（机械电子工程专业论文）基于单一平面电容传感器的木材含水率检测系统研究.pdf

；“ 、， 一 穹，。 ， r 抱 警。 ，j- ， f q c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fd e n g r e s e a r c ho nw o o dm o i s t u r em e a s u r e m e n t s y s t e mb a s e d o n s i n g l ep l a n a rc a p a c i t a n c e s e n s o r c a n d i d a t e ：l i us h a o g a n g s u p e r vis o r ：p r o f m e n go i n g xi n a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：d o c t o ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ： m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：n o v e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ， p 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 作者( 签 日期： 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文细在授予学位后即可d 在授予学位1 2 个月后口解 密 一 ， 卜 基于单一平面电容传感器的木材含水率检测系统研究 摘要 我国是森林资源匮乏的国家，提高已生产木材的利用率，具有重要的经 济意义和社会效益。对于木材原材料质量进行严格检测，是保证木材高效利 用的先决条件。据统计，木材制品中7 5 的质量问题是由于木材加工时对所 用原材料的含水率掌握不准造成的。本文在国家“9 4 8 ”项目( 科技部、财政部、 农业部、林业部、水利部等六部委引进国际先进农业科学技术项目) 管理办 公室下达的“电磁波式高精度木材含水率检测系统”项目( 项目编号： 2 0 0 3 4 2 9 ) 的支持下，研发了以单一平面电容传感器技术为核心的木材含水 率检测系统，这对于我国各有关木制品企业提高产品质量，增强市场竞争力 均具有重要的意义。 首先，本文概述了国内外木材含水率检测系统的发展现状及其检测方法， 分析比较了各类检测方法的优缺点，介绍了国外木材含水率检测的著名产品 及应用情况，阐明了木材含水率无损、非接触、高精度检测系统应是我国现 代木材加工企业中木材含水率检测技术的发展方向。确定了以单一平面电容 传感器为核心的木材含水率检测系统技术作为本文的主要研究内容。 根据目前国内外单一平面电容传感器木材含水率检测系统的工作情况， 针对将传感器电容值作为木材含水率检测基准所导致的各品种规格木材检测 基准繁多的问题，提出了依据木材的介电常数与木材含水率的对应关系建立 木材含水率检测基准的研究思想。这将使木材含水率检测系统脱离木材规格 的限制，使每个树种只需要一个检测基准，大大简化用户的操作，降低用户 的使用成本。本文全面分析了木材的介电常数特征，木材的含水率、密度、 测量电路频率、纹理方向等影响因素，确定了木材含水率检测系统的总体技 术方案。 其次，研究了具有任意结构形态的电容传感器工作原理。利用电场、导 体和电介质的性质等相关理论，在电极和被测物处于任意几何形状和任意空 间相对位置的状态下，建立了测量介电常数的电容传感器的精确数学模型， 并对球形电容传感器的工作状况进行了理论分析和求解，得到了与电磁场理 论中完全一样的结果。 在任意结构形态的电容传感器数学模型的基础上，深入分析了单一平面 哈尔滨：r 程大学博七学位论文 电容传感器的工作原理与数学模型。针对单一平面电容传感器数学模型难以 求得解析解的问题，采用了有限元求解方法，给出了便于检测系统进行数据 处理的拟合多项式组，建立了被测木材的介电常数s 与单一平面电容传感器 的电容量值的函数关系式。 再次，根据木材含水率检测系统中单一平面电容传感器的结构布置及工 作状态，设计了传感器的信号提取电路、信号激励电路，测得了被测木材作 用下传感器的电容量值，从而可求得被测木材的介电常数s 。进一步通过实 验和理论分析，建立起木材介电常数与其含水率的映射关系，形成了基于b p 神经网络的检测基准数据库模块，再由占与含水率的映射关系，得到被测木 材含水率的精确数值。 本文还针对工业现场对木材含水率检测系统的工作要求，确定了木材含 水率检测系统的基本功能，研制了一台具备基本功能的实验样机。样机软件 部分由检测工作信号控制及检测数据处理模块组成。检测工作信号控制软件 主要根据光电式被测板材位置检测传感器电路产生的信号，控制协调信号处 理电路与机械传动机构之间的关系。检测数据处理由基于b p 神经网络的检 测基准数据库建立模块以及木材含水率检测模块完成，这两个模块是整个系 统的核心。 最后，对实验样机进行了木材含水率实际检测实验研究。经检测工作验 证，该实验样机达到了预期的功能目标。 关键词：电容传感器；木材含水率检测；介电常数；数学模型；数值解法 一 基丁二单一平面电容传感器的木材含水率检测系统研究 a b s t r a c t t h ep e o p l e sr e p u b l i co fc h i n ai s r e s o u r c e s h o wt ou s ew o o de f f i c i e n t l y ac o u n t r yo fr e l a t i v e l ym e a g e rf o r e s t h a sa ni m p o r t a n te c o n o m i ca n ds o c i a l s i g n i f i c a n c e s t r i c t q u a l i t yd e t e c t i o n o ff o r e s t p r o d u c t m a t e r i a l si st h e p r e r e q u i s i t e t oe n s u r et h ee f f i c i e n tu s eo fw o o d