，当近红外光照射含水织物时，织物中水分子内的H—O键、水分子与水分子之间的H—H键便会吸收部分红外光，使近红外光的能量发生衰减，而衰减程度与被照射的水分子的数量成正比[28]，标定每一种织物的衰减含水率曲线，通过图4（b）对近红外线的衰减信号进行采集和数据处理，即可根据获取的衰减信号按标定曲线推算出织物的含水率[29]。
　　近红外光谱法属于非接触测量，优点是精度高、稳定性好、测量速度快，缺点是近红外光易受颜色、纹理等因素干扰。1935年，Gordy等[3031]最早研究发现氰化物溶液对近红外光的吸收，随后在大量实验的基础上分析发现氢键（X—H）的振动是吸收近红外光的主要原因，为近红外法奠定了基础。20世纪60年代初到90年代末，研究人员[3233]对近红外光水分测量的研究逐渐深入，并成功将近红外水分测量技术应用到纺织、农业、建筑等众多领域，测量方式也由实验室发展到工业在线测量，进一步到手提式测量;2001年，董侠等[34]着重研究了含水平纹织物对红外线透射性能的影响，从自由水与结合水所占比重、覆盖系数等角度初步验证了近红外光谱法在织物含水率测量上的可行性;在此基础上，林晓鹰等[35]研制出能够进行连续、非接触测量的近红外水分测量装置，但由于光电接收器件和系统信噪比的影响，测量范围小，且误差较大。2010年，Song等[36]研制了一种新型近红外水分含量测定仪，采用积分球系统提高了系统稳定性和信噪比;随后，文献[37-40]进一步利用近红外光谱成像技术更准确更有效地控制织物中水分传递过程，也为未来更高精度的定点水分测量提供了方向;2016年，Dema等[41]采用与机器视觉相结合的方法，以图像特征参数H、S、V建立BP神经网络预测模型，进一步提高了测量的范围和精度。但是在纺织印染行业中仍存在问题，一是依赖于织物的标定曲线;二是织物表面颜色、编织形式等会对近红外光的传输产生干扰，使测量结果不尽人意，因此在印染厂中近红外光法的使用有一定的局限性。
　　1.5中子法
　　快中子是由核裂变反应产生的自由中子，可以通过慢化过程转变为慢中子，而氢原子属于慢化体，通常作为中子慢化的减速剂[42]。当快中子在介质中高速运动时，会与水分子中的氢原子发生碰撞损失部分能量而慢化，最后轉变成慢中子，测量原理图如图5（a）所示[43]。设中子能量为E0，质量为m，氢原子核的质量为M，当中子与氢原子核相碰撞时，氢原子核受到反冲核的能量E：
　　E=E04Mm（M+m）2cos2φ（5）
　　式中：φ为反冲核沿中子入射方向飞出角[44]。
　　慢中子的数量与织物水分子含量存在线性关系，可以标定每一种织物的慢中子数含水率曲线。通过图5（b）对慢中子进行的数据采集，即可根据获取的慢中子数按标定曲线推算出织物的含水率[45]。
　　中子法属于接触式测量，优点是精度高、测量速度快，缺点是成本高、存在安全隐患。1952年，Gardner等[46]最早开始对中子散射现象进行研究，发现了中子碰撞能量衰减特性，为中子法水分测量奠定了基础;为了能更加准确测量物品内部的水分含量，Douglass等[47]开始采用中子探针测量土壤含水率，实验结果表明探针式水分测量能更好的体现材料的内部含水率。但在实验的过程中，他们并没有考虑外界因素的干扰，Hewlett等[48]、Avery等[49]从不同角度对中子法测量误差进行分析，排除仪器因素和标定因素的干扰并建立统计模型，提高了测量精度。目前，中子法被普遍应用于土壤含水率测量中，并且有着很高的收益。但在印染纺织中，由于环境温湿度影响以及中子本身具有很强的穿透性，其辐射会影响人体健康，同时由于它高昂的设备价格，使其很难在纺织中普遍推广。
　　1.6核磁共振法
　　核磁共振是指磁矩不为零的原子核，在外加磁场的作用下自旋，与交变磁场发生能量交换的现象[50]，原理如图6所示。在静电场B0中，氢原子核被磁化，发生自旋，且磁化矢量M绕恒定磁场B0作拉莫尔进动，此时，氢原子核在外磁场作用下处于动态平衡状态;当再次施加一个与磁场B0垂直的射频磁场B1时，磁化矢量M偏移原本平衡位置，以B1为轴作面螺旋线转动;同时，氢原子从低能级转变为高能级。射频停止后，氢原子核从非平衡状态恢复到平衡状态，氢原子又从高能态恢复至低能态，这一过程被称作弛豫过程，而所需要的时间称为弛豫时间[51]。通过核磁共振仪对弛豫时间和幅值的信号进行采集，即可获取氢原子数目，从而推算出含水率。图6核磁共振法测量
