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《哈尔滨工程大学》 2009年
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基于单一平面电容传感器的木材含水率检测系统研究

刘少刚  
【摘要】: 我国是森林资源匮乏的国家,提高已生产木材的利用率,具有重要的经济意义和社会效益。对于木材原材料质量进行严格检测,是保证木材高效利用的先决条件。据统计,木材制品中75%的质量问题是由于木材加工时对所用原材料的含水率掌握不准造成的。本文在国家“948”项目(科技部、财政部、农业部、林业部、水利部等六部委引进国际先进农业科学技术项目)管理办公室下达的“电磁波式高精度木材含水率检测系统”项目(项目编号:2003-4-29)的支持下,研发了以单一平面电容传感器技术为核心的木材含水率检测系统,这对于我国各有关木制品企业提高产品质量,增强市场竞争力均具有重要的意义。 首先,本文概述了国内外木材含水率检测系统的发展现状及其检测方法,分析比较了各类检测方法的优缺点,介绍了国外木材含水率检测的著名产品及应用情况,阐明了木材含水率无损、非接触、高精度检测系统应是我国现代木材加工企业中木材含水率检测技术的发展方向。确定了以单一平面电容传感器为核心的木材含水率检测系统技术作为本文的主要研究内容。 根据目前国内外单一平面电容传感器木材含水率检测系统的工作情况,针对将传感器电容值作为木材含水率检测基准所导致的各品种规格木材检测基准繁多的问题,提出了依据木材的介电常数与木材含水率的对应关系建立木材含水率检测基准的研究思想。这将使木材含水率检测系统脱离木材规格的限制,使每个树种只需要一个检测基准,大大简化用户的操作,降低用户的使用成本。本文全面分析了木材的介电常数特征,木材的含水率、密度、测量电路频率、纹理方向等影响因素,确定了木材含水率检测系统的总体技术方案。 其次,研究了具有任意结构形态的电容传感器工作原理。利用电场、导体和电介质的性质等相关理论,在电极和被测物处于任意几何形状和任意空间相对位置的状态下,建立了测量介电常数的电容传感器的精确数学模型,并对球形电容传感器的工作状况进行了理论分析和求解,得到了与电磁场理论中完全一样的结果。 在任意结构形态的电容传感器数学模型的基础上,深入分析了单一平面电容传感器的工作原理与数学模型。针对单一平面电容传感器数学模型难以求得解析解的问题,采用了有限元求解方法,给出了便于检测系统进行数据处理的拟合多项式组,建立了被测木材的介电常数ε与单一平面电容传感器的电容量值的函数关系式。 再次,根据木材含水率检测系统中单一平面电容传感器的结构布置及工作状态,设计了传感器的信号提取电路、信号激励电路,测得了被测木材作用下传感器的电容量值,从而可求得被测木材的介电常数ε。进一步通过实验和理论分析,建立起木材介电常数与其含水率的映射关系,形成了基于BP神经网络的检测基准数据库模块,再由ε与含水率的映射关系,得到被测木材含水率的精确数值。 本文还针对工业现场对木材含水率检测系统的工作要求,确定了木材含水率检测系统的基本功能,研制了一台具备基本功能的实验样机。样机软件部分由检测工作信号控制及检测数据处理模块组成。检测工作信号控制软件主要根据光电式被测板材位置检测传感器电路产生的信号,控制协调信号处理电路与机械传动机构之间的关系。检测数据处理由基于BP神经网络的检测基准数据库建立模块以及木材含水率检测模块完成,这两个模块是整个系统的核心。 最后,对实验样机进行了木材含水率实际检测实验研究。经检测工作验证,该实验样机达到了预期的功能目标。
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