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测试频率、电压、容积密度、含水率对棉花介电常数影响

时间:2014-10-25 来源:未知 作者:小韩 本文字数:2591字
论文摘要

  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。
  
  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 Ex-cel 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【1】
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  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【2】
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  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。

  2 结果与分析

  2. 1 测量频率对介电常数的影响

  测量条件:

  ①测量电压 1V;②含水量为 4. 5%;③容积密度为95kg/m3。测量频率对介电常数的影响如图 2所示。【图2】
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  由图2 可知:籽棉的介电常数随着测量频率的增加会逐渐降低;且随着测量频率的增加,频率对介电常数的影响会逐渐减小。

  通过方差分析测量频率对介电常数的影响关系得出:P机= P手= P皮= 0. 0001 < 0. 01。这表明,测量频率对机采棉、手摘棉、皮棉的介电常数影响高度显着。

  2. 2 测量电压对介电常数的影响

  测量条件:①测量频率 40kHz;②含水量为 4.5%;③容积密度为 95kg/m3。测量电压对介电常数的影响如图 3 所示。【图3】
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  由图 3 可知:随着测量电压的增加,机采籽棉的介电常数逐渐降低,手摘棉和皮棉的介电常数均先降低后升高。其原因如下:机采籽棉内的杂质可能会对介电常数有一定影响,而棉种对介电常数影响较小。

  通过方差分析测量电压对介电常数的影响得出:P机= 0. 004,P手= 0. 003,P皮= 0. 001,P机、P手、P皮均为0. 01。这表明,测量电压对机采棉、手摘棉、皮棉的介电常数影响高度显着。

    2. 3 容积密度对介电常数的影响

  测量条件:①测量频率 40kHz;②测试电压 1V;③含水量为 4. 5%。容积密度对介电常数的影响如图 4所示。【图4】
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  通过方差分析容积密度对介电常数的影响得出:P机= P手= P皮= 0. 0001 < 0. 01。这表明,容积密度对机采棉、手摘棉、皮棉的介电常数影响高度显着。

  2. 4 含水率对介电常数的影响

  测量条件:①测量频率 40kHz;②测试电压 1V;③容积密度为 95kg/m3。含水率对介电常数的影响如图5 所示。【图5】
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  由图 5 可知:含水率在 4. 5% ~ 20% 范围内逐渐增加时,机采棉、手摘棉和皮棉的介电常数均会逐渐增加,而且影响很大。

  通过方差分析含水率对介电常数的影响得出:P机= 0. 009,P手= 0. 01,P皮= 0. 007,P机和 P皮均小于或等于 0. 01。这表明,含水率对机采棉、手摘棉、皮棉的介电常数影响高度显着。

  2. 5 含水率与介电常数之间线性回归模型
  
  在测量频率 40kHz、测试电压 1V、容积密度95kg/m3时,分别分析了机采棉、手摘籽棉、皮棉的含水率与介电常数之间的线性回归模型。其中,Y 为介电常数,e - 12F / m;X 为含水率,% ;R 为线性相关系数。

  机采籽棉:Y机= - 121. 5 + 433 1X,R机= 0. 909手摘籽棉:Y手= - 247. 6 + 722 7X,R手= 0. 957皮棉:Y皮= - 197. 7 + 681 4X,R皮= 0. 964
  
  3 讨论

  实验发现:测试频率、测试电压值、籽棉容积密度及籽棉含水率等因素对机采籽棉、手摘籽棉、皮棉介电常数的影响规律各不相同。因此,在研发棉花在线含水率测量仪器时,为了保障测量精度和准确度,针对机采籽棉、手摘籽棉、皮棉应进行差别处理。

  对含水率与介电常数之间线性回归模型进行分析,由线性相关系数 R机、R手、R皮可知:机采棉、手摘籽棉、皮棉的含水率与介电常数之间有着非常好的线性相关性,且这些回归方程只是在特定条件下所得,因此只具备初步的指导作用。为了分析精确的多参数影响的回归方程,用于指导高精度籽棉在线含水率(回潮率)检测仪是本研究的下一步目标。

  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着。

  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。

  参考文献:

  [1] 古趁趁,坎杂,王丽红. 脱绒棉种介电常数与含水率的关系研究[J]. 石河子大学学报:自然科学版,2010,28(5):625 - 627.
  [2] 郭文川,王婧,刘驰. 基于介电特性的薏米含水率检测方法[J]. 农业工程学报,2012,42(3):113 -117.
  [3] 罗承铭,师帅兵. 电容法粮食物料含水率与介电常数关系研究[J]. 农机化研究,2011,33(4):149 -151.
  [4] 郭文川,郭康权,王乃信,等. 电激励信号的频率和电压对果品电特性的影响[J]. 农业工程学报,2004,20(2):62- 65.

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