木材含水率值電阻法標(biāo)定及校驗(yàn)方法的研究*

何小東　于大偉王子奇　關(guān)　帥

（黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱　150081）

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木材含水率值電阻法標(biāo)定及校驗(yàn)方法的研究*

何小東于大偉**王子奇關(guān)帥

（黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱150081）

*黑龍江省省屬科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)“木材含水率值電阻法檢測(cè)校驗(yàn)裝置的研制”

1研究?jī)?nèi)容

根據(jù)有關(guān)木材學(xué)特性資料介紹，木材電阻的變化范圍很大（從102～1017Ω/cm3），在高阻值區(qū)域內(nèi)，要保證檢測(cè)精度極為困難，這是由于高阻值物體的表面必然存在泄漏造成的。在木材干燥過(guò)程中，由于木材本身要釋放酸性電解質(zhì)，并附著于木材表面，所以將有較大的泄漏電流；另一方面，木材電阻值是一特定體積木材的體積電阻，這就意味著不同的檢測(cè)方法及檢測(cè)電極的形狀，將對(duì)電阻/電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系產(chǎn)生影響［1-2］。

木材在含水率較低時(shí)，是一種良好的絕緣體，絕干時(shí)其電阻率大約是1017Ω/cm3。隨著含水率的升高，電阻率下降很快，在含水率達(dá)到40％～100％時(shí)，電阻率大約在102～104Ω/cm3之間；而含水率達(dá)到10％以下時(shí)，電阻率大約在1010～1017Ω/cm3之間，且電阻與含水率之間呈非線性關(guān)系。木材內(nèi)部的水分和其他電解質(zhì)成分在不同溫度條件下其物理特性是不同的，隨著溫度的變化，木材的體積電阻也在變化，因此，必須對(duì)不同溫度條件下的木材電阻與含水率進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。本文對(duì)木材電阻值的檢測(cè)方法及木材含水率值電阻法標(biāo)定校驗(yàn)展開(kāi)研究。

對(duì)于木材含水率的檢測(cè)，最傳統(tǒng)的方法是絕干稱(chēng)重法，但該法不能實(shí)現(xiàn)對(duì)木材含水率的在線檢測(cè)，因此要在不同溫度下對(duì)木材電阻與含水率的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究，通過(guò)與稱(chēng)重法對(duì)比，確定木材電阻與含水率對(duì)應(yīng)關(guān)系。

本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)非線性檢測(cè)、放大電路試驗(yàn)裝置，使其成為可采集的木材電阻的電壓信號(hào)，通過(guò)對(duì)比、標(biāo)定，將木材電阻轉(zhuǎn)換為木材含水率，由此實(shí)現(xiàn)不同樹(shù)種木材含水率值對(duì)應(yīng)的木材電阻的在線檢測(cè)。

2試驗(yàn)方法

2.1木材含水率的絕干稱(chēng)重法標(biāo)定

根據(jù)木材含水率的標(biāo)定法（稱(chēng)重法）進(jìn)行含水率標(biāo)定。稱(chēng)重設(shè)備采用電子天平，檢測(cè)精度為1/1 000；烘干設(shè)備為溫度100℃的烘干箱，進(jìn)行木材的絕干試驗(yàn)。

木材含水率的計(jì)算公式

式中，W為木材含水率（％）；M1為試樣試驗(yàn)時(shí)的質(zhì)量（g）；M0為試樣全干時(shí)的質(zhì)量（g）。

2.2木材電阻值的檢測(cè)方法

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行檢測(cè)，記錄R/V電路的輸出電壓值V1，然后接入標(biāo)準(zhǔn)高阻箱；調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)高阻箱，使R/V電路的輸出V2與V1相等，此時(shí)高阻箱的讀數(shù)即為該木材試樣的電阻值。對(duì)于確定樹(shù)種的木材，其電阻R與木材本身的溫度T、含水率MC為函數(shù)關(guān)系，即R=f（T，MC）。因此，電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路在較準(zhǔn)確地確定了木材電阻與輸出電壓之間的關(guān)系后，仍需要根據(jù)木材本身的溫度進(jìn)行校正，才能得到相應(yīng)的含水率值。檢測(cè)電路如圖1。

采用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可以用單一的一種曲線來(lái)描述復(fù)雜的各類(lèi)樹(shù)種木材含水率與電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系；標(biāo)定試驗(yàn)在不同的特定溫度下進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)此值編制含水率與電阻、溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系（表1、圖2。

圖1　木材含水率對(duì)數(shù)檢測(cè)放大電路

表1　電阻值（電壓值）對(duì)應(yīng)的不同溫度下的含水率/％

圖2　不同溫度下木材電阻（電壓）對(duì)應(yīng)含水率變化

3　結(jié)果與分析

3.1不同溫度、含水率下木材電阻值檢測(cè)結(jié)果

選取在干燥過(guò)程中較難干燥的柞木進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中選取600mm×150mm×30mm（長(zhǎng)×寬×厚）的柞木試材進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)木材含水率標(biāo)定法（稱(chēng)重法）進(jìn)行含水率標(biāo)定，將標(biāo)定好的試材安裝檢測(cè)探針，然后放入干燥速度試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行干燥，并實(shí)時(shí)檢測(cè)、記錄木材的電阻值和含水率值的變化情況；通過(guò)試驗(yàn)獲取木材含水率和木材電阻在不同溫度情況下的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。由于木材電阻的變化范圍較大，根據(jù)含水率的變化，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段整理（圖3～圖6）。

