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人造板质量在线无损检测系统的研究 摘要 人造板的弹性模量( 简称 i o e ) 是一个可以实现在线检测的非破坏性力学性能指 标， 并可用以实现人造板质量和生产成本的在线控制. 为此， 本研究探讨了检测条件 对m o e 检测结果的影响、 大幅面成品板m o e 与国标试件m o e 的关系以及m o e 与人造板 破坏性力学性能指标静曲强度( 简称m o r ) 、 内结合强度( 简称 工 b ) 和重要物理性能 指标平均密度( 简称m d ) 的关系.研究设计了单片机测控系统。 数学模型和实验结果表明: 测试加载速度对m o e 影响显著; 支承跨距对m o e 的影 响显著， 一般以 跨厚比为2 4 为宜; 试件宽度对m o e 无显著影响: m o e 与m o r 和m d 之 间为正相关关系: m o e 与i b 实测值尚未获得确切关系。 研究设计结果表明: 由 三路位移传感器和载荷传感器组成的单片机系统， 可以实 现对板材弯曲 应力、 应变和板材平均厚度、 重量的实时检测; 通过计算机的实时分析， 可对超限者作出在线报普:同时利用m o e 与m o r 的关系， 在线预报板材的m o r ;利用 m o e与 m d之间的关系，可对板材平均密度的合理性和经济性做出实时判断，以控制 生产成本。 单片机系统与机械系统和计算机系统的结合， 可以实现人造板性能质量的 在线无损检测和预等，实现人造板生产工艺的在线监控。 本研究成果可以作为人造板无损检测和工艺监控系统设计和应用的理论依据和 技术依据。 关健词:人造板，无损检测， 弹性模量，实时检测， 在线控制， 单片 机 r e s e a r c h o f t h e o n - li n e n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g s y s t e m f o r wo o d - b a s e d c o mp o s i t e p a n e l s c h e n q i c a n d i d a t e f o r ma s t e r d e g r e e d e p a r t m e n t o f w o o d s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y , s o u t h w e s t f o r e s t ry c o l l e g e s u p e rvi s e d 勿p r o f e s s o r z h a n g h o n g 一 i a n ab s t r a c t m o d u l u s o f e l a s t i c i ty ( m o e ) i s a m e c h a n i c a l i n d e x f o r w o o d - b a s e d c o m p o s i t e p a n e l s , w h i c h c a n b e t e s t e d o n t h e p r o c e s s i n g l i n e n o n - d e s t r u c t i v e l y t o r e a l i z e t h e q u a l i ty a n d c o s t o n - l i n e c o n tr o l . f o r t h i s p u r p o s e , t h i s p a p e r a p p r o a c h e d t h e e ff e c t fr o m t h e t e s t c o n d i t i o n s o n m o e , t h e re l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e m o e o f l a r g e a n d s t a n d a r d s i z e s a m p l e s a n d a m o n g m o e a n d m o d u l u s o f r u p t u r e ( mo r ) a n d i n t e rn a l b o n d i n g s tr e n g t h ( i b ) , w h i c h a r e d e s t r u c t i v e m e c h a n i c al i n d e x e s , a n d t h e m e a n d e n s i ty ( m d ) w h i c h i s a n i m p o r t a n t p h y s i c al p r o p e r ty o f t h e c o m p o s it e s . m e a n w h i l e , a s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r s y s t