第一章 绪论
Cx?C0?Kch??x??0? (1.3) blna式中，C0，Kc为常数，?0为空气介电常数，a为内圆筒外半径，b为外圆筒内半径。
式(1.3)表明，容量的变化正比于被测样品介电常数的变化。但介电常数的变化与水分含量M的变化并非线性关系，即电容量与水分含量的关系为非线性。另一方面，电容量也受温度变化的影响，温度升高，Cx变大。因此，在电容法测量水分中，非线性补偿和温度补偿十分重要。
与上述同心圆柱式不同，平板电容器较少受外界干扰，设两平板间距为d，高为H，宽为b，平板电容器测量电容：
?bHCx?x (1.4)
d设待测粮食中干物质和水分在电容中的等效高度分别为H0，H1，相应的等效电容分别为C0及C1 ，则总电容：
Cx?C0?C1?H1?Hb?H0???1?0? (1.5) d?HH?式中，?x，?0，?1分别为待测粮食、粮食中干物质、水分的介电常数。
记待测粮食的水分(含水率，以重量计)为?，记干物质密度为?，已知水的密度为1。得
Cx?Hb?H0???????? (1.6) ?01?????d?H???1????介电常数是随温度变化的，水的介电常数由此H0随粮粒大小及在电容中的充实度而变，在表观上表现为粮食的容重不同。因此，在模型中可进一步引人密度和温度的修正关系。除了对能形式化和参数化的影响因素，在建立水分测量模型时进行合并关联外，通行的方法是将温度影响用热敏元件硬件补偿，或通过软件修正；密实度通过机械恒压装置解决。同时看到，粮食品种对测量精度的影响之消除至今尚无良方。 1.4.3 微波吸收法在线测量粮食水分
微波为300 MHz～300 GHz间的电磁波，是无线电波中波长最短的部分。微波测量法是利用水对微波能量的吸收和微波空腔谐振频率、相位等参数随水分变化的原理进行水分测量的。微波水分测量优点：灵敏度高，速度快，安全，
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第一章 绪论
不损物料，价格适中，可在线连续测量，测量信号易于联机数字化、可视化，在线测量的取样器装料要求低，所测结果为体积总体水而有代表性，比表面测量技术要优越多。缺点：检测下限不够低。如谐振腔端口阻抗匹配不良，易引起驻波干扰。测量值与物料成分有关，不同品种需单独标定。近年来，全固态高可靠性微波功率源、10 GHz专门波段的使用以及比对参数测量技术应用，有效地消除了物料密度、成分、形状等的影响，使微波水分测量技术广泛应用于粮食、纸张、原油、棉纱等各种对象的水分测量中。一般来说，低浓度水分测量选用微波透射技术，高浓度水分测量选用微波反射技术。粮食水分测量中多用透射法，通过计量透过物料后微波能量的衰减达到测量目的。微波透射法水分测量装置由微波功率发生器、可变或固定衰减器、隔离器、微波传输波导、微波发射器和接收器、检波和选频放大器、微波功率计等部件组成。所用微波波段为S波段(1～2 GHz)或 X波段(9—10 GHz)。S波段微波穿透性强，较适合大尺寸物料。X波段微波穿透率较弱，但对物料成分不敏感，用得最广。
粮食中水的介电特性比其中干物质的介电特性值高很多，且水对微波特别敏感。这里所谓介电特性指介电常数和损耗因子，分别是相对复介电
?r??r??j?r??的实部和虚部。水的相对介电常数高达80，而粮食在干燥状态下为2～5，水在超高频范围内存在介电损耗的最大值。利用超高频能量通过含水粮食产生能量损耗、相移或发射波参数的变化可以换算出粮食水分值。根据电磁能量关系，超高频能量在含水物质中的衰减量W(dB)为：
W?8.686?BM??kt?|?|?|?|e?2?Btcos2Bt (1.7)
式中，M为相对水分含量；??为密度因素；k为材质因素；|?|为空气一被测物之间反射系数的模；?B为水的衰减系数；t为被测物厚度；B为含水物质的相数。
当t足够大时，得到近似的被测物的相对水分含量
M?W?|?| (1.8)
8.686?B??kt式(1.8)示出，??及k是与被测物料的材质有关的。粮食种类很多，且成分各不相同，测量的影响因素较多。、
要消除密度变化的影响，需对微波在试样中传播的衰减和相位移同时测量——所谓的“双参量技术”，这种方法可以实现“密度不相关”测量。
研究表明 ，频率为9.4GHz的平面波通过厚度为t、疏密度为?的粮食层而传播，测得的波的衰减为A，相位移为?。结果表明：两个波参量(A和?)
