纺织纤维含水率测量方法的研究
马彦霞 徐其迎 李健
（中原工学院电子信息学院 河南 郑州 450007）
摘要：本文根据纺织纤维的含水率对其相对介电常数的影响关系，提出一种纺织纤维含水率快速测量电路的设计方法，利用将电容传感器信号转换成电压信号的集成芯片CA V424构成信号的处理电路，通过A ／D 采样和单片机处理测出物料中的含水量；测试结果表明，该仪器可替代传统测湿方法，用以更新我国纺织企业的纤维水分测试技术。
关键词：纺织纤维；电容传感器；CA V424；含水率测试
中图分类号：TP182 文献标示符：A
目前，国内外较成熟的纤维水分测试方法有烘箱法和直流电阻测湿法。其中烘箱法测试结果准确、稳定，被我国国家标准定为仲裁检验和纺织厂质量控制检验的基本方法；直流电阻测湿法快速方便，普遍被棉花收购部门和纺织厂棉检室使用[1,2]。但是，上述两种方法均存在一定的缺陷。其中烘箱法耗能费时、不利于生产现场快速控制和纤维收购部门现场使用；直流电阻测湿法却因为纤维的直流电阻很大、极板在直流电场中易于极化等缺陷而存在测试稳定性差、误差大、通用性低等缺点。
本文根据文献[3]所提的纺织纤维含水率测试原理。利用集成芯片CA V424设计出一种纺织纤维含水率快速测量电路，该测量电路具有高检测灵敏度，快速检测并具有温度补偿的优点；测试结果表明，该仪器可替代传统测湿方法，用以更新我国纺织企业的纤维水分测试技术。
1 CAV424测试原理
CA V424的测量原理是通过一个外界电容C OSC 与内部构成一个频率可调的参考振荡器，驱动二个构造对称的积分器并使它们在时间上和相位上同步。如图1所示。二个被控制的积分器的振幅是由电容C X1和C X2来决定，C X1作参考电容而C X2作为被测电容。C X1和C X2包含了输入端与地端的所有电容，并在特性上一致，这样环境变化时芯片的两个输入端同时变化，其差值基本保持不变。当被测电容传感器电容变化时，由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比较二个振幅的差值得到的信号反映出C X1和C X2的相对变化量，该差值信号通过后级的低通滤波器滤波到达可调增益的差分输出级。
图1 CA V424原理框图
参考振荡器对外接的振荡器电容C OSC 和与它相关的内部寄生电容以及外接的寄生电容进行充电，然后放电。振荡器的电容近似地取为：C OSC ＝16C X1。参考振荡器电流I OSC 由外接电阻R OSC 和参考电压V M 来确定：I OSC ＝V M ／R OSC 。
二个对称构造的内置电容式积分器的作用原理与上述的参考振荡器相似。区别在于放电时间是充电时间的一半，其次，它的放电电压被钳制在一个内置的固定电压VCLMP 上，图2中显示出电容C X1和C X2的电压信号。
由图2所示的理想信号经过低通滤波器得：
VLP OUT =VDIFF,0+VM
其中：差分信号VDIFF,0＝3／8(VCX1－V CX2) ，它可再经过输出放大器放大；V M 为参考电压源。
图2二个积分器的电压输出
2 纺织纤维含水率测量电路设计
2.1含水率测量原理及传感器设计
纺织纤维含水率测量的基本原理是：对于含水量不同的纺织纤维，对应的介电常数亦不同，利用纺织纤维／水介电常数数值差异的电物理特性，采用变介电常数电容式传感器原理，可将被测信号的变化转换成电容量变化。再利用CA V424将电容信号转换为电压信号，通过A ／D 采样和单片机处理即可测出物料中的含水量。
为了保证纤维与极板的真实接触面积不变，采用弹簧加压的方式。弹簧在弹性变形范围内，变形度与压力成正比。其关系式为
F=K*X
式中 F 为弹簧所受压力，N ；
X 为弹簧产生的变形，m ；
K 为弹簧的弹性系数，(N/m)。
因此，如果每次试验时保持试样质量一定，使顶压在活动极板上的弹簧的压缩变形保持一定，则基本可保证每次试验时纤维与极板的真实接触面积也保持一定。传感器极板加压方式及原理如图3所示。
图3 传感器极板加压方式原理图
根据上述分析，在设计制作中选取极板参数为：极板面积235mm ×100mm(2块) ，极板材料：铜板镀铬，极板对纤维的压力稳定保持在31kPa 左右，当电极与纤维压力达到一定值后，由于纤维基本上已充分与极板接触，极板压力再增加，对纤维阻抗值影响不大，此时纤维含水率读数趋于平稳[3]。
2.2 基于CA V424电容电压转化电路设计
基于CA V424电容电压转换电路[4]如图4。
图4 基于CA V424电容电压转换电路
其中，R CX1和 R CX2是用作零点调整的，C OSC 是参考振荡器的电容，C X1是标准电容，C X2是被测电容。CL1和CL2决定低通滤波器1和低通滤波器2的角频率。R OSC 用来设定参考振荡器的电流。RL1和RL2用来调整放大器的增益，由于CA V424是差动输出，经放大器INA101转化为单端电压输出。
