基于温湿度传感器测量织物含水率

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摘要：含水率是纺织行业中一项重要参数，几乎贯穿于每一个工艺过程。本文根据现场环境要求，设计了一套基于温湿度传感器的在线检测系统，以实现对布匹含水率的检测。实验结果表明，该系统使用方便、精度高，适合于生产检测及科学研究。

关键词：含水率；温湿度传感器；在线检测系统

中图分类号：TS107.5 文献标志码：B Measuring Moisture Content of Fabric with Temperature and Humidity Sensors

Abstract： Moisture content is a significant parameter throughout almost every process of textile industry. In this article， an online monitoring system was proposed based on temperature and humidity sensors for detecting fabric moisture according to ambient requirements. The results show that the system is easy to use， high precision， and suitable for process monitoring and scientific research.

Key words： moisture content； temperature and humidity sensors； online monitoring system

织物的含水率常用测定方法有两大类，一类是根据含水率的物理定义，以烘干称重法为代表性的直接测量法，其测量结果准确，通常可作为其他方法的对比及标定，但是该方法通常无法满足快速、在线、非接触等要求，在生产环节中受到一定限制。另一类是根据含水率与介电常数之间关系的原理，以电容法、微波法为代表性的间接测量法，特点是可用于在线检测、快速，但通常设备较为复杂。

本文提出了基于电容性温湿度传感器的在线检测系统，该系统使用简便、精度高，并且维护简单，可有效降低使用成本，提高生产效率。

1 系统设计

不同湿度织物的表面空气相对湿度不同，将电容传感器置于织物表面，空气湿度将引起介电常数相应的变化，从而引起电容值的变化。利用这一电物理特性，可根据电容的大小反映了织物的含水率，再通过与标准方法对比，实现数据的标定。根据这一原理，即可设计出基于电容性湿度传感器的含水率在线检测系统（图 1）。

1.1 传感器

本系统采用瑞士SENSIRION生产的SHT75数字温湿度传感器，传感器包含一个测湿敏感元件、一个测温元件、放大器及A/D转换器，通过串行接口可得到全标定的信号输出，其校准系数以程序形式储存在OTP内存中（图 2）。

1.2 微控制器

本系统选取Freescale的MC9S08AW60CFUE，功能强大、成本低、使用方便。该芯片共64个管脚，其中 7 组共56个管脚可用于外接元件，本系统共使用I/O口中20个管脚，为下一步的功能扩展如无线通信等功能提供了可能性。

1.3 设备

为增强测试过程的灵活性，系统设置开始与暂停按键，同时设置LED灯与报警器，用于指示系统运行状态，最后利用LCD显示器输出测量结果，该系统使用方便，显示效果直观。若系统作为监测装置用于无人值守状态时，可开启软件中相关功能，如过高或过低时控制步进电机、继电器等设备。

1.4 软件设计

程序的执行顺序如下：系统上电后，执行初始化硬件及软件，包括I/O接口、LCD显示驱动程序、中断等，然后进入工作状态，等待K1键按下以开始测量数据。获取数据过程需要以下几个阶段，包括启动、发送指令、接受数据、校验数据、数据转换、补偿等过程。为减小系统误差，取 4 次的平均值实现一次测量，并通过LCD显示器完成一次计数。此时若K2被按下将系统进入暂停测量状态，否则将连续测量。暂停状态下，按下K1将继续测量。测量过程中，按下系统开关，系统将停止工作。

2 测试方法及结果

2.1 实验准备

为获得不同湿度的织物以验证该系统的可行性，采用垂直芯吸法获取实验数据。首先将布条等距分段，用铅笔以1 cm为单位画点，并将布条顶部固定于支架上，底部浸入水中。在无风、恒温环境下，静置24 h以实现织物内部芯吸与重力平衡。

2.2 测量方式

本传感器采用电容性湿敏元件，由高湿度向低湿度区域过渡时，达到内部湿平衡消耗时间较长。为缩短测量时间，将沿着布条含水率增大的方向，由上至下测量。每次测量时，将传感器金属面轻贴于布条标记处，以布条轻微产生位移为准，不能用力压。每次测量均衡用力，以减少人为误差。

为使得数据准确有效，每次将传感器贴于织物标记处后等待15 s再计数，每个测量点计数 4 次。考虑到传感器的固有时延，以及织物表面的湿平衡，可适当延长读数间隔时间，等数据稳定后再读取下一个点。

2.3.2 实验 2

将该布条取出水面，放置于空气中 3 h，以减小分界处含水率的梯度，得到表 3 的结果。

2.3.3 实验 3

将布条置于空气中12 h进一步减小分界处含水率的梯度，得到表 4 的结果。

图 6 测试结果显示，该系统能够随着织物含水率的变化而变化，在湿度较低处反应灵敏，可方便地检测织物含水率。

2.4 数据标定

该系统通过测量织物表面空气相对湿度来反映织物本身的含水率，数据本身与实际存在着系统偏差，为使系统能够直接显示织物的实际含水率，需要对数据进行进一步标定。

参考烘干称重法的数据进行标定，根据实际含水率梯度顺序进行测量，建立实际含水率及测量值的关系曲线，通过Matlab等数学软件进行拟合，从而得到测量值与实际值的关系，再次将此系统用于测量被测织物，便得到实际值。

3 总结

本文介绍了基于数字式温湿度传感器的含水率检测系统，以及该系统应用于检测织物含水率的方法。采用垂直芯吸法进行测试，验证了该系统的性能。将系统的传感器以适当方式贴近织物表面，即可通过实时读取系统LCD液晶显示器的数值，直接反映织物的湿度，特别是在含水率较低的布条上半部分，系统反应灵敏，效果令人满意。经过后续相关的数据标定后，该系统可推广至企业生产检测过程中，以提高生产效率和降低生产成本。

参考文献

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