e m w a s s t u d i e d a n d d e s i g n e d f o r t h e n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g s y s t e m . r e s u lt s fr o m b o t h t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l s a n d e x p e r i m e n t s i n d i c a t e d t h a t t h e l o a d i n g s p e e d e ff e c t e d o n m o e s o u n d l y . t h e s p a n o f t e s t i n g in fl u e n c e d m o e n o t a b l y t o o a n d , i n g e n e r a l , t h e p r o p e r s p a n i s t h e 2 4 t i m e o f t h e s a m p l e t h i c k n e s s . t h e re is n o r e m a r k a b l e d i ff e re n c e o f m o e b e t w e e n t h e w i d e a n d n a r r o w s a m p le s . t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n m o e a n d m o r i s p o s i t i v e ; b u t b e t w e e n m o e a n d i b , i t i s n o t s i g n i f i c ant r e s u lt s fr o m t h e s t u d y and d e s i g n s h o w e d t h a t t h e s i n g l e c h i p m i c ro c o m p u t e r s y s t e m c o n s i s t e d o f t h re e p o s it i o n s e n s o r s and o n e l o a d i n g s e n s o r c o u l d re al i z e t h e r e a l t i m e t e s t i n g o f s t r a i n and s tr e s s o f b e n d i n g , m e an t h i c k n e s s an d w e i g h t . w i t h a c o m p u t e r , t h e w h o l e s y s t e m c o u l d d o t h e re al t i m e an al y s i s t o g i v e o u t an o n - l i n e a l a r m i n g o n c e b e y o n d比 .s t a n d a r d and t o f o re c a s t m o r b a s e d o n t h e re l a t i o n s h i p b e t w e e n m o e and m o r . b y t h e re l a t i o n s h i p b e t w e e n m o e and m d , it c o u l d d o t h e r e al t i m e j u d g e f o r t h e r a t i o n a l ity o f m d i n t e r m s o f c o s t . t h e s y s t e m c o m p o s e d o f a s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r an d a c o m p u t e r , a s w e l l a s m a c h i n e ry , m a y r e al i z e t h e o n - l i n e n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g , f o re c a s t i n g and a l a r m i n g o f t h e q u a l ity p r o p e rt i e s and o n - l i n e s u p e rv i s i o n and c o n tr o l o f t h e p r o c e s s i n g o f w o o d - b a s e d p ane l s t h e a c h i e v e m e n t o f t h i s re s e a r c h m a y b e