谷物含水率测量技术研究进展*

蔡泽宇，刘政，张光跃，杨腾祥，金诚谦

(农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)

通讯作者：金诚谦，男，1973年生，安徽潜山人，博士，研究员，博导；研究方向为农业机械及其智能化。E-mail: 412114402@qq.com

0 引言

含水率是谷物重要的品质参数之一，关系着谷物的价值[1]，在谷物的收获、加工、存储和贸易中具有十分重要的意义。当进行田间谷物收获时，谷物含水率是影响联合收获机作业性能及效率的关键指标[2-3]。一方面谷物含水率对联合收获机的切割输送、脱粒清选的影响较大，决定着最小割台损失的进料速度[4]、脱粒圆柱的最佳间隙、滚筒中防止籽粒破碎的最低转速[5]。另一方面，谷物含水率的测量精度直接影响着产量图的准确性[6]，也影响着对谷物水分流失动力学研究[7]；因此，在联合收获机上对谷物含水率进行在线检测是解决问题的有效方法[8]。

在粮食储存过程中，谷物变质的时间取决于温度、水分和氧气含量[9]。当保存的谷物含水率小于9%时，谷物可以保存1年后发芽；当含水率介于9%～12%时，谷物不到一年就无法发芽；当含水率大于13%时，谷物在8个月内会产生虫害；当含水率大于14%时，谷物在数周至数月就会变色并产生虫害和霉菌[10]。因此谷物含水率过大会导致存储损失，但含水率过低又会增加干燥的成本并降低了售卖的利润[11]。含水率的快速测量可以方便农民进行粮食的存储、加工和销售。

此外，含水率还是评价大米食味和品质的重要指标[12]。已有研究表明：大米品质的感官评价值会随着大米水分含量下降而降低[13]，水分含量小的大米蒸煮后会引起表面龟裂，使米饭黏性增加，丧失弹性，进而影响食味品质。

综上，低成本、准确的含水率测量传感器对于改善谷物的收获、加工、储存和管理必不可少[14-22]。本文通过对谷物含水率测量的文献梳理，对谷物含水率检测方法进行分类，并对我国的谷物含水率检测标准进行梳理。着重介绍了基于谷物介电特性的测量方法，并与其他的谷物含水率检测方法进行对比和总结。

1 含水率测量的发展、方法分类和检测标准

1.1 含水率检测方法分类

谷物含水率检测方法可分为有损检测和无损检测[23]，也可分为直接方法和间接方法。本文从有损和无损的角度对谷物含水率检测方法进行分类，如图1所示。

图1 谷物含水率检测方法分类图Fig. 1 Classification chart of moisture content detection methods of grain

有损检测大都属于直接法，这些方法具有通用性且常被用作标准方法，但存在着离线、耗时长、具有破坏性等特点。无损检测都为间接方法，利用了含水率与各种物理参数的联系，通过建立函数模型获得测量值[24]。

1.2 含水率检测标准

谷物含水率检测标准统一了含水率的定义以及量值，通过对标准的梳理可以方便研究人员对含水率检测方法研究以及如何对水分仪进行标定和校准。例如，在ASAE标准S352.2中就规定了空气烘箱法对不同谷物的加热时间，对于带壳玉米、大豆和食用豆，需要在103 ℃恒温72 h；对于小麦、燕麦、黑麦和高粱，需要在130 ℃下分别加热19 h、22 h、16 h和18 h，来保证与卡尔·费休(Karl Fischer)方法保持最佳一致。

本文着重对我国的谷物含水率的检测标准进行了梳理，如表1所示。

表1 现行有效谷物含水率检测标准统计表Tab. 1 StatisticalTable of current effective grain moisture content detection standard

