劉建霞　王喜明　慕厚春　吳向文

(內蒙古農業(yè)大學，呼和浩特，010018)

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木材干縮力平衡測試系統(tǒng)的研制1)

劉建霞王喜明慕厚春吳向文

(內蒙古農業(yè)大學，呼和浩特，010018)

為了同步測試木材在干燥過程中的干縮力、質量變化和干縮量，研制了木材干縮力測試系統(tǒng)。系統(tǒng)利用了木材干燥過程中水分散失導致外部干縮力變化的關系，設計了基于溫濕度試驗箱的一體化控溫控濕力學測試系統(tǒng)，更好地研究和探索了木材在干燥過程中的干縮力、質量變化和干縮量之間的關系。測試結果表明：用此設備可實時檢測干縮力、質量變化和干縮量的平衡情況，初步調控了木材干縮不均導致干燥過程中的開裂、翹曲變形等缺陷。

木材；干縮力；干縮量；力學測試系統(tǒng)

The integrated mechanics testing system was developed to synchronously determine the stress and shrinkage of drying, and the quality changes of specimens during the drying process. The system was reconstructed from the temperature and humidity chamber, and developed in view of the relation of the overall drying stress and moisture loss in the process of drying. The new testing system was benefit to explore the relationship between drying stress, drying shrinkage and quality changes. By testing, the system could measure the drying stress, shrinkage and quality changes synchronously, and regulate and control the drying defects including checks and warps deformation by the shrinkage heterogeneity.

木材干縮直接影響木材的干燥質量，木材在干燥過程中因水分散失發(fā)生尺寸上的減小而產生干縮力。木材在干燥的過程中，表層的水分首先蒸發(fā)，當其質量變化降至纖維飽和點以下時，表層開始產生收縮；而相鄰內層的質量仍高于纖維飽和點未收縮。在干燥前期，外層受拉應力，內層受壓應力；隨著干燥的進行，外層逐漸由受拉應力變?yōu)槭軌簯?，而內層則變?yōu)槭芾瓚?。這種應力直接導致初期端裂、表裂和后期內裂，影響木材和木制品的尺寸、形狀和結構的穩(wěn)定性[1-4]。因此，準確、快速、智能地測量干燥過程中木材的干縮對于提高木材科研水平和木材干燥生產質量、效率具有重要意義。了解木材的干縮力與質量變化、干縮量之間的關系，對研究木材干燥工藝、木材的合理加工和利用意義重大。

涂登云用電阻應變計制作了能在線測量木材干縮應變的電阻應變計式木材干縮傳感器[5]。常建民用非接觸式探頭測量小試樣干燥變形來研究干燥應力，解決了常規(guī)方法不能連續(xù)在線測量木材干燥應力的問題[6]。高建民采用渦流傳感器對干燥過程中卡普片的矢高進行連續(xù)測量，實現(xiàn)了木材干燥應力的自動與連續(xù)測量[7]。程萬里使用木材干燥過程中應力的檢測裝置，直接、適時、連續(xù)測定木材干燥過程中的收縮應力[8]。Fuller利用安放于板材表面的位移傳感器測出表層干縮，給出了根據(jù)干縮速度變化的窯干控制系統(tǒng)[9]。Cheng采用應變片傳感器研究了柳杉高溫汽蒸過程中的干縮應力與處理溫度、質量變化及相對濕度之間的關系[10]。這些研究巧妙地利用了各種傳感器，在探索木材干縮性能方面發(fā)揮了重要的作用。

本設備是一種基于力傳感器、質量傳感器、位移傳感器和調溫調濕試驗箱與一體的控溫測試系統(tǒng)。力傳感器用于將木材在干燥過程中因尺寸減小產生的外部拉力作用于傳感器上，再通過測試此種力的大小確定木材干縮時產生的干縮力的大小。在木材干燥過程中試件的質量變化直接決定了木材的干縮性能，質量變化、干縮量的平衡與所受的干縮力是否平衡至關重要。而稱重方法是最直接的測量木材質量變化的方法。質量傳感器是采用稱重方法關鍵性的儀器，它可測試木材在某一時刻的質量，以計算試材在該時刻的質量變化。該方法的準確度和穩(wěn)定性不受木材材性影響，且與木材質量變化不均性無關[11]。位移傳感器用于測試木材干燥過程中發(fā)生干縮量的大小及檢測木材干燥過程中開裂變形問題。在不同的溫濕度下，質量變化和干縮量的平衡是干縮力是否達到平衡的重要衡量標準。為了更好地研究和探索木材在干燥過程中的干縮力和質量變化、干縮量之間的關系，筆者利用木材干燥過程中水分散失導致外部干縮力變化的關系，設計了基于溫濕度試驗箱的一體化控溫控濕力學測試系統(tǒng)。利用PLC西門子的CPU作為數(shù)據(jù)采集器，它集數(shù)據(jù)采集、溫度、濕度控制于一體，精度(采用12位AD采集分辨率)和穩(wěn)定度都較高。