t h e t h e o ry and t e c h n o l o g y b a c k g r o u n d f o r t h e d e s i g n and a p p l i c a t i o n o f t h e n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g an d p r o c e s s i n g c o n tr o l s y s t e m f o r w o o d - b a s e d p ane l s . k e y w o r d s : w o o d - b a s e d c o m p o s i t e p ane l ; n o n d e s t r u c t i v e t e s t ; m o d u l u s o f e l a s t i c i ty ; r e a l - t i m e t e s t i n g ; o n - l i n e p r o c e s s i n g c o n t r o l ; s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。 尽我所知， 除了 文中特别加了标注和致谢的地方外， 论文中不包含他人已 经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料， 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 签名 平 r 日期: 关于论文使用授权的说明 本人同 意: 西南林学院有权保留送交论文的复印件， 可以 采用影印、 缩印或其它 复制手段保存论文; 提交论文一年后， 允许论文被查阅 和借阅， 学校可以公布论文的 全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名: 李 三 j 导师签名 日 期: 3 .兰.8 i 前言 1 前言 无损检测指的是在不破坏被测试件的情况下获得材料有关力学性质的一种测试 方法。 通常， 人造板必须通过破坏性测试而获得的力学性质指标有静曲强度、 握螺钉力、 内 结合强 度等， 其中 最常用的指标是静曲 强度和内结合强 度: 可以 用非破坏性测试而 获得的力学性质指标只有静曲弹性模量。当然，一些常见的物理性能指标( 如密度) ， 也可以作为非破坏性测试指标。 人造板的上述破坏性测试指标的检测， 一般是采用力学试验机对从批量成品板中 随机抽取出来的板材制成规定的尺寸试样进行破坏性试验检测， 记录下其尺寸、 最大 载荷和相 应的 变形量， 通过简单公 式计 算， 即 可得到 其 具体的 力学 性能 指标值 一 ， 。 这种传统的检测方法给工业生产带来了三大问 题: 一是因被测试件取自于已经脱离了 生产线的成品而带来的检测滞后和对生产线技术状况控制调节的滞后问 题; 二是局部 小试件反映不了 批量的规格成品板的实际质量情况; 三是因试验的破坏性而造成大量 的人力和试验板材的浪费。 如果用非破坏性检测( 即无损检测) 方法来取代传统的破坏 性测试方法并结合在线检测技术和计算机技术， 实现在生产线上对大幅面规格板的当 时、 当场检测， 可较大程度地减少现行常规检验法导致的 迟判所造成的大量废品 ” ， 5 ， ， 避免小样测试的 局限性和产品的抽样损失， 使检验过程迅捷、 简化. 人造板的力学性能的无损检测技术是建立在多学科科学技术基础之上发展起来 的“ n . n 1 ， 是人造板生产技术的巨 大发展。 它促使人造板的传统测试 方法发生根本性的 变革， 使人造板的质量控制达到一个新的水平， 为人造板生产过程的工艺控制与自 动 化准备了 必不可少的条件i7 1 基于上述优点， 国内 外科技人员对木材及木质材料( 人造板) 的质量无损检测做出 了 大量的努力，力图 探索出 最适合工业生产的 人造板质量无损检测系统。 1 . 1 木材及木质材料物理力学性能的无损检测方法 常见的无损检测方法有超声波检测、微波检测、射线检测、固有振动无损检测、 冲击应力波检测等等i). 9 1 )超声波检测 人造板质1 s 在线无损检钡 11 系统的研究 超声波检测的原理是在被测固体材料的厚度与超声波波长相比忽视的情况下， 沿 被测材料的长 度方向传播的纵波的声速( 6)与材料的密度( p ) 及超声弹性模量( l ) 的 关系示口 p t侧 。 检测设备主要是超声波声时测定器， 测量的声时范围一般从0 . 1 - 9 9 9 9 微秒， 用于 检 测木材与 人 造板 超声 波的 频率为2 0 2 5 0 千赫1s ,e ,s , in 1 9 6 5年伯梅斯特报道了纵波声速与不同种类木材的物理、形态学及力学性质之 间的相互关系，同年 i . d . g . 李在 超声脉冲速度试验作为木结构一种安全措施一 文中 指出: 木材超声脉冲传播速度与 木材强度具有某些相关性2 ， 。 1 9 7 8年美国林产品研究所在 用非破损检测方法预告木材降等一文中报道了 超声波平均波速的 测定与超声弹性模量的计算2 ， 。 