　　核磁共振法属于非接触测量，优点是精度高、测量速度快，能动态显示水分分布，缺点是成本太高，很难在工业中普及。1986年，Cutmore等[52]基于核磁共振光谱原理采用核磁共振技术首次对物质材料的含水率进行测量，实验发现信号衰减与样品密度无关，且不受样品大小的影响。2012年，张建峰等[53]利用核磁共振成像技术实现了对介质的三维模型构建，推导出介质不同部位的信号幅值与水分含量的回归函数关系;要世瑾等[54]宋平等[55]将核磁共振法应用于粮食种子水分测量，根据弛豫时间呈现的多组分特征，揭示了种子内水分连续变化规律;Kirtil等[56]在此基础上将核磁共振技术与磁共振成像技术相结合，并成功的应用于工业生产中;2016年，Ji等[57]、Valori等[58]采用聚合法和形态学设计，对织物纤维表面接触角、吸湿、吸湿距离进行实验研究，通过低频核磁共振直观地显示了水在织物纤维中的状态和分布;核磁共振法实现了非侵入、非破坏、高分辨力、无损检测，稳定性、实时性好，直观地显示了织物内部水分的动态传递过程，但由于设备的高昂价格、车间的恶劣环境，使核磁共振法难以推广。 　　1.7微波法
　　微波是频率在300MHZ～300GHZ的电磁波，具有穿透、反射、吸收3个特性。在水中传播时，易被吸收，会发生能量衰减和相位移动。根据测量过程中介质所放位置不同，主要分为传输线法、空间测量法[59]。
　　传输线法是将待测材料放置于传输线内部进行测量的方法，而织物一般处于平整铺开状态，不适合采用传输线法。空间测量法是由同轴线或波导把电磁波引至发射天线，根据电磁波在介质中的传输形式又分为透射法和反射法，测量原理图分别如图7（a）、图7（b）所示，微波初始能量为Ein，由发射天线发射，照射织物时会发生透射或反射现象，由接收天线接收透射或反射后的微波。微波在织物中传输时，水分子将会吸收部分能量，造成损失Eloss，剩余的能量为Eout[6061]。
　　以微波透射法为例，在自由空间中，微波透射样品时，其衰减A见下式：
　　A=10lgPinPout=20lgUinUout（6）
　　式中：Pin表示微波透射介质前的输入功率;Pout表示微波透射有损介质之后的输出功率。
　　由式（6）可知，微波透射织物前后的衰减量可以转化为电压值，因此通过图7（c）、图7（d）对微波衰减前后的电压信号进行采集和数据处理，通过实验记录不同含水率下的输出电压，即可通过标定曲线获取织物的含水率[6263]。图7微波法测量
　　微波法属于非接触测量，优点是精度高、稳定性好、测量速度快、测量范围大。20世纪40年代末，kraszewski等[64]最早开始对微波水分测量进行研究，采用了一对喇叭天线，在自由空间中测量微波透射样品的衰减和相移，这一研究成果证明了微波法的可行性。随后大量学者进行相关研究，80年代微波水分测量技术获得了飞速发展，应用范围逐渐扩展到纺织、建筑、农业、能源等领域，测量方式由实验室测量发展到在线测量，测量方法也不再局限于自由空间，出现传输线技术、谐振腔技术[6566]。但是在实际应用中发现测量结果受样品厚度、密度的影响，在谐振腔中，还与样品的位置有关系[67]。Nelson等[68]在进行粮食水分测量时提出了有关粮食水分测量的密度无关因子ε（式（7）），根据该因子，可以实现对于粮食的无关密度测量，也为实现织物的无关种类的测量提供了思路和方向。在此基础上，Meyer等[69]、Jacobsen等[70]基于复介电常数双参数测量，拟合与密度无关的校准曲线。
　　景军峰等[71]、Pengfei等[72]以PLC为处理器，采用人工神经网络的数据处理方法，通过标定曲线初步实现了对棉布的水分测量;Delhom等[73]在實验室中采用微波法对棉纤维水分测量，精度可达0.1%;但是他们的研究局限于表面现象，测量范围小，且受织物种类影响，不具有普遍适用性，对于每一种织物，都需要去重新标定电压含水率曲线;因此，Kim等[74]、Bier等[75]众多学者重点研究了不同材料的有效介电常数，发现微波与介电常数之间存在联系（式（8）、式（9）），利用矢量网络分析仪建立了水分与介电常数的模型，以介电常数为中间变量确立了微波衰减与含水量的关系，从而无需标定曲线便可测量织物的含水率;随后，Liu等[76]、Sankaralingam等[77]采用单因素实验的方法从织物种类、组织结构等角度去分析织物介电常数，发现织物的介电常数与种类、组织结构均存在联系;在此基础上，Bal等[78]、Yang等[79]对二相模型的织物介电性能进行研究，比较了目前通用的3种模型的适用性（式（10）、式（11）、式（12）），发现对于不同材料，其适用性是不一样的;文献[80-83]进一步研究含水混合物的介电常数模型，通过实验介电常数值与混合规则理论曲线相对比，分析了规则估计的理论误差。