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第一章 绪论
和粮食含水量之间大体上呈线性关系。而且，当单位厚度的A和?除以相应于每一含水率的物料的疏密度时，这些参量和含水量M的关系仍然是线性的，由两个线性关系模型获得
M??dA?b??/?a??cA? (1.9)
式中a，b，c，d均为特定谷物的回归系数。式(1.9)即为与物料堆密度不相关的水分测量模型。
对于取样为单粒粮食的水分测量，尤对形状不规则的谷物颗粒(如玉米)，要得到颗粒含水量与其大小和形状不相关的关系，则需在互为90°角的两个位置上对微波谐振腔内有无物料两种情况下的频率偏移?F和传输系数变化?T作两次测量。通过频率偏移?F和传输系数变化?T与颗粒介电特性的关系导出谷物颗粒含水量。
1.4.4 中子法在线测量粮食水分
中子法测量水分的原理是利用射线源放射的高速中子与被测粮食水分中的氢碰撞而减速，用监测器测出减速的中子数量就可以测量粮食水分。按检测原理分类，包括中子减速扩散法、中子减速透射法、中子衰减法和中子散射法。按检测器装置构造分类，包括固定式、手提式和取样式，用于粮食水分在线测量装置应取固定式。中子法测量水分的线性度高，不用取样，不破坏被测物自然结构，在不影响物料正常运动下实现非接触连续在线测量。缺点为：氢的散射特性不稳定，理论尚未完善。需人工标定，精度受密度、测量体的影响大，使用时需作生物防护。作为测量的核心关键部件是快中子源和慢中子检测器。水分子中的氢原子决定了快中子的慢化速度。中子质量与氢原子核的质量相当，而一般物料中的其他元素原子核的质量比中子质量大。一个快中子碰上一个重元素的原子核，产生弹性散射，根据弹性碰撞理论，能量基本上不消失。而中子碰上氢原子核产生弹性散射，平均要把一半能量交与氢核，所以当快中子在含氢核的介质中经过几次碰撞就可以被减速为慢中子。快中子束穿过物料，被物料中H原子核衰减减速，因此穿过物料后传感器测到的慢中子(即被减速后的中子)密度或快中子密度(即中子束透射率)即为物料中日原子浓度(即其含水量)的函数
ln?1/T??A?m?B?ln?
(1.10)
式中，T为透射率，且T=I／Io，即透过物料后、前的中子束强度之比；A、B、
?均为常数；m为水分浓度。
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第一章 绪论
以中子减速传感器为核心的实用中子水分仪，由快中子源、探头和计数器三部分组成。快中子源通常用封人密闭容器内的Am—Be，计数器由线性放大器、脉高选择器、低压高压电源、单通分析器、源衰减补偿器以及其他计算电路组成，检测探头，即中子减速水分传感器的功能是在线检测穿过物料后的中子束的快、慢中子数，可用BF3正比计数管、电晕放电慢中子计数管、3He气体正比计数管和6Li锂玻璃闪烁计数管等。
中子法实质上测出的是物料中氢原子浓度。故测算的水分为体积百分含量，换算成重量百分率需除以密度。其检测精度与物料水分浓度有一均匀梯度关系，与物料温度关系不大，但与物料堆密度有关。
中子减速传感器可在很广泛范围内测量物料水分，可以检测众多物料水分，也可以安装在物料传送管道、运送带、料斗上测量工艺过程中物料的水分。 1.4.5 红外线法在线测量粮食水分
波长在0.72～1000?F范围的射线为红外线。利用近红外线具有的吸收特性，被吸收的能量与所测物质的含水量有关的原理来测量水分的方法即为红外线法。红外法测水具有快速准确、非接触无损伤地连续测量的特点。但该方法属于表面测量技术，难以反应整个物料的体积水分(内部水分)，测量精度受粮食形状、大小、密度的影响。