v i c t o r a l e x a n d e r和 l e r m a n n s t a a t s成a地利用超声波对人造板的含水率进 行了 在线非破损检测系统的 研究n n 1 9 9 7 年l i ll e n g c h e n 等人利用超声波在刨花板板坯热压过程中胶粘剂的固化进 行了 有效的监控n 2 英国西恩电子仪器公司在二十世纪八十年代生产了p u n d i t 牌便携式超声波非破 损数字显示测试仪z 国内 有东北林业大学的王伟、李东升等人在2 0 0 1 年对超声在线板厚监测系统进 行了 研究( 17 , n , 15 虽然前人在利用超声波检测方面取得了可人的成绩， 但是超声波波速与波形测试 因为测试结果受试件与超声波发射器及接收器的 祸合程度的影响较大， 同 时祸合剂对 试件的渗透很快， 而祸合剂渗透造成的污染无法避免与消除. 另外， 现在尚无针对木 材及木质制品不渗透的祸合剂。 由 于存在上面一些缺点， 使超声波在木材工业中 存在 难以实用的局限性 i0 , iff 2 )微波测试法 微波测试时微波是波长为1 , 0 0 0 -1 毫米的电 磁波， 相应的频率为3 0 0 -3 0 0 , 0 0 0 兆赫。 主要原理是利用微波在不同介质中的传播速度和衰减速度的不同. 研究材料不 同方向 和不同部位的差异来反映材料的性质. 常用透射、 反 射、 定波和散 射类仪器来 测定 门 。 ， 。 n 。 栩。 .。 。 ， ; 知pp p 。， 刹用 微波在木材被干燥或加热的过程中 对木材内 部 1 9 9 7年 a . la n t l 不l r i e r r e. l . a n t i t vn v x +o c , ( a o x - -i .一，一 的 温度和湿度分布情况进行了 在线监测 ix 芬兰的 p l a n s e l l公司和其 i n n o t e子公司在二十世纪八十年代生产的 l i n n o g r a d e 应力分等机， 利用微波法非破损检测成材缺陷1z 1 前言 山于微波法只能检测材料内部的缺陷， 且检测能力受到木材的密度和含水牢的影 响而显得不是很完善z , lr 3 )射线检测 主要是利用射线穿过物体时， 射线被物体吸收的特性。 辐射种类的选择， 主要决 定于被测物的密度和射线所需穿越被测物的厚度的乘积。一般有中子射线、y 射线、 x 射线和红外线等等. 其缺陷的显示方式主要是有照像、 摄像、闪烁扫描p . ix , ls ,z ll s t e n d u e l lo l 。 利川， 射线 对人造板 剖面 密度 进 行了 在 线实时 监测系统的 研制【17 1 w o l f g a n g h a a g利用 y射线对人造板的厚 度、 密 度进行了在 线无损检测系统的 研制， ， ， 。 v i c t o r a l e x a n d e r t 等对利用红外线对刨花板的含水率进行测定， 利用 x射线 测定板材的剖面密度进行了 研究u a s a t o r u t s u c h i k a w a 等人在1 9 9 8 年利用红外线激光器对木材的特性进行了 无损 检测， ， 。 1 9 9 9 年美国的o l d d e l f t 公司在市场上已 供应电 视显示实时中子图像检测系统 二十世纪八十年代西德k l a u d i t .z 研究 所首先研制 成用y射线测定碎料板或纤维 板沿厚度方向的密度分布测试仪， 它能根据厚度方向的密度分布及时地调节与控制人 造板生产线上各个工艺参数来获得最合理的断面密 度分布， 从而保证产品质量z 德国g r e c o n 公 司 利 用 射线 研 制了 离 线 式 剖 面密 度 测 定 仪ifi 由于各种放射线测试系统价格昂 贵， 易污染环境而需要特殊的安全屏蔽措施， 而 且难以 直接获得人造板的力学性质， 所以 其利用受到一定程度上的限制7 . 一 2 ,2 4 . 2 5 ,2 7 1 4 )固有振动无损检测 根据试件的振动特性与弹性模量之间的相关关系， 对试件施加横向振动载荷， 用 计算机测出试件的自由振动频率和自山振动的减幅率及质量，由公式 w i 丫2 =叫 二二丁万 一 k b h 经i f 算机数据处理后显示出 试件的弹性模量12 , 2 6 o w 是重量， i 是支点间的距离， ( 1 ) r 是 材料的自 然振动频率，b 是材料的宽 度， k 是由 于地心引力引起的振动加速度的方式 常数。 二十世 纪六卜 年代r . p . p e l l e r i n 和j . d . l o g a n 利用材料的这种特性研制了 横向 振动弹性模量计算机2 人造板质 量在线无损检测系统的研究 5 )冲击应力波无损检测 这一测试技术是基于 纵向应力波通过被测材料的时间与被测材料的密度、 弹性模 量的物理关系而建立的。 应力波检测作为手段以研究木材及人造板的非破损试验山于 其 不受被测 物体形状和尺寸 的 影响 加上 检测 技术较易 掌握而 得到了 迅速发 展2 , 29 。 弹 性模量( m o e ) 与 应力波的 速度( 砂 和材 料的密 度( 功 之间 存在 着下列关 系【 1, 2 , 2 fi , zn 五 1 0e =( 2 ) v 为英寸/ 秒， d 为磅/ 英寸 ， b 为3 8 6 英寸/ 秒 。 