a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ， s e v e n t y f i v ep e r c e n to fw o o dq u a l i t yp r o b l e m s a r ec a u s e db yi n a c c u r a t ee s t i m a t i o n o ft h em o i s t u r ec o n t e n to fr a wm a t e r i a l si np r o c e s s i n g i nv i e wo ft h i s ，a w o o d - m o i s t u r e - c o n t e n td e t e c t i o ns y s t e m c o n s i d e r i n gt h ec a p a c i t a n c es e n s o ro f u n i p l a n a rf o r ma st h ek e y w a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d ，s u p p o r t e db yt h e “9 4 8 n a t i o n a l p r o j e c tm a n a g e m e n to f f i c e ( s p e c i f i c a l l y ， r e s e a r c h i n t o ”a n e l e c t r o m a g n e t i c - t y p e ，h i g h - p r e c i s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mo fw o o d - m o i s t u r e - c o n t e n t ”) t h i sh a sa ni m p o r t a n te c o n o m i cs i g n i f i c a n c er e l a t e dt ow o o dp r o d u c t i n d u s t r y i n c h i n a ，p a r t i c u l a r l yp r o d u c tq u a l i t yi m p r o v e m e n t a n de n h a n c e d c o m p e t i t i v e n e s s t h ep r e s e n ts i t u a t i o n so fw o o d - m o i s t u r e - m e a s u r e m e n ts y s t e m sa sw e l la st h e m o i s t u r em e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s ，i nc h i n aa n da b r o a d ，a r es u m m a r i z e d r e s p e c t i v e l yi nt h i ss t u d y ；b o t ha d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c ht e c h n i q u e w e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h ep r o d u c t sm a n u f a c t u r e db yw e l l - k n o w n f o r e i g nc o m p a n i e sa n da p p l i c a t i o n sa r ei n t r o d u c e d ，w ef i n do u t t h a tt h er e s e a r c ho f n o n - d e s t r u c t i v e ，n o n c o n t a c ta n dh i g h p r e c i s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mo fw o o d m o i s t u r ec o n t e n ti st h e d e v e l o p i n g o r i e n t a t i o no fw o o d - m o i s t u r e c o n t e n t m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi nt h em o d e mw o o dp r o c e s s i n gi n d u s t r y t h e r e f o r e ， t h i sr e s e a r c ht h e s i sc o n s i d e r sw o o d - m o i s t u r e c o n t e n tm e a s u r e m e n t s y s t e m t e c h n o l o g yo fac a p a c i t a n c es e n s o r ，o fu n i p l a n a rf o r m ，a st h ek e y i nv i e wo fa l lt h ec o m p l i c a t e dw o o dd e t e c t i o nb e n c h m a r k sw h i c hh a v et h e c a p a c i t yo ft r a n s d u c e ra st h ed e t e c t i o nb e n c h m a r ko fw o o d - m o i s t u r e - - c o n t e n ti n c h i n aa n d a b r o a d ， r e s e a r c h c o n c e m i n g t h e c o n s t r u c t i n g o fa w o o d - m o i s t u r e - c o n t e n td e t e c t i o nb e n c h m