木材含水量的无损检测

　　室内装璜业的兴起和发展,对装璜材料的质量要求越来越高,其中对木材(如各种实木地板)含水量的要求比较严格,含水量太高的木材容易开裂变形,但过分干燥会吸湿气膨胀,同样造成变形。因此为了保证工程质量,需要测定木材的含水量。

　　一般采用失重法测定木材的含水量,即称一下原木的重量(≮100g),然后将其置入80℃的烘箱内充分烘干后(约48h)再称一下重量,失重越大的,含水量越高,此法准确但耗时。市场上现有的木材含水量检测仪多用电阻法,即木材含水后导电性会增强,根据测得的电阻率来检测其含水量。此法简单,但准确性差,因为纯水为电的不良导体,当含有少量盐类时,其导电性会大大增加(即使此时含水量不变),形成很大的误差。另外,电阻法测量时四根测量钉要使劲压入被测木材,留下明显的钉痕,不适用于已完工的木材(如已完成施工安装并已油漆的地板和家具等)。

　　较好的木材含水量检测法是利用水的高介电常数,水相对于空气的介电常数为81,远高于干燥木材(一般为2~4)和大多数塑料(一般为2~7),而水中少量电介质对测量结果的影响可忽略不计,测量完整无损,因而可以用来测量成品木材的含水量。

　　1　检测原理

　　传感器为印制电路板上作为两个电容极板的铜箔,四边连成一极为C01,总面积为中间电容C02的一半(图1),每极都和印制电路板上的地线之间的分布电容组成一个电容器(地线应布得粗一些),测量时传感器贴近木材,其电容量(C01,C02 )随木材的含水量而变化,该变化信号经加工后由单片机采得,经软件处理后即显示相应的含水量。

　　2　测量电路原理

　　测量电路原理见图2,其中U1A,R2和C01组成一个简单的单稳态电路,其暂稳态的长短与电容C01的容量有关,U1B,R3和C02组成另一个单稳态电路,其暂稳态的长短与电容C02的容量有关。因为C02的容量大于C01,故U2C输出波形见图3。

         由图3可见,如果木材中的水分含量大则电容C01和C02容量大,相应U1A的输出Q端,U1B的输出-Q端的输出脉宽增宽,于是U2C输出的脉冲也增宽,可见U2C输出脉冲宽度与木材中的水分含量相关,再经Q1跟随,U5积分放大后变成直流信号,进入单片机ST6209[1]的A/D(模/数)输入端引脚11,作为木材水分含量的检测信号。采用两路相减方案可消除一点共模的影响。

　　采用U2A和U2B组成4kHz的振荡器,用以控制两暂稳态电路,使其不断进行暂稳态和稳态变换。当电源开关S4闭合时,单片机上电进入初始化状态,C6和R14组成上电复位(RESET)电路,随后四位液晶(LCD)显示木材的材质(H表示硬木,L表示软木,E表示中硬木材),用户可按S1进行选择。选定材质后,按S2确定被测木材的厚度,每按一次S2,LCD显示一个厚度尺寸,被测木材的厚度应基本符合此范围,否则应多次按S2。厚度选定后就可以进行测量,按一下S3,仪器自动校零,此时传感器测量面应远离木材、金属和人体等介质,校零时间很短,一般≤2s,校零后LCD显示0000,于是就可以进行测量了。自动校零时单片机的引脚12输出一个高电平,模拟开关4066的1和2端接通,VCC通过R11对C3充电,C3上电位逐渐升高,经U3跟随,经R1对C01在暂稳态时进行附加充电,以使U1A的Q端输出一个适当宽度的正电平,当然U2C输出的正电平也逐渐加宽,经Q1跟随,U5积分后输出的正电平也逐渐升高。与此同时,单片机不断检测引脚11输入的正电平直到达到规定值1.2V(在空气中,调R4),再立即在引脚12输出一个低电平,使模拟开关4066关断,于是C3上的电压保持住,并在3min内几乎不变,因为U3是具有MOS(metal oxidesemiconductor)输入端的运放TLC271,其输入电阻极高。这样仪器的初始化(校零)就完成了,于是仪器在每次测量前只要按一下S3就会自动校好,消除了硬件性能漂移的影响。