2 基于谷物介电特性的方法

无论是电容法还是射频法、微波法和太赫兹法测量谷物含水率都依据了谷物介电特性的变化。在常温下谷物的介电常数为2～5，而水的介电常数为81左右，谷物内水分含量的变化会引起其介电常数的变化[25]。电容式含水率检测法通过测量振荡电路受介电常数变化的输出频率值来测算出谷物的含水率[26]。同样射频(RF)和微波(MW)在对谷物加热时，介电常数会影响电磁能的吸收和耗散。射频法和微波法的区别在于，射频指的是频率范围300 kHz～300 GHz之间的电磁波，微波是高频射频的一类电磁波，其频率范围为300 MHz～300 GHz。在测量仪器领域，通常认为射频的频率范围为300 kHz～3 GHz，微波的频率范围为3～300 GHz。太赫兹是最近几年被提出的，其频率高于微波并低于红外光的频率，是电子学向光子学的过渡，目前该方法用于谷物含水率检测还处于起步阶段[27-28]。

2.1 谷物介电特性

在电容式含水率检测方法上，研究人员主要将精力放到了影响介电测量的因素以及利用模型减少干扰对装置的影响，以提高测量精度。影响介电测量的主要因素包括：温度、谷物的堆积密度[29-30]、质量参数(蛋白质，油，淀粉含量等)[31-32]。影响介电常数的其他因素还包括谷粒大小，样品成分(异物、谷粒被昆虫啃食和破碎)以及谷物的自然变化的影响[33]。在测量高水分作物时，谷物表面的水分会对电容产生影响[34]。

射频式含水率检测方法利用射频信号源产生一个射频信号，通过同轴电缆传播到探测单元，当探测单元遇到不同水分的谷物时，其阻抗发生变化并产生反射波形，再利用信号接收器接收到反射信号，根据反射信号与原始信号的区别获得谷物含水率。影响射频式水分仪测量精度的因素包括探测单元的材料、探针长度和间距[35]。已有研究表明探测单元的材料选择对结果影响不大[36]，考虑到成本，抗氧化性，抗腐蚀性，目前射频式水分传感器多采用不锈钢材料。但探针长度对谷物含水率的测量结果起着至关重要的作用，探针的长度越短，其测量的误差就越大[37]。当探针长度小于100 mm时，测量会出现很大误差，当探针长度大于200 mm时，测量误差小于1%[38]，但当探针的长度大于350 mm，由于能量的衰减太快导致反射信号不易判别，也会产生较大误差。

微波式谷物含水率检测方法早在20世纪70年代被提出[39-41]，该方法中的转换模型(ε′-1)/ε″是一种与密度无关的函数[42]，可用于预测颗粒材料的含水率，式中ε″为介电损耗因子，ε′为介电常数[43-45]。此外，针对不同的作物，研究人员希望开发出一种针对玉米、小麦、大麦、燕麦油菜籽和大豆的通用的校准方法[46-47]。

2.2 不同频率的含水率检测方法

不同频率下，谷物的介电特性具有不同的特点，影响着谷物含水率的测量准确度。本文简要回顾了过去几十年中低、中、高频谷物含水率检测的研究进展。

大部分的商用电容式谷物含水率检测仪的频率都在1～50 MHz[48-49]之间。通过含水率的定量分析，介电常数ε′保持恒定或随着所有水分含量百分比的频率增加而降低，而损耗因子ε″则随频率而变化，介电性能与频率的关系[50]如图2所示。

从图2中可以看出，由于含水率的变化，介电性能在较低频率下变化更大，具有明显的梯度。在20 MHz以下的频率中，含水率随着频率的变化存在线性的变化。但有研究表明，当谷物含水率大于20%时，仪器的精度会下降并需要重新校准[51]。

在50～500 MHz频率范围，研究人员使用频率分别为50～250 MHz和200～500 MHz的电桥和导纳计对谷物和种子的介电性能进行测量[52]。结果表明对冬小麦的介电常数的测量精度约为2%，并且随着频率的增加精度会降低[53-54]。

(a) 容重为768 kg/m3的冬小麦

(b) 容重为738 kg/m3的大豆图2 介电性能与频率的关系图Fig. 2 Relation between dielectric performance and frequency