a r k ，b a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ep e r m i t t i v i t yo fw o o da n dw o o d m o i s t u r e - c o n t e n t ，w a s p r o p o s e d t h i s a l l o w e dt h ed e t e c t i o ns y s t e mo fw o o d - m o i s t u r e - c o n t e n tt og e tr i do ft h et i m b e r s i z er e s t r i c t i o n ，m a k i n gt h eo p e r a t i o ns i m p l e ra n du s e rc o s tc a nb er e d u c e d t h e o v e r a l lr e s e a r c hs c h e m e ，t h e r e f o r e ，w a sc o n s t r u c t e db ys t u d y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fp e r m i t t i v i t yo fw o o da n dc o n s i d e r i n gt h ef a c t o r so fw o o d m o i s t u r e - c o n t e n t ， 哈尔滨工程大学博士学位论文 i l li t 葺葺宣暑薯 d e n s i t y ，t h ef r e q u e n c y o fm e a s u r e m e n tc i r c u i ta n dt e x t u r ed i r e c t i o n c o m p r e h e n s i v e l y t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fac a p a c i t a n c es e n s o ro fu n s p e c i f i cf o r mw a sa l s o r e s e a r c h e d ap r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lo fac a p a c i t a n c es e n s o rt om e a s u r e p e r m i t t i v i t yw a sc o n s t r u c t e db ym e a n so ft h et h e o r yr e l a t e dt oa l le l e c t r o s t a t i cf i e l d a n dt h ep r o p e r t yo fc o n d u c t o ra n dd i e l e c t r i ci nt h ef i e l d ，w h e ne l e c t r o d e sa n d m e a s u r e do b j e c t sa r ei nt h es t a t eo fa r b i t r a r ys h a p e sa n dr a n d o mr e l a t i v ep o s i t i o n s n et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds o l u t i o nt ot h ew o r k i n gc o n d i t i o no fas p h e r i c a l c a p a c i t a n c e s e n s o rw a sc a r r i e d o u t ， a n dt h es a m er e s u l tw i t ht r a d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i ct h e o r yw a so b t a i n e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l e sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f a nu n i p l a n a rc a p a c i t a n c e s e n s o rw e r eg i v e n ，b a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l t so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f c a p a c i t a n c es e n s o ro fu n s p e c i f i cf o r m f o ra nu n i p l a n a rc a p a c i t a n c es e n s o r ，i t s p r e c i s ea n a l y t i c a ls o l u t i o ni sd i f f i c u l tt oo b t a i n ，t h u s ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d w a si n t r o d u c e d am e t h o do fo b t a i n i n gt h ef i t t i n gp o l y n o m i a le q u a t i o n sw h i c hi s c o n v e n i e n tf o rt h ed e t e c t i o n s y s t e mt oc a r r yt h r o u g h d a t a p r o c e s s i n gw a s e x p o u n d e d f o l l o w i n gt h e r e i n ，t h ef u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pa