何小东　于大伟王子奇　关　帅

（黑龙江省木材科学研究所，哈尔滨　150081）



木材含水率值电阻法标定及校验方法的研究*

何小东于大伟**王子奇关帅

（黑龙江省木材科学研究所，哈尔滨150081）

*黑龙江省省属科研院所基本科研业务费专项“木材含水率值电阻法检测校验装置的研制”

1研究内容

根据有关木材学特性资料介绍，木材电阻的变化范围很大（从102～1017Ω/cm3），在高阻值区域内，要保证检测精度极为困难，这是由于高阻值物体的表面必然存在泄漏造成的。在木材干燥过程中，由于木材本身要释放酸性电解质，并附着于木材表面，所以将有较大的泄漏电流；另一方面，木材电阻值是一特定体积木材的体积电阻，这就意味着不同的检测方法及检测电极的形状，将对电阻/电压之间的对应关系产生影响［1-2］。

木材在含水率较低时，是一种良好的绝缘体，绝干时其电阻率大约是1017Ω/cm3。随着含水率的升高，电阻率下降很快，在含水率达到40％～100％时，电阻率大约在102～104Ω/cm3之间；而含水率达到10％以下时，电阻率大约在1010～1017Ω/cm3之间，且电阻与含水率之间呈非线性关系。木材内部的水分和其他电解质成分在不同温度条件下其物理特性是不同的，随着温度的变化，木材的体积电阻也在变化，因此，必须对不同温度条件下的木材电阻与含水率进行检测试验。本文对木材电阻值的检测方法及木材含水率值电阻法标定校验展开研究。

对于木材含水率的检测，最传统的方法是绝干称重法，但该法不能实现对木材含水率的在线检测，因此要在不同温度下对木材电阻与含水率的对应关系进行研究，通过与称重法对比，确定木材电阻与含水率对应关系。

本研究设计了一个非线性检测、放大电路试验装置，使其成为可采集的木材电阻的电压信号，通过对比、标定，将木材电阻转换为木材含水率，由此实现不同树种木材含水率值对应的木材电阻的在线检测。

2试验方法

2.1木材含水率的绝干称重法标定

根据木材含水率的标定法（称重法）进行含水率标定。称重设备采用电子天平，检测精度为1/1 000；烘干设备为温度100℃的烘干箱，进行木材的绝干试验。

木材含水率的计算公式

式中，W为木材含水率（％）；M1为试样试验时的质量（g）；M0为试样全干时的质量（g）。

2.2木材电阻值的检测方法

通过对试验材料进行检测，记录R/V电路的输出电压值V1，然后接入标准高阻箱；调整标准高阻箱，使R/V电路的输出V2与V1相等，此时高阻箱的读数即为该木材试样的电阻值。对于确定树种的木材，其电阻R与木材本身的温度T、含水率MC为函数关系，即R=f（T，MC）。因此，电阻/电压转换电路在较准确地确定了木材电阻与输出电压之间的关系后，仍需要根据木材本身的温度进行校正，才能得到相应的含水率值。检测电路如图1。

采用对数转换电路，可以用单一的一种曲线来描述复杂的各类树种木材含水率与电阻的对应关系；标定试验在不同的特定温度下进行检测，并根据此值编制含水率与电阻、温度对应关系（表1、图2。

图1　木材含水率对数检测放大电路

表1　电阻值（电压值）对应的不同温度下的含水率/％

图2　不同温度下木材电阻（电压）对应含水率变化

3　结果与分析

3.1不同温度、含水率下木材电阻值检测结果

选取在干燥过程中较难干燥的柞木进行检测试验。在试验过程中选取600mm×150mm×30mm（长×宽×厚）的柞木试材进行试验，通过木材含水率标定法（称重法）进行含水率标定，将标定好的试材安装检测探针，然后放入干燥速度试验机中进行干燥，并实时检测、记录木材的电阻值和含水率值的变化情况；通过试验获取木材含水率和木材电阻在不同温度情况下的相关数据，并对这些数据进行整理。由于木材电阻的变化范围较大，根据含水率的变化，对数据进行分段整理（图3～图6）。

图3　0～102kΩ之间不同温度的含水率变化

图4　102～103kΩ之间不同温度的含水率变化

图5　103～105kΩ之间不同温度的含水率变化

根据以上试验数据可以看出，木材含水率变化与木材体积电阻呈一定规律，即随着木材含水率的逐渐降低，木材的体积电阻值逐渐增加；当木材含水率在30％以上时，二者几乎呈线性变化；随着木材含水率不断降低，木材的电阻变化越来越大，此时电阻的变化呈非线性关系（呈对数关系）。同样，不同含水率的木材电阻，在不同温度下其电阻值也是变化的，随着温度的升高，木材电阻变小，而且也呈对数关系。

图6　105～6*107kΩ之间不同温度的含水率变化

3.2木材含水率值电阻法的标定及对其它木材含水率检测装置精度的校验方法

3.2.1木材含水率值电阻法标定方法

根据以上数据和检测电路，研制了木材含水率值电阻法标定校验装置（图7）。

图7　电阻法标定校验装置工作原理

取木材含水率试验样板，采用称重法进行试验；验后的样板通过校验装置对木材电阻、含水率进行标定：将被测木材通过探针接入校验装置，进行A/D转换，然后对木材电阻检测值进行显示；木材温度传感器将木材温度信号传送至校验装置进行A/D转换，然后对木材温度检测值显示；调整含水率校验电阻值，使其经过校验装置进行A/D转后的校验装置含水率校验值显示与木材电阻检测值的显示相同；调整温度、校验电阻值，使其经过校验装置进行A/D转后校验装置温度校验值的显示与木材温度检测值的显示相同。将经过称重法试验的被测木材含水率值输入校验装置并进行显示，将以上显示值进行存储，即完成一点木材含水率值标定。通过多点连续检测，得到木材含水率、温度的对应曲线。

3.2.2木材含水率值电阻法标定校验装置对其它木材含水率检测装置精度的校验方法

将含水率校验电阻和温度校验电阻接入被检测的设备中，调整好被测设备的设置进行效验。输入标定好的木材电阻值和温度电阻值，将被测设备显示的含水率值和温度值输入到校验装置，即可效验被测设备的检测误差。通过多阻值连续变化，可以得到被测设备在不同电阻值下含水率的检测误差，最终得到被测设备的检测误差表，并据此对被测设备的误差进行修正。

4结论

根据以上试验可以看出，木材含水率变化与木材体积电阻是有一定规律的，随着木材含水率的逐渐降低，木材的体积电阻逐渐增加。通过对不同温度、含水率下木材电阻值检测数据的研究，可以了解三者的对应关系并拟合出对应关系曲线；由于是采用称重法对同一木材含水率下值木材电阻值进行标定，因此可以对其它木材含水率检测装置的精度进行校验，通过多阻值连续变化，可以得到被测设备在不同阻值下含水率的检测误差，并据此对被检测设备的误差进行修正。

参考文献

［1］江泽慧，姜笑梅.木材结构与其品质特征的相关性［M］.北京：科学出版社，2008.

［2］张冬妍，刘芳，谢添，等.基于网络搜索优化的CFRW导电性能模型研究［J］.森林工程，2013，29（2）：65-67.

（责任编辑：潘启英）

文章编号：1001-9499（2016）03-0049-03

作者简介：第1何小东（1970-），男，副研究员，研究方向：木材工业自动化控制。

通讯作者：于大伟（1960-），男，正研究员。

收稿日期：2016-01-11