此外，149 MHz这是一个特殊的频率，它源于美国农业部谷物检验、包装和储藏管理局(USDA-GIPSA)组织开发的统一谷物水分算法(UGMA)。这种算法将不同类型谷物的含水率模型组合到一个算法中，并且算法的精度优于或等于RF介电型仪器的精度，以便供制造商使用，使得不同水分仪器具有一致的测量结果。选择149 MHz作为测量频率的原因为：(1)对一些含水率高的样品分析表明，149 MHz时的电导率效应明显低于100 MHz以下频率的。(2)对15种谷物含水率的误差分析发现在149 MHz附近出现了一个极小值[55]。(3)美国业余无线电频段在148 MHz 以下，而警察、消防、出租车和飞机会使用150 MHz以上的频段，因此使用149 MHz不易受到通信服务的干扰[56]。

已有研究，利用250 Hz～10 GHz频率范围内对冬小麦的介电常数与含水率进行试验[57]，结果如图3所示。数据表明冬小麦的介电常数随着频率增加而连续降低，且不具有线性关系；此外损耗因子随频率增加有不同的变化趋势。

测量谷物的介电常数时必须考虑堆积密度对介电常数的影响。但是在微波频率，通过检测微波的衰减(幅度减小)、相移(相位延迟)或其他与密度无关的函数，可以建立与谷物堆积密度无关的模型[58]。试验表明当微波频率高于1 GHz时，材料的电导率不会受到密度影响。已有研究利用频率为11～18 GHz的传感器对含水率为11%～19%、体积密度为0.72～0.88 g/cm3的冬小麦进行试验，微波测得的含水率误差小于0.3%。在16.8 GHz下建立小麦的微波衰减、相移之比和谷物温度的函数，试验表明，在-1 ℃～42 ℃ 的温度和10%～19%的含水率下，获得的含水率不确定度小于±0.45%[59]。还有研究人员开发了两参数微波测量技术在谷物水分仪[60]或结合人工神经网络利用微波测量谷物含水率[61]。

可用于测量谷物含水率的频率范围很广，不同频率所对应的装置结构和模型也各不同，本文对它们进行了梳理，见表2。

(a) 损失因子与频率关系 (b) 介电常数与频率关系图3 250 Hz～10 GHz频率下，介电常数、损失因子与频率的关系图Fig. 3 Relation diagram of dielectric constant, loss factor and frequency at 250 Hz～10 GHz frequency

综上，基于介电特性的谷物含水率检测方法和装置很多，并有很多高精度以及不受密度影响的装置。但是在实际大田应用中，大都还采用了普通的电容式谷物含水率检测装置。

2.3 电容式水分仪误差分析及修正模型

电容式谷物水分仪由于具有速度快和操作简便的优势在商业上得到广泛使用，但是仪器的准确性和可靠性较低，尤其是在谷物含水率大于20%时[71]。通过对水分仪的误差来源进行研究[72-74]，才能在仪器设计和测试时，减少各种因素对电容式水分仪准确性的影响。

电容式谷物含水率传感器最常见的误差来源包括：收获过程中体积密度变化[75]、温度和频率变化。

对这三个影响因素，研究人员提出了许多修正模型。当频率变化时，主要是对信号流模型中的频率变量进行校正，让传感器频率稳定在0.1 MHz以内，此时含水率的误差将保持在0.02%以下[55]。

对于不同密度的谷物，研究人员利用Looyenga介电特性混合物方程将不同密度谷物的介电常数换算到一个统一密度下的介电常数，介电特性混合方程[76]

(1)

式中：εdc——密度换算后的介电常数；

εr——原有介电常数；

ρtarget——目标密度，674 kg/m3；

ρsample——谷物样本的密度，kg/m3。

温度对谷物的介电特性有着较为显著的影响，Funk提出了一个温度校正函数[77]

Mtc=Mpred-Ktc·(T-25)

(2)