在测量系统的后续电路中，将电容转换得到的电压信号经过A ／D 转换为数字信号送给单片机处理。纺织纤维含水率测量仪组成框图如图5所示。
图5 纺织纤维含水率测量仪组成框图
3 测试方法与数据标定
采用上述传感器及如图5所示测试系统对纤维材料所含水分进行测试，其测试步骤为：将待测纤维均匀地摆放在传感器两极板间并加压，在放大器INA101上得到直流单端输出电压U ，此时的U 含有纤维含水率信息；经过A/D转换将其转换成数字信号送到单片机中，通过单片机计算处理后即可通过显示电路显示。并与传统“烘箱法”作对比测试。传感器测试结果表现为电压值U ，烘箱法测试结果表现为纤维材料的含水率值W(%)。该仪器先通过实验进行标定，测出含水率与输出电压的对应曲线，并将该曲线以0.5%含水率间隔逐点用表格形式存入E2ROM ，实际测量时根据被测电压与表格中相应的数据比较，用线性插值法计算出含水率。实际上，水的介电常数ε是随温度变化的，为消除温度变化对测量结果的影响，该仪器可用软件实现温度补偿[5]。
4 结论
当前，纺织纤维水分在线测试方法大多使用电容或者电导方法，其测量原理都是测量电容传感器介质的阻抗特性来确定含水率，这些方法要求信号源频率要达到10KHz 以上，还要有整流滤波电路，因而电路复杂而且成本较高，并受环境的影响难以实现高精度在线测量。该电路简单，体积大大缩小，同时, 它还具有方便、快速、低耗的优点，可望替代传统测湿方法，用以更新我国纺织企业的纤维水分测试技术。
本文作者创新点在于提出了一种快速测量纺织纤维含水率的方法，利用集成芯片CA V424构成信号的处理电路将电容传感器信号转换成电压信号，通过A ／D 采样和单片机处理测出物料中的含水量；此电路简单，体积大大缩小，同时, 方便、快速、低耗，可望替代传统测湿方法，用以更新我国纺织企业的纤维水分测试技术。
参考文献
[1] 姚穆, 周锦芳, 黄淑珍等. 纺织材料学(第二版)[M].北京:纺织工业出版社,1990
[2] 赵书经. 纺织材料实验教程[M].北京:纺织工业出版社,1989
[3] 王建君, 李晓峰, 陈日新. 用交流阻抗测湿法测量纺织纤维的含水率[J]. 传感器技术.2003.
22(10):65-67
[4] 丁振荣, 陈卫民. 基于CA V424的油品含水率在线测量仪的研制[J].工业仪表与自动化装
置.2004.5:26-27,39
[5] 刘静, 王艳菊, 边晓娜. 基于电容传感器式油含水率测量系统的设计[J]. 微计算机信
息,2007,9-1:157-158
Study on the Method of Measuring Moisture Ratio in Textile Fibre
MA Yan-xia XU Qi-ying LI Jian
(School of electric and information engineering, Zhong Yuan University of Technology,
Zhengzhou, 450007, China)
Abstract: The paper discusses a new instrument design method about quickly measuring moisture ratio in textile fibre based on the relation of moisture ratio and its relatively dielectric medium constant. Introduces the integrate circuit CAV424 used for capacitance to voltage signal convert; the test-result shows that the instrument can substitute traditional methods to improve fibre moisture testing technique in textile industries in our country.
Keywords: textile fibre ; capacitance sensor; CAV424; moisture ratio testing
作者简介：马彦霞，女，1974年1月，河南郑州人，讲师，从事建筑电气教学与研究工作。Email:
MA Yanxia ,Female,born in January ,1974 .Han .lecture, Speciality:Intelligent Buildings.