上式表明了 在许多 情况下， 静曲 强 度及内结合强度与纵向应力波传播速度的密切关系。 华盛顿州立大学r . f . p e l l e r i n 与c h a r l e s . r . m o r s c h a u s e r 进行t 应力波无 损检测碎料板的物理力学性能的研究2 x i p i n g w a n g 和r o b e r t 1 . r o s s 等 人利用应力 波对正 在生长的 直立木的强 度和 硬度进行了 无损检测2x 1 9 9 5年中国林科院木材工业研究所的王志同、曹克强、袁卫国对应力波应用于 检测中密度纤维板弹性模量的无损检测系统进行了 研究叫。 一切研究表明利用冲击应力波对人造板的力学性能可进行有效的检测， 但是由于 应力波的检测是将应力波发送与接收器安装在所要测试的成材或人造板上， 由 撞击器 的 剧烈 撞击引 入 应力 波得到的 2 。 对于在线 检侧而言， 应力波检 测存在一定的 局限性。 1 . 2 机电式无损检测 机电式无损检测方法可以克服上述射线法引起的工业污染和超声波法、 应力波法 带来的在工业现场难以实现的局限性. 机电式无损检测方法基本原理是利用机械方式对材料加载至材料破坏载荷前获 得材料的非破坏性检测指标 弹性模量， 通过对弹性模量与其它破坏性指标( 如静 曲强度、内结合强度等) 的关系来得到相应的破坏性指标。实际上，这是一种利用机 械与 传感器、 电 子设备和计算机完成对数据信息的采集和处理来得到材料某几个物理 力学性能的方法。 同时， 利用弹性模量、 密 度等非破 坏性检测指标与 静曲 强度、 内 结 合强度和工艺条件之间的关系， 间接获得材料其它力学性质， 并实现对整个生产工艺 的监控。 1 . 2 . 1 机电式无损检测技术的理论依据 在人造板的一些物理力学性能检测参数中， 静弯曲 弹性模量( b e n d i n g m o d u l u s o f i 前言 e l a s t i c i t y , 简称: m o p ) i ll , 平均密度( m e a n d e n s i t y , 简称: m d ) 是非 破损性检测参 数，而静曲强度( m o d u l u s o f r u p t u r e ,简称: m o r ) 和内结合强度( i n t e r n a l b o n d i n g s t r e n g t h , 简称: i i i ) 是破坏性检测参数。 由 t 产品的m o e 与m o r , 1 i3 和m d 之间存在 着一定的关系 n 2 ， 而产品的m 。 又与生产成本相关， 因此通过获得m o e ， 就可能对m o r 和i 8 进行实时在线顶报， 通过获得m d ，就可以对生产成木实现在线监控。 利用无损检测技术对弹性模量进行实时在线检测， 然后利用弹性模量、 密度、 静 曲强度和内结合强度之间的关系， 用无损检测参数对两个基至三个破坏性参数进行预 报具有一1 一 分重要的实际意义， 而且很早以前国内外就有不少学者对上面几个参数的关 系进行过系列的探讨: 1 ) 1 9 8 8 年张宏健教授对 1 密度纤维板工艺和产品质量之间关系的研究中曾指出 用弹性模量m o e 预报板材其它力学性能的可能性p a . ia 2 ) m . s c h u l t e 和人 . e r u h w a r d 通过对剖 而密度的在线检测实 现对内结合 强度进 行预报， 其主要方法是对大量的实验数据进行分析得到内结合强度与平均密度、 表面 密 度之间的线性关系来实 现的， 在其研究中得出了 平均密 度与内 结合强度之间呈高 度 线 性相 关 的 结论 ， 且 相关 系 数 为0 . 8 1 e 3 ) 1 9 9 3 年东北林业大学发表文章指出了 板材弹性模量与材料的强 度指标有很大 的相关性 ， 。 4 ) e . - d . w o n g , m . z h a n g , q . z h a n g 和s . k a w a i 在1 9 9 7 年对 剖面密 度分别为 平坦型和陡峭型的人造板进行了 大量的实验和分析， 得到了静曲强度、 弹性模量、 内 结合 强 度、 握 钉力与 板的 平均 密度之 间存 在高 度的 相 关 性的结 论 t 5 5 ) p . n i e m z 和h . p o b l e t e 利用超声波对m o e 与m o r 之间的线性关系进行了 研 究， 两 者 之间 的 相 关 系 数 达到 了0 . 9 3 0 , 6 ) 1 9 9 8 年国家人造板质量监督检验中 心发表文章， 初探了 对中密度纤维板的弹 性模量与静曲 强度， 内 结合强 度及握镖钉力等力学指标密切 相关的事实， 指出了 利用 对 板材弹性 模量 进行 无损 伤检测以 预 报其它 性能的 可能 性 侧 . 