选择波长为1.64?m或1.94?m(均为水分吸收峰值波长)单色光作红外辐射源，根据比尔——朗伯定理，红外线通过水分时被有选择地吸收，通过被测样品后光强
I?I0e?ktM (1.11)
式中，I0为投射出的光强，k为吸收系数，t为被测物厚度。写成
M?1I0ln (1.12) ktII0为显线性。但由于红外线照射到被测样I品是无规则散射，除水分外，被测物的杂质对红外线也会吸收和散射，而且随被测样品成分的变化，光能的损失也不同。为减少误差影响因素，通常采用参比技术，即双波长法、三波长法、四波长法。
理论上，若k，t为定值，则M与ln一般用最易被水分吸收的波长为1.94?m的红外射线作为测量波长，同时用几乎不被水分吸收的1.81?m波长作为参比。由上述两种波长的滤光片对红外光轮流切换，根据被测物对这两种波长的能量吸收的比值，便可判断含水量。
红外测量仪的光学结构有反射式、透射式和反射——透射联合式三种。反
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第一章 绪论
射式同侧安装发射接收系统，可根据特定的红外反射谱来测定粮食水分。透射式的发射和接收系统分别位于被测物的两侧，安装精度要求较高，主要用于测量薄而透光的物质。粮食透光性较差，必须用前者。
红外反射式传感器组成包括红外光源（常用碘灯）、透镜、反射镜、调制盘、红外探测器等。测量范围0.02%~100%水，测量精度±0.5%~±1.0% 。应用面甚广。
1.4.6 其他在线粮食水分测量方法
除上述方法外，另有基于电阻和电容方法的介电损失角方法与复阻抗分离法、基于氢原子能量吸收的核磁共振方法以及声学方法等。
1.介电损失角方法与复阻抗分离电容法
当电容传感器充满谷物介质时，它的电特性不单纯受电容影响，而且还受电阻的影响。当在其两极间施加交流激励信号，其阻抗包括容抗和阻抗。在理想情况下，即传感器由纯电容组成时，IU和U相位差为90°，但当有介质电阻存在时，IU和U相位差不再为90°，而有一个偏离?角称为介电损失角。谷物含水率不同，介电损失角不同，并且呈单值分段线性关系。介电损失角方法是经济实用的水分测量方法之一，测量精度较高，最大测量误差小于1% ，尤为重要的是在测量高水分时仍能获得较好的精度和重复性。复阻抗分离电容法从另一途径解决容抗和阻抗的共生问题—— 通过复阻抗分离电路的设计，有效消除电阻参量的影响，而只保留电容参量的变化。
2.核磁共振法
核磁共振法是粮油产品理化性质测定的一种普适性方法，可测定固体／液体含油、含脂，测定果中含核，测定瓜果熟度。优点是检测迅速，精度高，无破坏，测量范围宽。核磁共振法测量原理为：某些原子核和电子一样有自旋现象，故亦有核磁矩。氢原子质量数为奇数，其自旋量子数为1/2，据量子力学原理，其在磁场中一面自旋，一面取一定角度?绕磁场作圆锥形转动，即所谓的拉摩尔进动。氢原子核对外磁场只有两种取向(两个?角)绕磁场转动，如果磁场磁力线向氢核提供的能量正好等于氢核磁矩从一个位相角变到另一位相角所需的能量，氢核就能吸收这部分能量而改变其进动状态，即产生了核磁共振吸收信号。由于存在于固相中的水分子(氢原子)比液相中的在核磁共振波谱图上的吸收峰要宽，就使得检测含氢固体物料中的含氢液体(如水)成为可能。
核磁共振(NMR)仪由传感器和波谱仪两部分组成。波谱仪包括射频信号发生器及信号放大、显示装置等部件。而NMR传感器则由磁铁和探头组成。磁
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