式中：Mpred——根据介电特性实际计算出的含水率；

Ktc——温度校正系数(每摄氏度的湿度百分比)；

T——测量时谷物样本的温度；

Mtc——经温度校准后的谷物含水率。

该模型可以减少由温度带来的误差。然而介电常数只在高频下与温度成正比，在低频和谷物高含水率时是非线性的[78]，因此温度修正公式(2)不能完全修正误差。

3 其他方式的谷物含水率检测

除了利用谷物介电特性的方法以外，商业上有一些其他方式的水分仪，如基于中子法的水分仪：美国503型水分仪、南京大学研制的SHD-1型插入式中子水分仪。基于卡尔费休法的水分仪：日本京都电子的MKS-500水分仪、瑞士某公司的V20/V30系列水分仪、北京某公司的ZDJ-1S型卡氏微量水分测定仪、上海某公司的AKF系列水分仪等。本文对其他类型的谷物含水率检测方法进行简单介绍。

近红外光谱测量法，近红外光谱技术在农产品品质分析中广泛应用[79-80]。通过分析O—H，CH—，CH—O和N—H分子键的振动产生的电磁响应，对样品中的水、乙醇、糖等成分进行分析[81]。早期，利用NIR对谷物含水率检测需要将样品研磨成粉；目前，大部分商用仪器都可以直接检测小颗粒谷物，但还不能检测大粒的谷物。

表2 不同频率下谷物含水率检测统计表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条件下原子核自旋重新取向，从而谷物在某一确定的频率上吸收电磁场的能量，吸收能量的多少与试样中所含的核子数目成比例。已有研究表明，利用核磁共振法对含水率为0.05%～100%内的谷物测量，精度可以小于0.5%[82]。

高光谱成像法，高光谱成像技术除了获得物质的近红外光谱信息外，还可以获得物质的图像信息，这为实现谷物含水量的检测提供了可能[83]。在建立预测模型前也需要选择最佳波段和降维处理[84-85]。已有研究将高光谱成像技术用于快速鉴别小麦含水率[86]，有结果表明高光谱技术对小麦籽粒含水量相关系数大于0.9[87]。

磁场法，是利用磁体产生的磁场来测量谷物的含水率，如图4(a)所示。系统由曝光线圈(主线圈)，磁传感器，抵消线圈和放大器组成，其中主线圈以1 kHz的频率运行，主线圈的强磁场被抵消线圈抵消。而暴露于磁体中的谷物样品会产生二次磁场。试验表明，谷物含水率越高二次磁场的强度越大[88]。

声学法，研究人员设计并开发了一种声学式水分仪。当谷物从漏斗中连续流出时，撞击到一个30°倾斜的传感器表面，由表面下方的麦克风接收撞击产生的声波，并转换为电信号，装置如图4(b)所示。通过测量撞击声的声压级(SPL)作为输出电压，并确定了电压与谷物含水率的关系。结果表明，谷物距离玻璃传感器的下落高度为10 cm时具有最佳的校准方程(R2=0.94)，对三种小麦的输出电压与籽粒含水率之间的关系作校准方程，谷物含水率在8%～20%范围内的最大误差为1.25%[89]。

中子法，中子式谷物含水率测量装置，如图4(c)所示。装置主要由中子源、慢中子探测器、脉冲记数器、中子源保护管、电源等组成。工作中，中子源单位时间发出固定数目的快中子(0.1～10 MeV)，当快中子与谷物的氢(H)原子核碰撞产生散射而损失能量，逐渐变化为慢中子(0～1 keV)，打在慢中子探测器上产生电压脉冲，由脉冲计数器记录脉冲数，通过建立脉冲数与谷物含水率的关系来进行预测[90]。

电阻法，电阻法是较为常用的方法，在粮仓含水率检测和便携式水分仪上有大量成熟产品。如纵向采料盘的电阻式单粒稻谷水分仪[91]；基于阻-频转换和智能非线性处理算法的单粒式谷物水分仪[92]；采用单螺旋杆挤压测阻机构设计的谷物水分仪。电阻法装置由取样机构、信号处理电路组成，已有试验表明稻谷、小麦和大麦的单粒阻值和含水率的相关系数R2分别为0.998、0.999和0.999。对含水率为10%～35%的谷物试验，含水率测量绝对误差小于±0.4%[93]。