圖3　0～102kΩ之間不同溫度的含水率變化

圖4　102～103kΩ之間不同溫度的含水率變化

圖5　103～105kΩ之間不同溫度的含水率變化

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，木材含水率變化與木材體積電阻呈一定規(guī)律，即隨著木材含水率的逐漸降低，木材的體積電阻值逐漸增加；當(dāng)木材含水率在30％以上時(shí)，二者幾乎呈線性變化；隨著木材含水率不斷降低，木材的電阻變化越來(lái)越大，此時(shí)電阻的變化呈非線性關(guān)系（呈對(duì)數(shù)關(guān)系）。同樣，不同含水率的木材電阻，在不同溫度下其電阻值也是變化的，隨著溫度的升高，木材電阻變小，而且也呈對(duì)數(shù)關(guān)系。

圖6　105～6*107kΩ之間不同溫度的含水率變化

3.2木材含水率值電阻法的標(biāo)定及對(duì)其它木材含水率檢測(cè)裝置精度的校驗(yàn)方法

3.2.1木材含水率值電阻法標(biāo)定方法

根據(jù)以上數(shù)據(jù)和檢測(cè)電路，研制了木材含水率值電阻法標(biāo)定校驗(yàn)裝置（圖7）。

圖7　電阻法標(biāo)定校驗(yàn)裝置工作原理

取木材含水率試驗(yàn)樣板，采用稱(chēng)重法進(jìn)行試驗(yàn)；驗(yàn)后的樣板通過(guò)校驗(yàn)裝置對(duì)木材電阻、含水率進(jìn)行標(biāo)定：將被測(cè)木材通過(guò)探針接入校驗(yàn)裝置，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后對(duì)木材電阻檢測(cè)值進(jìn)行顯示；木材溫度傳感器將木材溫度信號(hào)傳送至校驗(yàn)裝置進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后對(duì)木材溫度檢測(cè)值顯示；調(diào)整含水率校驗(yàn)電阻值，使其經(jīng)過(guò)校驗(yàn)裝置進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)后的校驗(yàn)裝置含水率校驗(yàn)值顯示與木材電阻檢測(cè)值的顯示相同；調(diào)整溫度、校驗(yàn)電阻值，使其經(jīng)過(guò)校驗(yàn)裝置進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)后校驗(yàn)裝置溫度校驗(yàn)值的顯示與木材溫度檢測(cè)值的顯示相同。將經(jīng)過(guò)稱(chēng)重法試驗(yàn)的被測(cè)木材含水率值輸入校驗(yàn)裝置并進(jìn)行顯示，將以上顯示值進(jìn)行存儲(chǔ)，即完成一點(diǎn)木材含水率值標(biāo)定。通過(guò)多點(diǎn)連續(xù)檢測(cè)，得到木材含水率、溫度的對(duì)應(yīng)曲線。

3.2.2木材含水率值電阻法標(biāo)定校驗(yàn)裝置對(duì)其它木材含水率檢測(cè)裝置精度的校驗(yàn)方法

將含水率校驗(yàn)電阻和溫度校驗(yàn)電阻接入被檢測(cè)的設(shè)備中，調(diào)整好被測(cè)設(shè)備的設(shè)置進(jìn)行效驗(yàn)。輸入標(biāo)定好的木材電阻值和溫度電阻值，將被測(cè)設(shè)備顯示的含水率值和溫度值輸入到校驗(yàn)裝置，即可效驗(yàn)被測(cè)設(shè)備的檢測(cè)誤差。通過(guò)多阻值連續(xù)變化，可以得到被測(cè)設(shè)備在不同電阻值下含水率的檢測(cè)誤差，最終得到被測(cè)設(shè)備的檢測(cè)誤差表，并據(jù)此對(duì)被測(cè)設(shè)備的誤差進(jìn)行修正。

4結(jié)論

根據(jù)以上試驗(yàn)可以看出，木材含水率變化與木材體積電阻是有一定規(guī)律的，隨著木材含水率的逐漸降低，木材的體積電阻逐漸增加。通過(guò)對(duì)不同溫度、含水率下木材電阻值檢測(cè)數(shù)據(jù)的研究，可以了解三者的對(duì)應(yīng)關(guān)系并擬合出對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線；由于是采用稱(chēng)重法對(duì)同一木材含水率下值木材電阻值進(jìn)行標(biāo)定，因此可以對(duì)其它木材含水率檢測(cè)裝置的精度進(jìn)行校驗(yàn)，通過(guò)多阻值連續(xù)變化，可以得到被測(cè)設(shè)備在不同阻值下含水率的檢測(cè)誤差，并據(jù)此對(duì)被檢測(cè)設(shè)備的誤差進(jìn)行修正。

參考文獻(xiàn)

［1］江澤慧，姜笑梅.木材結(jié)構(gòu)與其品質(zhì)特征的相關(guān)性［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［2］張冬妍，劉芳，謝添，等.基于網(wǎng)絡(luò)搜索優(yōu)化的CFRW導(dǎo)電性能模型研究［J］.森林工程，2013，29（2）：65-67.

（責(zé)任編輯：潘啟英）

文章編號(hào)：1001-9499（2016）03-0049-03

作者簡(jiǎn)介：第1何小東（1970-），男，副研究員，研究方向：木材工業(yè)自動(dòng)化控制。

通訊作者：于大偉（1960-），男，正研究員。

收稿日期：2016-01-11