遗憾的是 其由 于受各 方 面条件的限制没有在提出的 理论的基础上进行研制， 但指出了 检测设备研制成功， 将 可 通过 对大样板的非 破 损检 测， 对整 批产品 的 质量 做出 较 准确、 全面的 判定 5 基于上述依据， 采用机电式无损检测技术时， 根据弹性模量的计算公式可知， 在 相同条件下， 大幅面材料于未被破坏之前的受载线弹性阶段得到的弹性模量值与在实 验室按国 家标准检测所得到的 材料的弹性模量值存在定量关系， 因此可以考虑将实 验 室力学检测模型放大到工业生产现场， 实现在生产线裁边段后对毛板的弹性模量进行 人造板质量在线无损检测系统的研究 在线无损检测。 1 . 2 . 2 机电式无损检测的技术依据 山于现在传感器技术、 单片机技术、 微机系统与通信技术等知识的应用， 使机电 式在线无损检测技术以一种简单、快捷、 投资少的方式实现产业化成为可能。 1 )传感器技术 传感器是实现 i i 动检测和控制的首要环节， 没有精确可靠的传感器，就没有精确 可靠的自 动检测和控制系统(0 7 。 近年来， 各种类型的传感器己 应用到工业生产与控制 的各个领域， 随着现在传感器的检测精度、 速度等性能方面的快速发展， 利用传感器 应用于高速度、需求精度较高的工业现场自 动检测和控制己经是很普及的事情了。 2 )单片机技术 单片机技术是现代计算机技术发展的产物， . 3n 。 电 子技术和微型计算机的迅速发 展， 促进了微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用. 现在， 微机测控技术 的应用己渗透到国民 经济的各个部门， 微机测控技术的应用是产品提高档次和推陈出 新的 有 效途径 ( an t 。 现在的 单片 机集 成度非 常高， 通常一 块小 芯片上集 成了c p u , 3 2 k 甚至6 4 k 的r o m , 5 1 2 字节的r a m , a / d , d / a 、开关量1 / 0 以 及看门狗等电路， 再力 a 上一些外围电路就可构成一个功能强大的控制系统， 可以完成数据采集、 与微机系统 通信、 接受微机系统指令控制动作机构等功能， 所以目 前在国内m c s 5 1 系列的单片机 应用非常广泛，。 ， 。 3 )微机系统与通信技术 由于微机价格持续下降， 同时功能不断提高， 现在工业自 动控制装置普遍采用微 机系统与单片机联合完成， 使系统更加完善、 操作更简便、 显示更直观、 设置更方便、 信息更丰富. 现代计算机通信技术作为控制系统信息令传输的基础， 在工业控制系统 中发挥着枢纽作用 ib , 4 . 3 上述儿项技术的成熟与普及， 使得机械传动机构动作时的一些信号可以 迅速地通 过传感器、 单片机与微机系统的及时处理得到无损检测指标值， 同时对数据库或者专 家库存系统的充分利用可完成对其它相关值的实时在线预报。 1 . 2 . 3 己 有成果分析 国内对于机电式在线无损检测设备的研发有南京林业大学与江苏省正达机械有 限公司合作、历时5 年研制、 于2 0 0 2 年获得的t m j - a 弹性模量显示机(4 1, 4 2 1 。 该机采 用可编程控制器p l c 和工控计算机相结合的方式对检测过程进行全自 动控制， 显示被 测板材的参数和测试数据， 对不同规格板的厚度和弹性模量进行在线检测， 在必要时 1 前言 可以破坏试件得到其静曲强度。然而，该机仍然存在着以下一些不足: 1 )测试效率相对现代生产线而言太低。该系统的测试速度为 2 m i n / 块。这个时 间对于要实现在线无损检测的工业现场而言不太适用。 因为若以这样的测试速度应用 于生产线，则无疑要降低生产速度，同时也就意味着降低生产量。 2 )进行检测的量少.不能很好地反映板材的质量。该系统只涉及到对弹性模量 的非破坏性检测，而没有其它参量如密度、厚度等参量的检测或预报;对静曲强度， 只有在十分必要的情况下通过破坏性检测得到。 3 )数据处理速度方面达不到人造板生产线在线检测的要求。该系统是利用 p l c 技术对模拟量进行采集和转换， 虽然p l c 技术功能扩展了， 但它主要还是针对控制开 关量为主的， 在对模拟量的处理方面跟不上单片机系统， 这会导致在计算和显示值在 反映产品性能参量上存在的时间滞后。 1 . 3 1 . 3 . 1 本研究的内容、目的和意义 研究内容 1 )机电式无损检测的理论依据 ( 1 )检测参数对检测结果的影响 由于实验室国标弹性模量检测方法对被检材料的支承跨距和加载速度与生产线 上大幅面板材的支承跨距和加载速度有相当差别， 所以 必须从理论和实验两个方面去 分析支承跨距和加载速度对弹性模量的影响， 从而比较准确地在工业生产线上实现对 弹性模量这个非破坏性检测指标的检测。 ( 2 )弹性模量与其它指标的关系 以昆明新飞林人造板厂现行生产线和生产的刨花板为研究对象， 研究确定试板宽 度对弹性模量的影响， 确定弹性模量与静曲 强度、 平均密度以及内结合强度的关系， 为通过对生产线大幅面板弹性模量的检测来实现对标准试件静曲强度和内结合强度 的预报提供依据: 同时， 通过弹性模量与平均密度的关系， 对生产线上的平均密度作 出及时的调整，以达到控制生产成本的目的。 2 )检测和预报系统 机电式无损检测系统包括硬件和软件两大部分。 ( 1 )硬件 . 机械部分:主要功能是对成品毛板进行在线加载( 非本论文研究部分) 。 . 