摘要：粮食是人类生存的物质基础，粮食水分检测技术具有越来越重要的现实意义。通过参考大量的文献，分析了国内外各种粮食水分检测技术的基本原理，并指出了各自的优缺点。其中利用高频电磁波信号在有耗媒介中的传播特性设计的粮食水分测量装置，具有突出的优点，着重介绍了高频电磁波检测技术的发展现状和原理。
关键词：粮食水分；检测技术；传播特性；测量装置
我国是一个粮食大国，同时也是一个人口大国，仅用全世界7%的耕地就养活了世界22%的人口[1]，我国每一年收获的粮食产量巨大，所以粮食的安全储存问题一直以来国家都极其重视[2]。谷物含水量是仓储过程中需要控制的关键参数[3]，谷物水分含量过高会使谷粒生命活动旺盛，消耗谷粒中储存的营养物质，加快粮堆内有害微生物的生长和繁殖，引起粮堆发热、霉变和损耗等，对粮食造成巨大的浪费。谷物水分含量过低，导致谷物整体重量减少，会破坏有机质结构，从而降低谷物品质。在粮食生产、加工过程中，各工序对谷物含水率都有严格要求。作为重要的品质指标之一，含水率测定对于粮食的收购、运输和贸易而言，也是不可或缺的步骤[4]。谷物含水率的测定是确保仓储安全的主要依据，也是粮食加工的重要工艺参数[5]，因此，对粮食水分做出精准测量具有十分重要的意义。本文对粮食水分的检测技术和原理进行了详细的介绍。
1电烘箱法
电烘箱法是利用电烘箱对被测样品进行加热，直接去除粮食中的水分，通过比较加热前后样品重量的变化来检测样其含水量[6-7]，其含水率公式为：(1)式中，W为含水率；M1为加热前样品重量；M2为加热后样品重量。电烘箱是一种传统经典的检测方法，优点是测量精度高，测量范围宽，可用来作为其他方法的检测标准；缺点是测量时间较长，实时性差，效率低，不适合用于在线的检测[8]。
2电容法
常温下，水的介电常数高达80左右，而干燥谷物的相对介电常数小于5，它们之间的介电常数存在很大的差异，粮食水分含量的高低直接影响粮食介电常数的变化[9-11]。电容法将粮食谷物比作电介质，并根据水的介电常数远大于粮食谷物的介电常数这一特点，通过测量出粮食谷物的介电常数，就可以计算出粮食中水分含量[12]。电容法优点是成本低，结构简单，易于维护，可用于在线检测。缺点是测量影响因素比较多（受环境温度、物料品种、空气湿度等影响），工作稳定性不强，需要进行数据补偿。
3微波法
微波是频率介于300-300GHz之间的电磁波，具有频带宽、透射、抗低频干扰等特性[14]。水分子是极性分子，在外电场的作用下能够被极化成偶极子，并沿着电场方向定向排列，水偶极子频繁换向，不断从电场中吸收能量，又不断释放能量[15-17]，因此，通过检测微波与粮食作用后相关参数的变化，便可以间接测量粮食含水率[18]。微波法的优点是检测速度快，灵敏度高，稳定性好，适用于动态检测；缺点是其热效应明显，不但影响种子的活性，而且影响测量精度，仪器复杂，价格昂贵。
4中子法
中子法测量粮食水分是中子源发出的快中子与谷物中氢原子核进行碰撞，在这个过程中，中子每次与氢核碰撞，损失很多能量，根据谷物中含氢量的变化便可推算出谷物中的含水量。(2)式中,W1为中子损耗的能量；W2为相互作用前中子的能量；M为发生相互作用的元素的质量数。当M=1时，相互作用的元素是氢，这时损失的能量最大发射的快中子就减速为慢中子。中子法检测快速，线性度高，不破坏被测物自然结构，工作状态稳定。但其造价极其昂贵，且标定较为麻烦，还需要严防射线泄露，因此未能推广使用。
5高频电磁波法
5.1高频电磁波测量技术的发展概况早在19世纪初，电磁波技术就用来监测空中飞行物空间位置及飞行速度。后来随着科学技术的发展，这一技术得到更加广泛的应用。在勘察地质结构中，通过发射天线，将电磁波发射到地下，在传输过程中，电磁波遇到存在差异的介质发射后返回地面，由接收天线接收。通过对发射回来的波形进行采集，处理和分析，以此确定地质体空间位置及其结构，从而达到探测目的。5.2高频电磁波谷物水分测量原理高频电磁辐射法测量谷物含水率是根据电磁波在含水谷物中进行传播时会有能量衰减，衰减的程度与含水量的高低有关，信号幅值的变化直接反应了电磁波能量的变化。应用电磁波在谷物内的色散、吸收及复介电常数变化，导致电磁信号畸变。通过比较发射信号和畸变信号的变化，便可推算出谷物的含水率[21]。高频电磁波在含水谷物传播衰减可用如下表达式表示：(3)式中,Pout为衰减后的功率；PIN为输入功率；a为衰减系数；x为被测谷物厚度。高频电磁波检测水分的方法，利用其高强的穿透性，不但可以检测到谷物的表面水分，还能检测谷物的内部水分[22-23]。该方法可满足农业上对粮食水分的测量要求，在粮食生产、加工和储藏领域有广阔的市场前景。6结语谷物水分含量对谷物自身的安全存储有重要的影响，其检测的准确性和可靠性不仅关系到谷物的品质，而且直接关系到农民的生产收入，对我国现代化农业的发展有重大影响。现有的谷物水分测量方法在一定程度上满足了生产需要，但各有局限性。本文项目管理论文提出的高频电磁辐射测量方法，为新型谷物快速在线测量方法的研究提供了理论依据。
作者：李博识 赵晨 赵晶 单位：黑龙江八一农垦大学信息技术学院
