一種文物本體含水率無損探測(cè)及濕度分布成像系統(tǒng)

賈甲 楊雙國(guó) 全定可 蘇維孝

摘?要：文物本體含水率無損探測(cè)及濕度分布成像系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)文物本體含水率實(shí)時(shí)無損測(cè)量，適用于館藏文物及考古現(xiàn)場(chǎng)發(fā)掘的文物含水率測(cè)量，該系統(tǒng)采用當(dāng)今最新的傳感器、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的高新技術(shù)，可以方便對(duì)磚石文物、木（竹）質(zhì)文物、有機(jī)體的本體含水率無損實(shí)時(shí)測(cè)量。測(cè)得的含水率定義為對(duì)象材料中包含的水分的質(zhì)量與材料全干時(shí)的質(zhì)量之比，通過插值反演算法，直觀呈現(xiàn)本體內(nèi)部濕度場(chǎng)，形成濕度分布成像系統(tǒng)，適用于文物本體含水率的離線檢測(cè)或長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：文物本體;含水率;濕度場(chǎng)

1 緒論

文物，作為古代文化信息的“存儲(chǔ)庫”，有著極高的歷史、藝術(shù)、科學(xué)技術(shù)價(jià)值。文物的材質(zhì)受保存環(huán)境因素影響，老化變質(zhì)直至消失情況經(jīng)常發(fā)生，而文物材料一旦因老化消失，其歷史文化信息也會(huì)消失。因此需要對(duì)文物及文化財(cái)產(chǎn)加以保護(hù)。在文物保護(hù)中，含水率的多少往往影響著文物的老化、受損速度，因此對(duì)文物保存環(huán)境內(nèi)進(jìn)行含水率測(cè)量顯得尤為重要。

本文所述的文物本體含水率無損探測(cè)及濕度分布成像系統(tǒng)，可測(cè)量絲織品、紙張、竹木器、皮革及石質(zhì)文物等的含水率值并進(jìn)行濕度分布成像，對(duì)館藏文物含水率測(cè)量以及在考古發(fā)掘過程中現(xiàn)場(chǎng)含水分布有著重要的指導(dǎo)意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體組成

系統(tǒng)由含水率測(cè)量單元和濕度分布成像軟件組成，含水率測(cè)量單元與濕度分布成像軟件通過USB通訊，從而實(shí)現(xiàn)含水率實(shí)時(shí)測(cè)量功能與濕度成像功能。

2.2 含水率測(cè)量單元

含水率測(cè)量單元可實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示及存儲(chǔ)含水率值，主要由電源和電池管理模塊、含水率檢測(cè)模塊、LoRa無線通訊模塊、液晶顯示、按鍵輸入、主控MSP430F5438A及其余數(shù)字外設(shè)模塊組成。

2.2.1 顯示與按鍵

含水率測(cè)量單元通過按鍵與點(diǎn)陣LCD顯示實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，通過內(nèi)嵌菜單系統(tǒng)方便實(shí)現(xiàn)含水率測(cè)量、保存、查詢、校準(zhǔn)與設(shè)置等功能。

2.2.2 傳感器設(shè)計(jì)

本體含水率無損探測(cè)基本原理是：一般材料的介電常數(shù)（10以內(nèi)）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水的介電常數(shù)（約80），材料含水后的綜合介電常數(shù)主要依賴于水分含量，含水率發(fā)生變化時(shí)將導(dǎo)致綜合介電常數(shù)的改變，從而引起電容的變化，通過測(cè)量電容即可間接測(cè)量含水率。

傳感器部分設(shè)計(jì)是測(cè)量單元的關(guān)鍵部分，由傳感器彎爪和傳感電路組成，傳感器彎爪由三個(gè)金屬片組成，金屬片形狀和間距通過Maxwell電磁場(chǎng)有限元仿真，并優(yōu)化設(shè)計(jì)傳感器彎爪的尺寸及間距，使得傳感器彎爪具有高檢測(cè)靈敏度。傳感器彎爪仿真示例如圖3所示。