(a) 磁场法测含水率系统图

(b) 声学法测含水率系统图

(c) 中子法测含水率系统图

(d) 电阻法测含水率系统图图4 原理图Fig. 4 Schematic diagram

4 多种谷物含水率测量方法比较

谷物含水率检测的方法很多，不同的方法具有不同的优缺点，甚至在一个方法下采用不同的标准也会带来不同的标准数据。已有研究利用烘干法分别在尼日利亚农业工程学会(NSAE)，美国谷物化学师协会(AACC)和美国农业工程学会(ASAE)标准等六种不同的烘箱条件下保持恒定的加热时间和干燥时间对糙米的含水率进行测量，由于不同标准使用了不同的步骤，因此含水率结果并不一致[94-95]。但干燥法由于性能相对稳定、测量精度较高、试验方法和条件易于获得，被广泛用作含水率检测的标准方法。

在其他研究中，对其他方法的水分仪与标准烘箱方法进行了广泛的研究，总结如下。

电容法具有成本低、体积小、维护方便等特点[96]。在大田中，装置受力较小、相对简单且坚固耐用，适用安装在农业机械上。但传感器在测量过程中需要消耗大量的时间，且易受环境温度湿度、样品加载时间、样品的孔隙度、样品密度等因素影响，稳定性较差，难以获得准确的测量模型[97-98]。

近红外光谱法具有检测速度快、分析效率高、远距离无接触测量、操作简单等特点[99-100]。但该方法属于表面检测，反映谷物内部真实水分需要复杂的模型修正，且涉及到复杂光路、体积庞大、价格昂贵。在近红外光谱数据处理过程中，由于样本的复杂性使得测量信息较弱，校正模型的传递性和普适性差，对数据处理要求高。该方法较电容法还存在一定的维护工作，如需要对红外光发射口进行清洁，因此不适合做现场分析。但较电容法，近红外光谱法可以测得谷物品质的各项参数，具有不可替代性。

电阻式谷物水分仪结构简单、成本低，但是信号强度小、取样装置要求高、不宜于微量水和高含水量的测定，检测结果受传感器与样品接触状态影响较大。声学式水分仪重复性好，反应迅速，可进行在线测量，但装置体积较大，受噪声、籽粒大小与形状的影响，对噪声信号的屏蔽要求较高[101]。微波法具有灵敏度高、速度快等特点，但其检测下限不够低，且易引起驻波干扰。卡尔费休法在许多的标准里面是物质含水率的标准测试方法，该方法检测精度很高可用于测量微量水分，且检测结果非常稳定，但其检测试剂成本较高，设备较复杂。核磁共振法检测速度快、精度高、范围宽，能区分自由水和结合水，但设备成本昂贵、保养费用高、使用前需要精确标定。中子法的突出优点是高水分段灵敏度高，且对冰冻状态谷物可以检测水分，但由于氢的散射性不够稳定，不同品种、产地的谷物测量结果差异较大，因此使用前需要进行人工标定并采取防护措施。

5 结论

目前用于谷物含水率检测方法主要是电容法和近红外光谱法。电容法具有成本低、体积小、维护方便等特点，在大田中装置受力较小、相对简单且坚固耐用，适用安装在农业机械上。近红外光谱法具有检测速度快、分析效率高、远距离无接触测量、操作简单，不但可以分析出谷物含水率，还可以同时分析出谷物的其他品质参数，但受测量环境影响较大，适合用于室内谷物品质分析。此外，对于室内谷物含水率的检测，各种含水率检测方法都可以适用，且通过稳定环境下的数值修正和标定，可以准确的获得谷物含水率。在大田环境下，受恶劣环境、复杂工况影响和装置精度要求谷物含水率检测还需要满足以下条件。

1) 提高复杂环境下的含水率检测稳定性和测量过程中的实时性。

2) 装置必须可靠耐用，安装维护方便，校准简单。

3) 装置需要满足不同谷物的测量要求，基于装置可以建立统一的含水率测量算法。

未来，大田谷物含水率监测发展除了需要兼顾不同作物类型、加强在低含水率和高含水率的检测准确度，还可以考虑将近红外光谱方法应用到大田环境下进行含水率监测，同时监测得到谷物的品质参数。