朱 莉， 邢 鑫， 孟兆新， 郭骐瑞， 宋绪秋， 殷 鑫

(东北林业大学 机电工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引 言

木板材表面平面度直接影响家居的生产和使用，快速、准确的检测平面度是必要的。在过去的研究过程中，丁伟彪等人总结了目前国内外检测木材表面的主要方法，包括超声波检测法、X射线检测法、红外线检测法以及计算机视觉检测法[1]。张晴晖等人总结了基于声学常见的6种检测方法，包括冲击应力波法、超声波速法、共振法、声发射、声—超声和层析成像技术[2]。赖菲等人阐述了图像处理技术在木材表面变形上的应用[3]。周小雷针对镁板的平面度误差开发了一种在线的系统测量[4]。近两年，朱越骅等人利用三维激光对木材单板变形进行测量[5]，该技术有效推进了木材变形的无损检测技术，目前正在实验阶段。

目前在木板出厂时对其变形检测的有效手段，主要是依靠人工进行目视检测，这取决于技术人员的技术水平，过于主观性且有着不可抗力的因素。对于私营企业的木材加工厂来说，购买的检测设备良莠不齐从而达不到理想的出厂检测效果。若将木材送到实验室检测，能够精确测量出木材的各项数据，但测试价格昂贵，步骤繁琐，运输困难，且会带来不可避免的资源浪费。

根据上述背景，提出一种新的方法或技术手段，用来替代传统的目视检测方法，并把它运用于木材变形和木材检测是非常有必要且迫切的。若该方法可行，能够设计出一种轻便、速度快、精度高的装置。其可应用于木材的加工、出厂、建筑成品等各种场合，为当前木材检测提供一定的理论依据。

柔性压力薄膜传感器为柔性材料，可以任意弯曲和折叠，具有体积小、频率响应快、灵敏度高等特点，可以检测位置信息、压力分布及大小等信息。近年来，柔性薄膜压力传感器逐渐成为微、小尺度集成式测试领域的重要研究方向之一。其耐高低温、实时检测、多种类等突出优势，广泛用于人工和生物智能、医疗、航天航空、土木、交通工程等各种场合，并且目前的技术手段已趋于成熟。

本文根据薄膜压力传感器的特点，设计出整体方案并拟将其应用于木材检测领域。根据其柔软的特性，当其轻触于木材时产生良好状态的信号反馈，且不会伤害木材表面，这也符合了木材无损检测的理念。且由于其体积小、灵敏度高、轻便等特性，引入木材领域后能够带来更多的可能性。根据其结构简单、制作成本低和信号收集不复杂等优点[6]，它能够大规模地应用在木板检测领域。

1 薄膜传感器检测与电路分析

1.1 薄膜压力传感器的组成与工作原理

标准的柔性压力传感器一般是由一片敏感薄膜与一片柔性基底以及内表铺设导体及半导体组成[7]，其铺设的导体及半导体中包含电极材料和互联网导线。

传感器的工作原理是利用材料的压阻效应。通过压力使惠斯顿电桥桥臂的电阻薄膜的几何尺寸发生变形，阻值也发生变化。利用电路输出和处理信号，最终完成了从非电信号到电信号的转变，从而测出电压变化。

惠斯通电桥输出电压如下

式中VIN为激励电压源，V ；VOUT为全桥输出电压，V；R1，R2，R3，R4为电阻，Ω。在实际生产中，为了便于计算，四个电阻的阻值相等。当内阻产生压缩应变，外阻产生拉伸应变，则惠斯通电桥输出电压可简化为

VOUT=VIN×Kε

(2)

式中K为电阻的灵敏系数，ε为整体电阻的应变。

1.2 电路设计

电路的信号传递过程为：当薄膜传感器受到压力形变而产生输出信号时，通过信号调理电路，即电阻—电压转换模块，将信号转换为电压信号，再通过数据采集卡采集并处理接收到的信号。最终通过PC来收集和统计信号，运用软件将数据进行统计分析解算出木材的变形程度。

1.3 电压与形变量的关系

根据柔性压力传感器的性能可知，当薄膜传感器受压时，其中心点产生最大形变量。如图1所示，电压与最大变形量呈近似线性关系。当无压力时，其中心点会产生约0.25 μm的变形量。故在同等压力下，根据薄膜压力传感器产生的电信号值，通过程序来推断出其产生的最大形变量，并利用数据处理、拟合及解算来表达木板的变形程度及平面度误差值。

