棉花介电常数单因素实验研究

　　棉花含水率是收购和加工环节的一个重要参数，电容法是检测棉花含水率的有效手段。为了给棉花含水率的在线检测仪器开发提供基础数据，利用单因素试验研究的方法，研究得到了不同的测试频率、测量电压、容积密度、含水率对机采籽棉、手摘籽棉、皮棉的介电常数的影响规律及影响显著性。分析表明： 所有试验因素对介电常数的影响均高度显著，并得到了在特定条件下含水率与介电常数的线性回归方程。研究可为开发在线的高精度籽棉含水率检测仪器提供理论基础。

　　引言

　　在籽棉的收购和加工环节，含水率( 回潮率) 是一个重要检测参数，为了准确采集棉花回潮率值，目前应用最为广泛的是电容法和电阻法。目前，国内外有许多学者研究农产品、果蔬等物料介电常数与含水率及其它因素之间的关系。郭文川、张立彬等专家学者应用农业物料的电学特性在无损检测果品鉴别等研究方面做了大量的工作。

　　影响介电常数的因素较多，主要包括测试条件和籽棉自身特性。测试条件主要包括测试信号( 频率和电压)和测试环境( 环境温度和湿度)；籽棉自身特性主要是包括籽棉的含水率、容积密度及种类等。由于实验条件等其它因素限制，本文拟研究不同的测试频率、测量电压、容积密度、含水率对机采籽棉、手摘籽棉、皮棉的介电常数影响。

　　1、材料和方法

　　1.1、实验台介绍

　　图1 所示为本实验用测试实验台简图。由于本测量装置在测量过程中信号极易受到静电和电磁干扰，影响测量数据的准确性，因此利用屏蔽箱接地的方法将干扰信号屏蔽。本装置中，上、下平行极板为长方形，材料采用黄铜，外型尺寸为200mm × 150mm× 2mm。检测仪器采用同惠TH2810B LCR 数字电桥测试仪。

图1 试验台简图

　　1.2、实验方案

　　实验主要利用单因素实验的方法，分别研究测试频率、测试电压值、籽棉容积密度及籽棉含水率对机采籽棉、手摘籽棉、皮棉的介电常数的影响，利用Excel和Minitab15.0 进行数据处理。

　　1)籽棉回潮率控制：本文利用超声波加湿器对棉花进行加湿以调制出不同湿度的籽棉。

　　2)含水率测量：严格按照GB /T6102.1-2006 原棉回潮率试验方法—烘箱法。

　　3)籽棉容积密度控制：将上下极板尺寸、间距固定，通过调整棉花质量的方法来控制籽棉容积密度。

　　4)介电常数检测方法：利用平行板电容的方法检测籽棉的介电常数。其原理可通过图1 所示平板电容器加以解释。本文忽略了边缘效应，平板电容器的电容可表达为

　　其中，A 为极板面积，m²；ε0为真空介电常数，ε0 =1；ε 为不同回潮率籽棉介电常数；δ 为两极板间距离。由式(1)可知，改变A、ε0、δ 的任一参数，都能引起电容值的变化。本文将极板间距固定在δ = 35mm，平行板外形长宽为0.2m × 0.15m 铜板，则A = 0.03m²。籽棉介电常数为

　　1.3、实验材料

　　1)籽棉型号：新中陆37，中早熟陆地棉，广泛种植于新疆生产建设兵团农一师垦区。

　　2)环境条件：测试温度21.2℃，室内湿度28%。

　　3)测试地点：新疆阿拉尔市塔里木大学工科楼实验室。

　　4、结论

　　1)实验研究得到了测量频率、测量电压、容积密度、含水率对机采籽棉、手摘籽棉、皮棉介电常数的影响规律。

　　2)通过方差分析发现，测量频率、测量电压、容积密度、含水率对机采籽棉、手摘籽棉、皮棉的介电常数的影响均为高度显著。

　　3)通过线性回归分析，得到了在特定测量和环境条件下含水率与机采籽棉、手摘籽棉、皮棉的介电常数之间的回归方程。