b o u tt h ep e r m i t t i v i t y o fw o o d ( 占) a n dt h ec a p a c i t yo fu n i p l a n a rc a p a c i t a n c es e n s o rw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea r r a n g e m e n ta n dw o r k i n gs t a t eo ft h et m i p l a n a r c a p a c i t a n c es e n s o ro ft h ew o o d - m o i s t u r e - c o n t e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h es i g n a l e x t r a c t i o nc i r c u i ta n ds i g n a le x c i t a t i o nc i r c u i to fs e n s o rw e r ed e s i g n e d t h e c a p a c i t yv a l u eo ft h ec a p a c i t a n c es e n s o ra f f e c t e db yt h em e a s u r e do b j e c tw a s d e t e c t e d n e p e r m i t t i v i t y o fw o o d ( ) ，t h e r e f o r e ，w a so b t a i n e d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nw o o d - - m o i s t u r e - c o n t e n ta n dp e r m i t t i v i t yw a se s t a b l i s h e d t h r o u g hf u r t h e re x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ed e t e c t i o nb e n c h m a r k d a t a b a s em o d u l ew a sc o n s t r u c t e db a s e do nn e u r a ln e t w o r k s t h u s ，a c c u r a t e v a l u e so fw o o d - m o i s t u r e c o n t e n tc a nb eo b t a i n e d ，a c c o r d i n gt ot h ep e r m i t t i v i t yo f w o o dm e a s u r e d p e ri n d u s t r i a lf i e l dr e q u e s t s ，t h eb a s i cf u n c t i o n so fw o o d - m o i s t u r e - c o n t e n t d e t e c t i o ns y s t e mw e r ed e t e r m i n e d t h e n ，ap r i n c i p l ep r o t o t y p ew h i c hh a dt h eb a s i c f u n c t i o n sr e q u i r e dw a sd e v e l o p e d n es o f t w a r eo ft h ep r i n c i p l ep r o t o t y p ei s c o m p o s e do ft h ed e t e c t i o ns i g n a lc o n t r o lm o d u l ea n dd a t a p r o c e s s i n gm o d u l e t h ed e t e c t i o ns i g n a lc o n t r o ls o f t w a r e p r i m a r i l y c o n t r o la n dc o o r d i n a t et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t sa n dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ， 基于单一平面电容传感器的木材含水率检测系统研究 b a s e do nt h es i g n a l sg e n e r a t e db yt h em e a s u r e dw o o dp o s i t i o nd e t e c t i o nc i r c u i t so f p h o t o e l e c t r i cs e n s o r s n ed a t ap r o c e s s i n gm o d u l ei sc o m p o s e do ft h em o d u l e o f d e t e c t i o nb e n c h m a r kd a t a b a s e ，b a s e do nac e r t a i nn e u r a ln e t ，a n dt h em o d u l eo f w o o d m o i s t u r e c o n t e n tm e a s u r e m e n t ，t h e s et w om o d u l e sa r et h ec o r eo ft h ee n t r e s y s t e m t h r o u g ht e s t i n g ，t h ep r i n c i p l ep r o t o t y p eh a sp e r f o r m e dw e l li nm e a s u r i n g w o o dm o i s t u r ec o n t e n ta n dt h ed e s i r e df u n c t i o n sa t