木材含水率值電阻法標定及校驗方法的研究*

何小東　于大偉王子奇　關　帥

（黑龍江省木材科學研究所，哈爾濱　150081）

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木材含水率值電阻法標定及校驗方法的研究*

何小東于大偉**王子奇關帥

（黑龍江省木材科學研究所，哈爾濱150081）

*黑龍江省省屬科研院所基本科研業務費專項“木材含水率值電阻法檢測校驗裝置的研制”

1研究內容

根據有關木材學特性資料介紹，木材電阻的變化范圍很大（從102～1017Ω/cm3），在高阻值區域內，要保證檢測精度極為困難，這是由于高阻值物體的表面必然存在泄漏造成的。在木材干燥過程中，由于木材本身要釋放酸性電解質，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方法及檢測電極的形狀，將對電阻/電壓之間的對應關系產生影響［1-2］。

木材在含水率較低時，是一種良好的絕緣體，絕干時其電阻率大約是1017Ω/cm3。隨著含水率的升高，電阻率下降很快，在含水率達到40％～100％時，電阻率大約在102～104Ω/cm3之間；而含水率達到10％以下時，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系。木材內部的水分和其他電解質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，必須對不同溫度條件下的木材電阻與含水率進行檢測試驗。本文對木材電阻值的檢測方法及木材含水率值電阻法標定校驗展開研究。

對于木材含水率的檢測，最傳統的方法是絕干稱重法，但該法不能實現對木材含水率的在線檢測，因此要在不同溫度下對木材電阻與含水率的對應關系進行研究，通過與稱重法對比，確定木材電阻與含水率對應關系。

本研究設計了一個非線性檢測、放大電路試驗裝置，使其成為可采集的木材電阻的電壓信號，通過對比、標定，將木材電阻轉換為木材含水率，由此實現不同樹種木材含水率值對應的木材電阻的在線檢測。

2試驗方法

2.1木材含水率的絕干稱重法標定

根據木材含水率的標定法（稱重法）進行含水率標定。稱重設備采用電子天平，檢測精度為1/1 000；烘干設備為溫度100℃的烘干箱，進行木材的絕干試驗。

木材含水率的計算公式

式中，W為木材含水率（％）；M1為試樣試驗時的質量（g）；M0為試樣全干時的質量（g）。

2.2木材電阻值的檢測方法

通過對試驗材料進行檢測，記錄R/V電路的輸出電壓值V1，然后接入標準高阻箱；調整標準高阻箱，使R/V電路的輸出V2與V1相等，此時高阻箱的讀數即為該木材試樣的電阻值。對于確定樹種的木材，其電阻R與木材本身的溫度T、含水率MC為函數關系，即R=f（T，MC）。因此，電阻/電壓轉換電路在較準確地確定了木材電阻與輸出電壓之間的關系后，仍需要根據木材本身的溫度進行校正，才能得到相應的含水率值。檢測電路如圖1。

采用對數轉換電路，可以用單一的一種曲線來描述復雜的各類樹種木材含水率與電阻的對應關系；標定試驗在不同的特定溫度下進行檢測，并根據此值編制含水率與電阻、溫度對應關系（表1、圖2。

圖1　木材含水率對數檢測放大電路

表1　電阻值（電壓值）對應的不同溫度下的含水率/％

圖2　不同溫度下木材電阻（電壓）對應含水率變化

3　結果與分析

3.1不同溫度、含水率下木材電阻值檢測結果

選取在干燥過程中較難干燥的柞木進行檢測試驗。在試驗過程中選取600mm×150mm×30mm（長×寬×厚）的柞木試材進行試驗，通過木材含水率標定法（稱重法）進行含水率標定，將標定好的試材安裝檢測探針，然后放入干燥速度試驗機中進行干燥，并實時檢測、記錄木材的電阻值和含水率值的變化情況；通過試驗獲取木材含水率和木材電阻在不同溫度情況下的相關數據，并對這些數據進行整理。由于木材電阻的變化范圍較大，根據含水率的變化，對數據進行分段整理（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

根據以上試驗數據可以看出，木材含水率變化與木材體積電阻呈一定規律，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；當木材含水率在30％以上時，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越大，此時電阻的變化呈非線性關系（呈對數關系）。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，而且也呈對數關系。

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定及對其它木材含水率檢測裝置精度的校驗方法

3.2.1木材含水率值電阻法標定方法

根據以上數據和檢測電路，研制了木材含水率值電阻法標定校驗裝置（圖7）。

圖7　電阻法標定校驗裝置工作原理

取木材含水率試驗樣板，采用稱重法進行試驗；驗后的樣板通過校驗裝置對木材電阻、含水率進行標定：將被測木材通過探針接入校驗裝置，進行A/D轉換，然后對木材電阻檢測值進行顯示；木材溫度傳感器將木材溫度信號傳送至校驗裝置進行A/D轉換，然后對木材溫度檢測值顯示；調整含水率校驗電阻值，使其經過校驗裝置進行A/D轉后的校驗裝置含水率校驗值顯示與木材電阻檢測值的顯示相同；調整溫度、校驗電阻值，使其經過校驗裝置進行A/D轉后校驗裝置溫度校驗值的顯示與木材溫度檢測值的顯示相同。將經過稱重法試驗的被測木材含水率值輸入校驗裝置并進行顯示，將以上顯示值進行存儲，即完成一點木材含水率值標定。通過多點連續檢測，得到木材含水率、溫度的對應曲線。

3.2.2木材含水率值電阻法標定校驗裝置對其它木材含水率檢測裝置精度的校驗方法

將含水率校驗電阻和溫度校驗電阻接入被檢測的設備中，調整好被測設備的設置進行效驗。輸入標定好的木材電阻值和溫度電阻值，將被測設備顯示的含水率值和溫度值輸入到校驗裝置，即可效驗被測設備的檢測誤差。通過多阻值連續變化，可以得到被測設備在不同電阻值下含水率的檢測誤差，最終得到被測設備的檢測誤差表，并據此對被測設備的誤差進行修正。

4結論

根據以上試驗可以看出，木材含水率變化與木材體積電阻是有一定規律的，隨著木材含水率的逐漸降低，木材的體積電阻逐漸增加。通過對不同溫度、含水率下木材電阻值檢測數據的研究，可以了解三者的對應關系并擬合出對應關系曲線；由于是采用稱重法對同一木材含水率下值木材電阻值進行標定，因此可以對其它木材含水率檢測裝置的精度進行校驗，通過多阻值連續變化，可以得到被測設備在不同阻值下含水率的檢測誤差，并據此對被檢測設備的誤差進行修正。

參考文獻

［1］江澤慧，姜笑梅.木材結構與其品質特征的相關性［M］.北京：科學出版社，2008.

［2］張冬妍，劉芳，謝添，等.基于網絡搜索優化的CFRW導電性能模型研究［J］.森林工程，2013，29（2）：65-67.

（責任編輯：潘啟英）

文章編號：1001-9499（2016）03-0049-03

作者簡介：第1何小東（1970-），男，副研究員，研究方向：木材工業自動化控制。

通訊作者：于大偉（1960-），男，正研究員。

收稿日期：2016-01-11