图1 电压与形变量关系

2 平面度检测布局设计

本文拟定用已通过测试出厂后的木板来进行实验。将选定好规格为40 cm×24 cm的板材进行网格化，先拟定成4行5列共20块的小方格。根据传感器的面积大小，本文本着节约、高效的原则，暂拟定用2只薄膜压力传感器来进行实验。而百分表的测量点和传感器的排布方式是根据网格化后的交点或端点来确定的，该分布能够更好保证数据的准确性和可比较性，多次测量以求精准解算出平面度。图2分别为百分表和薄膜传感器的测量图。

图2 实物图

根据规划好的木板，分别用百分表和薄膜传感器进行测量，并将百分表的测量数据进行估读至小数点后3位，传感器的测量数据则由其电压与变形的关系进行推算。数据如表1和表2。

表1 百分表数值

表2 薄膜传感器数值

其中，在实际制作传感器的过程中，由于工艺条件等的限制，当传感器未受压力时，电路会产生微小输出值。为尽可能确保平面度解算准确，则将此时的值默认为数据拟算时的零点，为后续的仿真及平面度的求解做好准备。

3 数据处理与实验分析

3.1 百分表数据求平面度

根据上述测得的数据，拟将随机选取了9个数值点，并使其均匀分布在木板平面上，分别为0.150，0.070，0.060，0.050，0，0.090，0.120，0.040，0.010 mm。设列的旋转量P，行的旋转量为Q，根据对角线法，取数据中对角线(0.050，0.090)mm和(0.060，0.040)mm，并以第一列和第三行为列轴和行轴进行轴旋转，故平面度误差为

f=|0.15|+|-0.03|=0.18 mm

(3)

式中f为平面度误差，mm。

根据远三点法，取0.060，0.050，0.010 mm作为远三点，其平面度误差为

f=|0.12|+|-0.017 5|=0.137 5 mm

(4)

根据最小包容区法，估计三个高点(0.150，0.090，0.120)mm和一个低点(0 mm)可能构成符合最小包容区域法的三角形准则。分别以第一列和第一行为轴旋转后，符合三角形准则的三高夹一低，可得平面度误差为

f=|0.15-0.037 5|=0.112 5 mm

(5)

其中，图3依次为对角线法、远三点法和最小包容区域法旋转后所得数据。

图3 三种不同方法

通过计算可知，三种方法的平面度依次为0.18，0.1375，0.112 5 mm，由平面度数值比较可知，最小包容区域法较优其余两种方法。

3.2 软件数据解算求平面度

为保证实验数据的准确性和平面度数值的可比较性，将依据百分表选择数据的同一位置来筛选出传感器所测数值，分别为0.132,0.056,0.043,0.045,0.001,0.078,0.118,0.032,0.006 mm。

根据对角线法，取数据中对角线(0.045，0.078)mm和(0.043，0.032)mm，并以第一列和第三行为列轴和行轴进行轴旋转，故平面度误差为

f=|0.137 5|+|-0.027|=0.164 5 mm

(6)

根据远三点法，取0.045，0.043，0.006 mm作为远三点，解得其平面度误差为

f=|0.118|+|-0.007 25|=0.125 25 mm

(7)

其中，图4依次往下为对角线法、远三点法旋转后所得数据。

图4 对角线和远三点法

根据上述方案，首先根据测量后的信号来直接地显示出其测量点的位置。如图5(a)为数据点的解算图。将这些数据拟合成三维图像，使其可视化，能够更加直观、实时的显示出来板材的变形程度。图5(b)为根据数据拟合图。

图5 数据点及拟合

用最小包容区域法评定平面度时，根据木材的变形程度，通过试凑法对其进行多次旋转和估计，得到不同的包容区域及平面度值，比较并筛选出理想的包容面及最小平面度值。图6为最小包容区域解算图。通过测试后的数据标定，计算出其平面度为0.164 5,0.125 25,0.087 5 mm。由此看来，在此工况下，最小包容区域法更佳。

图6 最小包容区域法解算

3.3 平面度数值比较

根据上述实验结果，可将其整理成图7。由图7可知，薄膜传感器测量的数据要较优于百分表测量的数据，且最小包容区域法要大大地优于其余两种测量方法。由于薄膜传感器自身工艺条件和实际使用工况的影响，其会存微小的误差，但并不影响结果的对比。

图7 平面度值对比

4 结 论

薄膜压力传感器在实际测量时可能存在着不可忽视的误差，但根据实际对比发现，它能够实现对平面度的测量，在一定程度上具有参考价值，同时也证明了该方法的可行性。本文设计了一种新方法，对以后的快速检测提供了技术支撑。本文方法对柔性测量木板提供了新方向，对其他领域的形状误差测量提出了新思路，并提高了木材检测的可视化和自动化。