一種文物本體含水率無損探測及濕度分布成像系統

賈甲 楊雙國 全定可 蘇維孝

摘?要：文物本體含水率無損探測及濕度分布成像系統可實現對文物本體含水率實時無損測量，適用于館藏文物及考古現場發掘的文物含水率測量，該系統采用當今最新的傳感器、信號處理、計算機等領域的高新技術，可以方便對磚石文物、木（竹）質文物、有機體的本體含水率無損實時測量。測得的含水率定義為對象材料中包含的水分的質量與材料全干時的質量之比，通過插值反演算法，直觀呈現本體內部濕度場，形成濕度分布成像系統，適用于文物本體含水率的離線檢測或長期監測。

關鍵詞：文物本體;含水率;濕度場

1 緒論

文物，作為古代文化信息的“存儲庫”，有著極高的歷史、藝術、科學技術價值。文物的材質受保存環境因素影響，老化變質直至消失情況經常發生，而文物材料一旦因老化消失，其歷史文化信息也會消失。因此需要對文物及文化財產加以保護。在文物保護中，含水率的多少往往影響著文物的老化、受損速度，因此對文物保存環境內進行含水率測量顯得尤為重要。

本文所述的文物本體含水率無損探測及濕度分布成像系統，可測量絲織品、紙張、竹木器、皮革及石質文物等的含水率值并進行濕度分布成像，對館藏文物含水率測量以及在考古發掘過程中現場含水分布有著重要的指導意義。

2 系統設計

2.1 系統整體組成

系統由含水率測量單元和濕度分布成像軟件組成，含水率測量單元與濕度分布成像軟件通過USB通訊，從而實現含水率實時測量功能與濕度成像功能。

2.2 含水率測量單元

含水率測量單元可實時測量、顯示及存儲含水率值，主要由電源和電池管理模塊、含水率檢測模塊、LoRa無線通訊模塊、液晶顯示、按鍵輸入、主控MSP430F5438A及其余數字外設模塊組成。

2.2.1 顯示與按鍵

含水率測量單元通過按鍵與點陣LCD顯示實現人機交互功能，通過內嵌菜單系統方便實現含水率測量、保存、查詢、校準與設置等功能。

2.2.2 傳感器設計

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

傳感器部分設計是測量單元的關鍵部分，由傳感器彎爪和傳感電路組成，傳感器彎爪由三個金屬片組成，金屬片形狀和間距通過Maxwell電磁場有限元仿真，并優化設計傳感器彎爪的尺寸及間距，使得傳感器彎爪具有高檢測靈敏度。傳感器彎爪仿真示例如圖3所示。

測量時，傳感器彎爪緊貼被測文物本體，文物本體含水率不同，最終會導致傳感器彎爪感應到的感應電容值不同，傳感器電路通過對感應電容充放電測量電容值，最終轉換為含水率值。

2.3 濕度分布成像系統軟件

濕度分布成像系統軟件采用Matlab GUI編程實現，主要功能包括與含水率測量單元通訊及濕度成像功能。濕度分布成像系統通過USB接收含水率測量單元發送的含水率測量數據，以文件形式保存到本地，數據格式由坐標信息和對應的含水率值組成。通過調用griddata函數對測量數據進行插值，最終使用contourf繪制出含水率等值線圖，從而實現濕度成像功能。濕度分布成像系統軟件設計如圖4所示。

3 實驗分析

3.1 實驗說明

含水率測量單元開機后直接測量得到含水率值，如果要得到濕度分布成像結果，則在測量每一點含水率值后，還需要記錄測點對應的坐標信息。

3.2 實驗步驟

（1）根據含水率成像區域，選定坐標原點、x軸、y軸，確定坐標系。（2）選定含水率成像區域內要測量含水率的點，選定原則為均勻選取，點數越多，成像結果越精確。（3）設置含水率測量單元位置標識，測量選定每一點的含水率值并保存，保存時輸入對應點的坐標數據。

3.3 濕度成像

含水率測量單元通過USB口與電腦連接，輸入要成像區域的位置標識，并傳輸當前位置標識下的測量數據，每一點數據元素包括坐標值和對應的含水率數據，濕度分布成像系統軟件接收含水率測量單元發送的數據，并以文件形式保存到本地。一組含水率數據及對應坐標數據如下表所示：

在濕度分布成像系統軟件載入數據文件后即可成像，插值算法可以選擇為“V4”、“nature”、“linear”、“nearest”、“cubic”。選擇“V4”插值算法，濕度成像結果示例如圖5所示。

從濕度分布成像結果可以看到明顯的三個含水率異常點：兩個高含水率區域和一個低含水率區域，結果與實際測試環境相吻合，含水率分布成像顯示更加直觀。

4 結論

本文所述的文物本體含水率無損探測及濕度分布成像系統，操作方法簡單，精確;可以通過對不同的測量點進行測量，測量數據可以直接在含水率測量單元顯示，也可輸入測量點坐標，經處理及顯示單元生成含水率分布圖，方便使用者對區域含水率進行分析預判。

參考文獻：

[1]潘煉.傳感器原理及應用[M].北京：電子工業出版社，2012.

[2]索曉民.一種測量水分的微波傳感器研究[J].西安交通大學學報，1997（01）.

[3]姜宇.微波測量木材濕度的原理及應用[J].林業機械與木工設備，2004，32（12）：44-48.

[4]高曉丁，左賀，梁繼超.基于電容式傳感器技術的織物滲水特性檢測方法[J].傳感器技術，2004，23（10）：41-42.

[5]張赤軍，張勁南.用電容傳感器的物水分在線測試儀[J].長春理工大學學報，2004，27（1）：19-21.

[6]魏清潔，王玉彬.二元一次函數曲線擬合的Matlab 實現[J].德州學院學報，2011，7（27）：148-151.

[7]丁英麗.基于電容式傳感器的糧食水分測量儀[J].傳感器技術，2003，22（4）：54-56.

作者簡介：賈甲（1989-），女，陜西延安人，碩士研究生，研究實習員，研究方向：文物文保。

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