ea c h i e v e d k e yw o r d s ：c a p a c i t a n c es e n s o r ；m e a s u r e m e n to fw o o dm o i s t u r ec o n t e n t ； p e r m i t t i v i t y ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；n u m e r i c a ls o l u t i o n 基丁单一平面电容传感器的木材含水率检测系统研究 目录 第1 章绪论1 1 1 概述1 1 2 木材含水率检测系统的研究与发展3 1 2 1 木材含水率检测的经典方法3 1 2 2 木材含水率检测的现代方法6 1 3 国外单一平面电容传感器木材含水率检测技术综述1 3 1 3 1 美国l i g n o m a t 公司的木材含水率检测线1 3 1 3 2 美国w a g n e r 公司的木材含水率检测系统1 5 1 3 3 荷兰的f m i 系列电容式在线含水率测试系统1 6 1 4 国内对于单一平面电容传感器的研究现状1 8 1 5 本文的主要研究内容。1 9 第2 章木材含水率检测系统总体技术方案研究2 2 2 1 引言2 2 2 2 系统研究内容分析。2 2 2 2 1 木材的介电常数特征研究。2 2 2 2 2 系统组成与工作原理2 4 2 2 3 木材含水率检测系统的工作过程2 5 2 3 总体技术方案与研究思路2 6 2 4 本章小结2 9 第3 章任意结构形状电容传感器原理和数学模型。3 0 3 1 引言3 0 3 2 任意结构形状的电容传感器原理3 1 3 3 数学模型的建立3 2 3 4 数学模型的验证算例3 7 3 5 本章小结4 0 第4 章单一平面电容传感器数学模型的数值解法研究。4 1 4 1 引言4 1 4 2 单一平面电容传感器的工作状况及原理4 2 4 3 单一平面电容传感器数学模型的建立4 3 4 4 数学模型的有限元求解及分析4 5 4 4 1 单一平面电容传感器数学模型有限元求解过程。4 5 4 4 2 基于f l e x p d e 的有限元求解及分析。4 7 4 5 本章小结5 6 哈尔滨工程大学博士学位论文 第5 章单一平面电容传感器检测系统信号处理电路设计5 7 5 1 引言5 7 5 2 单一平面电容传感器的结构以及工作状态5 7 5 3 单一平面电容传感器的信号提取电路设计5 8 5 4 传感器信号提取电路计算6 0 5 5 传感器信号激励电路设计6 7 5 6 本章小结6 9 第6 章单一平面电容传感器木材含水率检测系统研制7 0 6 1 引言7 0 6 2 木材含水率检测系统的技术要求7 0 6 3 木材含水率检测系统组成7 1 6 4 检测工作信号控制7 2 6 5 木材含水率检测系统软件7 3 6 5 1 基于b p 网络的检测基准数据库建立模块7 4 6 5 2 木材含水率检测模块8 9 6 5 3 数据查询9 3 6 6 本章小结9 3 第7 章介电常数检测实验与含水率测定方法研究9 4 7 1 弓i 言9 4 7 2 实验方案和实验条件。9 4 7 3 介电常数与相应木材含水率的实验测定方法9 7 7 4 木材含水率与介电常数的关系建立1 0 3 7 4 1 基于b p 网络的介电常数与木材含水率的关系构建与校验1 0 3 7 4 2 木材含水率的随机测定实验1 0 6 7 5 实验结果数据分析1 0 9 7 6 本章小结。1 1 2 结论11 3 参考文献。11 5 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果1 2 5 致谢1 2 6 个人简历1 2 7 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 根据统计，木材制品中7 5 的质量问题是由于木材加工时对所用原材料 的含水率掌握不准造成的。加入世贸组织之前，我国有关专家学者和消费者 就提出了入世后我国家具业、木制品业的四大担忧，其中第二点就是“产品质 量没有保证，选料不严格。”( 见中国绿色时报2 0 0 1 年1 0 月2 5 日) 。 我国是森林资源匮乏的国家，对于已生产出的木材的高效利用，具有重 要的经济意义和社会意义。而对于木材原材料质量进行严格检测，则是保证 生产高质量家具与木材制品的先决条件。 目前在国内，木材含水率的检测主要是依靠电阻法【1 1 ，无法实现对木材 含水率检测的非接触，高精度检测( 电阻法理论精度在含水率2 8 以上时为 5 ，2 8 以下时为2 。实际上由于温度修正、树种修正、元器件参数等 影响，很难达到设计精度) 。而在美国等西方发达国家，除采用电阻法。1 0 1 以外，含水率检测已发展到利用被其称为电磁波式的连续、无接触、高精度 检测【2 。5 j ( n o n c o n t a c t ，e l e c t r o m a g n e t i cw a v e ( r f - r e m o t es e n s i n g ) s e n s i n g t e c h n o l o g y ) 。这种检测系统分为两种：一是固定连续检测线式( 见图1 1 ) ， 可以对刚刚干燥完的木材或即将用于加工的木材进行检测，剔除过干或过湿 的木材，从原材料上 保证了后续产品的 质量；另一种是便携 仪表式( 见图1 2 ) ， 原理与固定式的相 同，但体积较小，用 电池供电，适用于材 堆、临时要求的材料 检测。由于这种系统 已经取消了温度修 正等影响因素，所以 可以达到很高的检 图1 1 电磁波式非接触木材含水率检测线 f i g 1 1 t h el i n eo fw o o dm o i s t u r em e a s u r e m e n tw i t h n o n - c o n t a c t ，e l e c t r o m a g n e t i cw a v e ( r f - r e m o t es e n s i n g ) s e n s i n g t e c h n o l o g y 哈尔滨丁程大学博士学位论文 测精度( 最高可达- + 0 5 ) 。 