　　ξ=ε″ε′（afε′-ε″）（7）
　　ε′≈1+Δφλ0360d2（8）
　　ε″≈ΔAλ0ε′8.686πd（9）
　　式中：ε′为介电常数实部;ε″为介电常数虚部;ΔA为微波衰减，db;Δφ为相移;λ0为自由空间波长，mm;d为介质厚度，mm;af为特定频率下的斜率。
　　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为混合介电常数;M为含水率;εi和vi分别表示第i类客体的介电常数和所占体积比;n表示混合物中客体的数目，ε*表示混合物的表观介电常数，β由混合物属性决定。
　　式（10）为经验公式，一般通过大量的实验数据拟合得出;式（11）为介电理论模型;式（12）为介电混合模型。
　　以介电混合模型（式（12））为例，根据湿织物的组成原理，将干织物的密度ρd、介电常数εd代入公式化简：ε1β=ε1βwρdρw-ε1βdM+ε1βd1-M（13）
　　结合微波在织物中的衰减公式（8）、式（9），即可推导出微波衰减与含水率的数学模型：
　　ΔA=20dπlgeλaM+b1-Mβ2（14）
　　式（14）仅仅是通过理论模型进行推导得出的，而对于实验研究部分，目前还没有学者进行相关方面的研究。但是基于介电常数对微波衰减与含水率关系的研究已是未来发展的主要方向，通过织物介电常数实验对理论模型进行进一步优化，将可以实现真正意义上的无关种类、密度的测量。同时微波法是对微波能量衰减或相位移动进行测量，不会对织物本身产生任何影响，也不受织物表面颜色、平整度等外界条件影响，在印染工艺中具有非常广阔的应用前景，以期后续学者对其深入研究。
　　2不同含水率测试方法比较
　　对于现有的含水率测量方法，都可以将其应用于纺织品含水率测量中，但实际上它们都有着各自明显的优缺点，具体如表1所示。 　　3结语
　　20世纪，电阻法和电容法凭借其成熟的技术、低廉的成本，在纺织印染厂中得到了广泛应用，但是随着高新技术的发展以及产品质量要求的不断提高，其低精度、小范围测量已然无法满足现代工业的需求，在未来注定将被逐渐淘汰;近红外光谱法在众多领域的水分测量应用中均取得了显著成效，但是在纺织印染行业中，由于近红外光的传输受织物表面颜色、纹理的影响，使得该技术在纺织品的应用中受到限制，无法实现高精度测量;中子法和核磁共振法都能实现含水率的高精度、快速测量，但这两种方法的测量成本高，无法做到在工业中进行大规模推广。除此之外，中子法还存在安全隐患，中子源有着很强的辐射作用，会对人体健康造成伤害。
　　微波法对于水分测量的研究从20世纪便开始，并且成功的应用于众多工业生产领域。相较于其他几种方法，其测量精度高、稳定性好、不受织物颜色及纹理影响，同时成本不是太高，可在工业生产中进行大规模推广。微波法凭借测量范围广、精度高、在线非接触等优势已得到企业的重点研究。其中PLEVA公司已成功研制出AF310测量系统，该系统通过标定曲线实现了对织物的含水率测量，精度可达±0.1%，测量范围0～80%。随着微波技术的发展，微波法将成为未来纺织品含水率测量的主要研究方向。目前，采用微波法测量时仍主要依赖标定曲线，由于织物种类繁多、编织结构多样，需要建立庞大的数据库以及定期更新。但是已有部分学者从介电常数模型角度正在进行无关种类方面的研究并取得了初步成果，以期后续的学者进一步深入研究，分析理论模型的适用性，并建立能够适用于任何织物的介电常数模型，从而摆脱标定曲线的限制，这样便可从根本上解决问题。
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　　收稿日期：2018-10-10網络出版日期：2019-04-18
　　基金项目：国家自然科学基金（U1609205;51605443）;浙江省科技厅公益基金（2017C31053）;浙江省重点研发计划项目（2018C01027）;浙江省自然科学基金项目资助（LR18E050001）
　　作者简介：齐翀（1994-），男，江苏淮安人，硕士研究生，主要从事纺织装备智能化方面的研究。
　　通信作者：胡旭东，Email： xdhu@zstu.edu.cn
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