纺织纤维含水率测量方法的研究
马彦霞 徐其迎 李健
（中原工学院电子信息学院 河南 郑州 450007）
摘要：本文根据纺织纤维的含水率对其相对介电常数的影响关系，提出一种纺织纤维含水率快速测量电路的设计方法，利用将电容传感器信号转换成电压信号的集成芯片CA V424构成信号的处理电路，通过A ／D 采样和单片机处理测出物料中的含水量；测试结果表明，该仪器可替代传统测湿方法，用以更新我国纺织企业的纤维水分测试技术。
关键词：纺织纤维；电容传感器；CA V424；含水率测试
中图分类号：TP182 文献标示符：A
目前，国内外较成熟的纤维水分测试方法有烘箱法和直流电阻测湿法。其中烘箱法测试结果准确、稳定，被我国国家标准定为仲裁检验和纺织厂质量控制检验的基本方法；直流电阻测湿法快速方便，普遍被棉花收购部门和纺织厂棉检室使用[1,2]。但是，上述两种方法均存在一定的缺陷。其中烘箱法耗能费时、不利于生产现场快速控制和纤维收购部门现场使用；直流电阻测湿法却因为纤维的直流电阻很大、极板在直流电场中易于极化等缺陷而存在测试稳定性差、误差大、通用性低等缺点。
本文根据文献[3]所提的纺织纤维含水率测试原理。利用集成芯片CA V424设计出一种纺织纤维含水率快速测量电路，该测量电路具有高检测灵敏度，快速检测并具有温度补偿的优点；测试结果表明，该仪器可替代传统测湿方法，用以更新我国纺织企业的纤维水分测试技术。
1 CAV424测试原理
CA V424的测量原理是通过一个外界电容C OSC 与内部构成一个频率可调的参考振荡器，驱动二个构造对称的积分器并使它们在时间上和相位上同步。如图1所示。二个被控制的积分器的振幅是由电容C X1和C X2来决定，C X1作参考电容而C X2作为被测电容。C X1和C X2包含了输入端与地端的所有电容，并在特性上一致，这样环境变化时芯片的两个输入端同时变化，其差值基本保持不变。当被测电容传感器电容变化时，由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比较二个振幅的差值得到的信号反映出C X1和C X2的相对变化量，该差值信号通过后级的低通滤波器滤波到达可调增益的差分输出级。
图1 CA V424原理框图
参考振荡器对外接的振荡器电容C OSC 和与它相关的内部寄生电容以及外接的寄生电容进行充电，然后放电。振荡器的电容近似地取为：C OSC ＝16C X1。参考振荡器电流I OSC 由外接电阻R OSC 和参考电压V M 来确定：I OSC ＝V M ／R OSC 。
二个对称构造的内置电容式积分器的作用原理与上述的参考振荡器相似。区别在于放电时间是充电时间的一半，其次，它的放电电压被钳制在一个内置的固定电压VCLMP 上，图2中显示出电容C X1和C X2的电压信号。
由图2所示的理想信号经过低通滤波器得：
VLP OUT =VDIFF,0+VM
其中：差分信号VDIFF,0＝3／8(VCX1－V CX2) ，它可再经过输出放大器放大；V M 为参考电压源。
图2二个积分器的电压输出
2 纺织纤维含水率测量电路设计
2.1含水率测量原理及传感器设计
纺织纤维含水率测量的基本原理是：对于含水量不同的纺织纤维，对应的介电常数亦不同，利用纺织纤维／水介电常数数值差异的电物理特性，采用变介电常数电容式传感器原理，可将被测信号的变化转换成电容量变化。再利用CA V424将电容信号转换为电压信号，通过A ／D 采样和单片机处理即可测出物料中的含水量。
为了保证纤维与极板的真实接触面积不变，采用弹簧加压的方式。弹簧在弹性变形范围内，变形度与压力成正比。其关系式为
F=K*X
式中 F 为弹簧所受压力，N ；
X 为弹簧产生的变形，m ；
K 为弹簧的弹性系数，(N/m)。
因此，如果每次试验时保持试样质量一定，使顶压在活动极板上的弹簧的压缩变形保持一定，则基本可保证每次试验时纤维与极板的真实接触面积也保持一定。传感器极板加压方式及原理如图3所示。
图3 传感器极板加压方式原理图
根据上述分析，在设计制作中选取极板参数为：极板面积235mm ×100mm(2块) ，极板材料：铜板镀铬，极板对纤维的压力稳定保持在31kPa 左右，当电极与纤维压力达到一定值后，由于纤维基本上已充分与极板接触，极板压力再增加，对纤维阻抗值影响不大，此时纤维含水率读数趋于平稳[3]。
2.2 基于CA V424电容电压转化电路设计
基于CA V424电容电压转换电路[4]如图4。
图4 基于CA V424电容电压转换电路
其中，R CX1和 R CX2是用作零点调整的，C OSC 是参考振荡器的电容，C X1是标准电容，C X2是被测电容。CL1和CL2决定低通滤波器1和低通滤波器2的角频率。R OSC 用来设定参考振荡器的电流。RL1和RL2用来调整放大器的增益，由于CA V424是差动输出，经放大器INA101转化为单端电压输出。