图1 2 电磁波式木材含水率检测仪 f i g 1 2 w o o dm o i s t u r em e t e r b a s e do n e l e c t r o m a g n e t i cw a v es e n s o r 实际上，在美国某些公司称 之为电磁波检测技术的方式，在 我国和其它国家也称之为电容传 感器( 属于交流介电式水分传感 器的一种) 。工业界较习惯的称 呼为电容传感器。 我国采用电容传感器或交流 介电式水分传感器的检测装置， 一般应用在原油 1 1 - 2 5 1 、变压器油 目前这种含水率检测系统的技术关 键问题是它所用的电磁波的类型、产生 方式、与含水率的函数关系，其中最重 要的就是电磁波与含水率的函数关系。 此问题的关键在于它所应用的传感器 ( 见图1 3 ) 。 图1 3 电磁波式木材含水率检测传感器工 作原理 f i g 1 3t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f e l e c t r o m a g n e t i cw a v es e n s o rf o rw o o d m o i s t u r em e a s u r m e n t 【孙矧、粮食1 2 9 - 3 8 1 、水果【3 9 1 、纸浆浓度【柏1 、型砂泥沙 4 1 - 4 3 l 、纺织1 4 4 1 、土壤 4 5 - 4 7 1 、 泥料1 4 8 1 等领域的含水率检测。传感器的形状多为圆筒形。这样形状的传感器， 其内部电场的数学模型较易建立和求解。 由于技术和生产力水平的原因，我国现在自行设计生产的木材含水率连 续检测装置还没有采用电磁波检测技术。利用电磁波技术进行木材含水率的 无接触、高精度检测设备，目前在国内还没有系统的研究和生产，尚属空白。 其原因主要是在所谓的电磁波式木材含水率的检测中，要用到单一平面电容 传感器【4 9 1 。对于这种传感器，目前还没有较好的建立数学模型的方法，难以 求出精确解 5 0 - 5 9 1 。 有鉴于此，2 0 0 3 年国家“9 4 8 ”项目( 科技部、财政部、农业部、林业部、 2 第1 章绪论 水利部等六部委引进国际先进农业科学技术项目) 管理办公室下达了“电磁 波式高精度木材含水率检测系统”科研任务( 项目编号：2 0 0 3 4 2 9 ) ，于 2 0 0 4 年开始启动执行。 通过对国外这个系统的引进，对其消化吸收，研发出我国自己的木材含 水率无损、非接触、高精度检测系统，对于我国各有关木制品企业提高产品 质量，增强竞争力的意义是不言而喻的。目前，我国的木材加工企业已有数 万家，此种木材含水率检测系统的预期市场需求将达亿元以上。 1 2 木材含水率检测系统的研究与发展 1 2 1 木材含水率检测的经典方法 1 2 1 1 称量法 湿度定义 材料的湿度通常定义为： 妒。兰生 ( 1 1 ) 。 m d + m h 2 d 式中：、l ，- 湿度质量( 重量) 百分比；m d - 干基材质量；m n 2 0 基材中水的质 量。 但是，在木材干燥学科，通常使用的是相对湿度( 含水率) 其定义为： h ，。m w a r e n ( 1 2 ) 。 朋。 式中：日，一木材相对湿度百分比；m 删勰- 木材中水的质量；m 。- 绝干基 材质量。 称量法1 x , 6 3 , 6 4 1 是目前最精确的测定方法，但因为过程较繁琐，一般应 用在仪器的标定中。 1 2 1 2 电阻法 电阻法o , a o 是电测法中发展最早，现在最常用的一种方法。缺点是测 量误差较大。 基本原理： 众所周知，木材是一种绝缘体。其电阻率可用下式求得： 3 哈尔滨jf 程大学博十学位论文 p ：_ r xs ( 1 3 ) p2 下 1 。3 ) 式中：p - 木材的电阻率，q c m ；尺一电阻值，q ；s 木材的截面积， c m2 ；z 一电极间的距离，c m 。 干燥木材是良好的绝缘 体。其电阻率大约是 1 0 蝠q c m 。随着木材含水率 升高，其电阻率下降很快。例 如，当木材的含水率为纤维饱 和点时，电阻率只有 1 0 6q c m 。 木材含水率的电测法， 就是应用木材的这一电学性 质。图1 4 、1 5 的曲线表明了 木材的电阻和导电性能随含 图1 4 木材电阻随含水率变化的曲线 f i g 1 4 t h ec u r v eo ft h ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c e o fw o o d 、i t hc h a n g eo fw o o dm o i s t u r ec o n t e n t 图1 5 木材导电性与含水率关系的曲线 f i g 1 5 t h ec u r v eo ft h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ew o o dc o n d u c t i v i t ya n d m o i s t u r ec o n t e n t 水率变化的情况。由图可见， 木材含水率高于2 5 3 0 时，含 水率对电阻值的影响就很小。 所以，用电测湿仪测量含水率 高于3 0 的木材时，精确度是 不会很高的。同样，当木材的 含水率低于6 时，木材的电 阻值特别大，用电测湿仪也不 容易测得精确的含水率值。在 木材含水率为8 1 8 的范围内， 木材电阻率和含水率之间的关 系可用下式表示： l o g p = 1 3 2 5 - 0 3 2 h ( 1 4 ) 由图1 5 可见，当木材含水率高于2 5 3 0 时，导电性变化很小。 电测湿仪有两个电极，用电线将它们与测量仪表连接。从测量仪表上可 4 槲峨脚姗脚舢啪坶0 藿啪 第1 苹绪论 直接读出木材的含水率值。这种测湿仪的测量范围为6 3 0 。对测湿仪 上显示的含水率值，还得根据下列因素作校正： ( 1 ) 木材的温度：随着温度升高，全干材的电阻率就减小。校正值为 木材温度每升高1 0 ，含水率值就应减低1 5 。例如，如测湿仪的校正温度 为2 0 ，那么，当被测木材的温度为1 0 时，应在读得的含水率值上再加 1 5 。当被测木材的温度为3 0 时，就应从读得的含水率中减去1 5 。有些测 湿仪带有温度校正按钮。 ( 2 ) 木材的树种和密度：尽管木材的密度对电阻影响很小，但为了尽 可能提高电测湿仪的测量精度，有的测湿仪带有密度校正旋钮。一般情况下 是按木材的密度将各树种分为4 或5 组，根据某一树种所在的组别来校正测得 的含水率读数。测量时，只要将旋钮对准该树种木材所属的密度组即可。