电气部分:包括传感器的选型及接日的设计、前向 通道中的信号调节和 人造板质量在线无损检测系统的研究 数据采集与转换、后向通道配置与 接日技术、单片机应用系统的软硬件 设i i 。 ( 2 )软件 . y 9 花板的物理力学性能各指标之问的数理模型:包括生产线上的加载速 度、支承跨度等与刨花板弹性模量的关系模型。 . 相应的数据处理软件的设计:对经过 r s 2 3 2传输到上位机的数字量进行 相应的处理得到预期的弹性模量、平均密度、内结合强度的值及时显示 并对出现异常进行报臀的软件设计( 非木论文研究部分) 。 1 . 3 . 2 目的和意义 目的: 通过研究找出人造板的非破坏性检测指标静弯曲弹性模量与破坏性指 标静曲强度、 内胶合强度及物理性能 平均密度的关系， 利用机械方式， 通过传感 器对加载时的各种模拟量的检测， 经山 单片机系统的模数转换和相应的计算机软件处 理得到弹性模量的在线非破损检测值， 实现实时、 在线地对静曲强度、 内结合强度的 预报， 并利用弹性模量与平均密度的正比关系， 对板材平均密度的合理性和经济性做 出实时判断，预报结果不合格的板材进行报警提示，达到控制生产成本的目的。 意义: 解决国内人造板厂采用的传统的实验室检测方法带来的滞后性、 局限性和 材料损耗大的问题，减少现行常规抽样检验法导致的误判和迟判等造成的大量废品， 保证产品的质量， 降低废品率， 提高生产效益。 同时， 将人造板生产工艺和质量检测 与现代测控和电 子技术进行有效的结合， 达到高效、 准确、 节省人力和财力， 提高我 国人造板工业自 动化水平。 2 检测方法对弹性模量影响的研究 2 检测方法对弹性模量影响的研究 为满足今后工业应用的要求， 需要研究机电式检测系统对弹性模量实施无损检测 时所涉及到的两个问题，一是加载速度，二是支承跨距。 2 . 1 2 . 1 . 1 试验方法 试验材料 本研究所用的试验材料是昆明新飞林人造板厂现行芬兰产刨花板生产线生产的 刨花板， 其原料为西南桦、 云南松、 铁杉的 馄合刨花( 有自 制刨花、 工厂刨花等) ， 胶 粘剂为脉醛树脂， 施胶量为1 0 . 7 % . 2 . 1 . 2 试验设计 2 . 1 . 2 . 1 加载速度对m o e 的影响 1 )试验目的 本试验的目 的是为了判断在实际试验过程中不同的加载速度对板材静曲弹性模 量是否存在影响。 2 )变量及其水平设定 本实验考察的变量是加载速度( s ) ， 取单因素试验法，其水平设置为:l m m / m i n , 2 m m / m i n , 5 m m / m i n , 1 0 m m / m i n , 2 0 m m / m i n , 5 0 m m / m i n , 1 0 0 m/ m i n , 3 )常量 试件平均含水率: 7 . 5 % . 试件尺寸:长x宽x 厚= 3 5 0 m m x 5 0 m m x 1 5 m m . 试件平均密 度: 0 . 7 4 g / c m . 支承跨度:3 0 0 m m 4 )取样方式 为了保证不同加载速度下的材料有一致的物理力学性能， 本试验中不同加载速度 下的试件为同一块试件。 人 造 板 质 量 在 线 无 #? ,检 # l f* -a n h b 堕匕一 - - 一 一 2 . 1 . 2 . 2 支承跨距对m o e 的影响 1 )试验口的 检测支承跨距对m o e 的影响。 2 )变量及其水平设定 本实验考察的变量是支承跨距( l ) ，取单因素试验法。 按1. a h + 5 0 ( m m ) 计 ( 其中，h 是板厚， a 为系数) ，a 的水平设置为: l = 1 2 h , 1 6 h , 2 0 h , 2 4 h , 2 8 h , 3 2 h , 3 6 h , 4 0 h , 4 4 h , 4 8 h ( m m ) 。 3 )常量 . 加载速度:l o m m / m i n . 试件平均含水率:7 . 5 % . 试件厚度:1 5 m m . 试件宽度:5 0 m m . 试件长度:l + 5 0 m m 仪为跨距) . 试 件平均密 度: 0 . 7 4 g / c m 4 )取样方式 图1 支承跨距实验试件取样图 f i g . i i l l u s t r a t i o n o f s a m p l e f o r t h e t e s t i n g s p a n 为了 保证材料有一致的物理力学性能，同时保证试验结果具有可比 性， 取样方 式如图1 ， 首先取得跨距最长的 试件， 并在线弹性范围内 做弹性模量试验， 然后再将 其两头锯掉一小截，得到下一个跨距测量所需的试件长度. 2 . 1 . 3 测试方法 把根据实验要求制备的试件对称放置在万能力学试验机的支轴上， 根据实验设计 方案中不同的跨厚比调 整支轴间距、 压头移动速度等参量， 对试件进行加载， 记下加 载过程中从开始加压到载荷、 挠度呈 现线性段过程的时间、 压力 变化和试件的挠度变 化。模型如图2 所示. 其中:尸载荷 支承跨距 支点转角 2 检测方 法对弹性模最影响的研究 乙r形变昂 图2 弯曲性能检测方法示意图 p i g . 