在测量系统的后续电路中，将电容转换得到的电压信号经过A ／D 转换为数字信号送给单片机处理。纺织纤维含水率测量仪组成框图如图5所示。
图5 纺织纤维含水率测量仪组成框图
3 测试方法与数据标定
采用上述传感器及如图5所示测试系统对纤维材料所含水分进行测试，其测试步骤为：将待测纤维均匀地摆放在传感器两极板间并加压，在放大器INA101上得到直流单端输出电压U ，此时的U 含有纤维含水率信息；经过A/D转换将其转换成数字信号送到单片机中，通过单片机计算处理后即可通过显示电路显示。并与传统“烘箱法”作对比测试。传感器测试结果表现为电压值U ，烘箱法测试结果表现为纤维材料的含水率值W(%)。该仪器先通过实验进行标定，测出含水率与输出电压的对应曲线，并将该曲线以0.5%含水率间隔逐点用表格形式存入E2ROM ，实际测量时根据被测电压与表格中相应的数据比较，用线性插值法计算出含水率。实际上，水的介电常数ε是随温度变化的，为消除温度变化对测量结果的影响，该仪器可用软件实现温度补偿[5]。
4 结论
当前，纺织纤维水分在线测试方法大多使用电容或者电导方法，其测量原理都是测量电容传感器介质的阻抗特性来确定含水率，这些方法要求信号源频率要达到10KHz 以上，还要有整流滤波电路，因而电路复杂而且成本较高，并受环境的影响难以实现高精度在线测量。该电路简单，体积大大缩小，同时, 它还具有方便、快速、低耗的优点，可望替代传统测湿方法，用以更新我国纺织企业的纤维水分测试技术。
本文作者创新点在于提出了一种快速测量纺织纤维含水率的方法，利用集成芯片CA V424构成信号的处理电路将电容传感器信号转换成电压信号，通过A ／D 采样和单片机处理测出物料中的含水量；此电路简单，体积大大缩小，同时, 方便、快速、低耗，可望替代传统测湿方法，用以更新我国纺织企业的纤维水分测试技术。
参考文献
[1] 姚穆, 周锦芳, 黄淑珍等. 纺织材料学(第二版)[M].北京:纺织工业出版社,1990
[2] 赵书经. 纺织材料实验教程[M].北京:纺织工业出版社,1989
[3] 王建君, 李晓峰, 陈日新. 用交流阻抗测湿法测量纺织纤维的含水率[J]. 传感器技术.2003.
22(10):65-67
[4] 丁振荣, 陈卫民. 基于CA V424的油品含水率在线测量仪的研制[J].工业仪表与自动化装
置.2004.5:26-27,39
[5] 刘静, 王艳菊, 边晓娜. 基于电容传感器式油含水率测量系统的设计[J]. 微计算机信
息,2007,9-1:157-158
Study on the Method of Measuring Moisture Ratio in Textile Fibre
MA Yan-xia XU Qi-ying LI Jian
(School of electric and information engineering, Zhong Yuan University of Technology,
Zhengzhou, 450007, China)
Abstract: The paper discusses a new instrument design method about quickly measuring moisture ratio in textile fibre based on the relation of moisture ratio and its relatively dielectric medium constant. Introduces the integrate circuit CAV424 used for capacitance to voltage signal convert; the test-result shows that the instrument can substitute traditional methods to improve fibre moisture testing technique in textile industries in our country.
Keywords: textile fibre ; capacitance sensor; CAV424; moisture ratio testing
作者简介：马彦霞，女，1974年1月，河南郑州人，讲师，从事建筑电气教学与研究工作。Email:
MA Yanxia ,Female,born in January ,1974 .Han .lecture, Speciality:Intelligent Buildings.