測(cè)量時(shí)，傳感器彎爪緊貼被測(cè)文物本體，文物本體含水率不同，最終會(huì)導(dǎo)致傳感器彎爪感應(yīng)到的感應(yīng)電容值不同，傳感器電路通過對(duì)感應(yīng)電容充放電測(cè)量電容值，最終轉(zhuǎn)換為含水率值。

2.3 濕度分布成像系統(tǒng)軟件

濕度分布成像系統(tǒng)軟件采用Matlab GUI編程實(shí)現(xiàn)，主要功能包括與含水率測(cè)量單元通訊及濕度成像功能。濕度分布成像系統(tǒng)通過USB接收含水率測(cè)量單元發(fā)送的含水率測(cè)量數(shù)據(jù)，以文件形式保存到本地，數(shù)據(jù)格式由坐標(biāo)信息和對(duì)應(yīng)的含水率值組成。通過調(diào)用griddata函數(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，最終使用contourf繪制出含水率等值線圖，從而實(shí)現(xiàn)濕度成像功能。濕度分布成像系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)說明

含水率測(cè)量單元開機(jī)后直接測(cè)量得到含水率值，如果要得到濕度分布成像結(jié)果，則在測(cè)量每一點(diǎn)含水率值后，還需要記錄測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)信息。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）根據(jù)含水率成像區(qū)域，選定坐標(biāo)原點(diǎn)、x軸、y軸，確定坐標(biāo)系。（2）選定含水率成像區(qū)域內(nèi)要測(cè)量含水率的點(diǎn)，選定原則為均勻選取，點(diǎn)數(shù)越多，成像結(jié)果越精確。（3）設(shè)置含水率測(cè)量單元位置標(biāo)識(shí)，測(cè)量選定每一點(diǎn)的含水率值并保存，保存時(shí)輸入對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.3 濕度成像

含水率測(cè)量單元通過USB口與電腦連接，輸入要成像區(qū)域的位置標(biāo)識(shí)，并傳輸當(dāng)前位置標(biāo)識(shí)下的測(cè)量數(shù)據(jù)，每一點(diǎn)數(shù)據(jù)元素包括坐標(biāo)值和對(duì)應(yīng)的含水率數(shù)據(jù)，濕度分布成像系統(tǒng)軟件接收含水率測(cè)量單元發(fā)送的數(shù)據(jù)，并以文件形式保存到本地。一組含水率數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)坐標(biāo)數(shù)據(jù)如下表所示：

在濕度分布成像系統(tǒng)軟件載入數(shù)據(jù)文件后即可成像，插值算法可以選擇為“V4”、“nature”、“l(fā)inear”、“nearest”、“cubic”。選擇“V4”插值算法，濕度成像結(jié)果示例如圖5所示。

從濕度分布成像結(jié)果可以看到明顯的三個(gè)含水率異常點(diǎn)：兩個(gè)高含水率區(qū)域和一個(gè)低含水率區(qū)域，結(jié)果與實(shí)際測(cè)試環(huán)境相吻合，含水率分布成像顯示更加直觀。

4 結(jié)論

本文所述的文物本體含水率無損探測(cè)及濕度分布成像系統(tǒng)，操作方法簡(jiǎn)單，精確;可以通過對(duì)不同的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)可以直接在含水率測(cè)量單元顯示，也可輸入測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)處理及顯示單元生成含水率分布圖，方便使用者對(duì)區(qū)域含水率進(jìn)行分析預(yù)判。

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作者簡(jiǎn)介：賈甲（1989-），女，陜西延安人，碩士研究生，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：文物文保。

通訊作者：楊雙國(guó)（1986-），男，陜西咸陽人，本科，工程師，研究方向：文物預(yù)防性保護(hù)裝備研發(fā)。