2 t e s t i n g s y s t e m f o r b e n d i n g 2 . 1 . 4 试验装备 2 . 1 . 4 . 1 力学试验装置 由于本研究是利用实验室的现有设备来模拟工业现场实现人造板的机电 式在线 无损检测， 所以采用的试验装置是木材工业研究所现有的电子式万能力学试验机。 试 验装置原理如下: 图3 力学试验装置原理图 r i g . 3 t h e p r i n c i p l e s o f t h e t e s t i n g s y s t e m f o r m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s 其中:1力学试验机 2压头 3试件 4支轴 人造板质量在线无损检测系统的研究 5载荷传感器 6光栅位移传感器 了数据采集系统 8数据处理和显示计 算系统 根据试件的尺寸调整支轴4 之间的距离， 根据板材厚度调整压头2 与支轴4 之间 的上下距离，压头2 位于试件上方0 . 5 m m -1 . 5 m m 处。设置力学试验机电子系统的加 载速度对试件加载，力学试验机1 上有高精度的载荷传感器5 和光栅位移传感器6 , 传感器信号由 数据采集系统7 进行数据的采集与转换， 通过r s 2 3 2 与数据处理和显示 系统8 通信，山8 对位移信号和压力信号进行处理和记录。 2 . 1 . 4 . 2其它仪器和设备 压机辅具1 套 电子天平1 台 恒温千燥箱1 台 锯机1 台 游标卡尺1 把 2 . 1 . 5 试验步骤 试验按以下步骤进行: 一 阵 头 下 降 速 度 调 节 一 匹 国 2 . 1 . 6 试验数据处理 试验中， 试件的尺寸和加载速度及跨距根据上面的试验方案确定。 在试验过程中 数据采集的时间步长由 程序设定， 计算机按设定的时间步长通过串口 通讯( r s 2 3 2 ) 记 录不同时刻试件承受的压力值p ( k n ) 及相应的位移值h ( m m ) 。 试验结束后程度得到侮 一个试件不同时段的压力和位移的文本文件。 t 个时段的弹性模量值， 取载荷、挠度线性段的 再由相应的弹性模量计算公式得到n- 1 / 3 1 / 2 处的弹性模量值作为试件的 弹性模量。 2 检测方法对弹性模量影响的研究 2 . 2 结果与讨论 2 . 2 . 1 刨花板的弯曲 特性 通过图4 可以 将刨花板的载荷与挠度的关系曲 线分为三个阶段: 1 ) 3 0 塑性变形段( 1 -2 ) : 含有材料的塑性变形特别是表层材料的压缩塑性变形。 2 )线弹性段( 2 - 3 ) :受载材料应力、应变呈正比关系。由于刨花板属于粘弹性 材料，因此它并不是一条直线，但各国标准均视其为线性关系: 3 )试件破坏段( 3 -4 ) :试件下表层产生拉仲破坏或芯层产生剪切破坏。与金属 材料不一样的是， 刨花板的疲劳段极短， 但由于其并非瞬间完全破坏， 所以其破坏终 端的曲线斜率变小。 载荷( n ) 6 0 0 r onnlj onu几u 一hj口qj 气山 卜.r. oooo n，孟 0 勿 曰 . . . . . . . 曰 . 曰 口 口 侧 . . . . . 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 挠度( m m ) 图4 刨花板的载荷与挠度曲线 f i g . 4 r e l a t i o n s h i p b e t w e e n l o a d a n d d e f o r m a t i o n 根据上述分析可知，必须在载荷一 挠度曲线图的线形段上截取载荷一 挠度的斜率， 刁 可以 消除这之前板材的弹塑性变形段对弹性模量的影响: 必须在线性段的统一位置 截取载荷一 挠度的斜率，刁 可能对不同试件的弹性模量进行对比。为此，本试验所有 试件均在线弹段的前1 / 3 处取点，以此保证弹性模量值的科学性与可比性。 2 . 2 . 2 加载速度对m o e 的影响 2 . 2 . 2 . 1 理论分析 在材料力学中， 一般把不随时间变化的载荷称为静载荷， 随时间而变化的载荷称 人造板质量在线无损检测系统的研究 为动载荷. 把来自 瞬时冲击力的载荷称为冲击载荷【洲 。 国家标准对刨花板弹性模量和静曲强度的测试加载速度的要求为:6 0 1 3 0秒内 完成，由于加载速度相对较低， 加载时间相对较长， 所以可近似视其为静载荷。 但如 果压头与板材接触的时间非常短暂， 载荷头以极大的速度短时间内作用于板材， 可以 认为这时所加载荷是动载荷。 由于静载荷与动载荷是两种不同的载荷形式， 所以本系统有必要对动载荷和静载 荷分别作用下所得到的材料的弹性模量进行分析比较。 一般在弹性范围内 承受一定的 载荷而发生弹性形变的构件可以 被看成是弹簧， 这 时则弹簧的弹性常数为4 8 6 1 1 1 3 。同时弹性构件可以简化为下图5 中的弹簧。 p ( q )p ( q ) 图5 受载荷作用构件弹性形变图 f i g . 5 e l a s t i c i t y d e f o r m o f t h e l o a d e d c o m p o n e n t 当重量为q 的冲击物冲击与受冲弹簧接触时， 两者就