1　系統(tǒng)總體設計

1.1需求分析

通過對木材干燥過程的需求和特點分析，對檢測系統(tǒng)設計提出如下要求：①實現(xiàn)干燥系統(tǒng)內的實時在線檢測，即對干燥系統(tǒng)內的溫度、濕度、木材試件的干縮力和質量變化、木材試件開裂變形及干縮量進行實時在線測試。②能精確控制系統(tǒng)內部設施，如加熱閥、噴蒸管、進排氣執(zhí)行器、風機方向及轉速等，以調節(jié)干燥系統(tǒng)內環(huán)境，保證干燥的質量。③發(fā)生異常情況向監(jiān)控中心報警，比如由于調節(jié)失控引起的環(huán)境異常。

1.2系統(tǒng)結構及工作原理

干燥測試系統(tǒng)主要由調溫調濕試驗箱、力傳感器、位移傳感器、質量傳感器、標定機構和計算機組成。

1.2.1應變片測量電路

目前應變片的測量電橋多為直流供電。圖1為直流供電的測量電橋原理圖，在重力作用下，應變梁上下部均感受到應力，應變片的作用是將應變轉換為電阻的變化。為了顯示與記錄重力或應變的大小，采用直流電橋將電阻的變化轉換為電壓(或電流)變化。

根據(jù)推導由應變片組成直流電橋的輸出電壓(Uo)與應變片的電阻變化(ΔR)和外加電壓(E)的關系為：

由于ΔR1、ΔR4與ΔR2、ΔR3變化極性相反，且當ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4時，

式中：K0為電阻絲靈敏系數(shù)，對確定的應變片K0是常數(shù)，因此橋路電壓輸出在一定范圍內是成線性關系；ε為介電常數(shù)。電阻應變式稱質量傳感器選用直流供電應變全橋，該電橋的電壓靈敏度比單一工作應變片的電壓靈敏度提高了4倍，且具有溫度補償作用。

由于從直流電橋輸出的電壓Uo一般比較小，因此還需接入測量電路進行放大，其主要作用是將微小的輸出信號進行放大。

R1、R2、R3、R4、R5為電阻；RW1為可變電阻；E為電動勢。

1.2.2應變式傳感器彈性元件結構

為了改善懸臂梁的特性，在提高動特性的同時也增加靈敏度，將梁做成雙孔梁，結構如圖2、圖3所示，分別應用于質量變化測量系統(tǒng)和干縮力測量系統(tǒng)，這種梁的剛度比單梁好，故動特性好，滯后小。在稱質量和力學領域，經常采用拉壓式和彎曲式應變傳感器，該電路在精度和穩(wěn)定性上已達到一定的水平。但由于拉壓式稱質量測力傳感器的高度直接影響精度和橫向穩(wěn)定性，而且力點移動對輸出信號有影響，拉壓對稱性差，尤其是當安裝條件和標準條件不一致時，引起的誤差更難估計。而雙孔梁稱重測力傳感器有零彎矩區(qū)，高度小，對加載方式和受力點移動不敏感，且抗偏心、抗側向力，所以本研究選用的稱重傳感器內部采用雙孔梁作為彈性元件[11]。

圖2　質量應變式傳感器

圖3　應變式測力傳感器

圖4　差動變壓器的結構示意圖

當鐵芯離開平衡位置時，其輸出電壓可表達為

其電壓有效值

在M1=M+ΔM、M2=M-ΔM時，

式中：ω是角頻率；j為常數(shù)；U是差動變壓器輸出電壓；E是次級線圈感應電動勢；M是互感系數(shù)；L是電感量。

差動變壓器輸出電壓特性曲線如圖6所示。

圖5　差動變壓器的等效電路圖

圖6　E2理論特性曲線

為使差動變壓器的輸出能辨別鐵芯移動的方向，差動變壓器的輸出采用了差動整流和相敏檢波電路，如圖7所示。

LV為輸出功率；i為輸入有效電壓；o為輸出有效電壓；RW1、RW2為可變電阻；R為定值電阻；C為電容。

1.2.3干縮力測量系統(tǒng)

在干燥過程中，將木材試件尺寸減小產生的外部拉力作用于應變式測力傳感器上，再通過測試此種力的大小確定木材干縮時產生的干縮力的大小，該方法解決了現(xiàn)有技術不能準確、快速地測出木材干燥過程中因水分散失產生的干縮力大小的問題[12]。圖8是木材試件干燥過程中干縮力測量系統(tǒng)的結構平面圖。

圖8　干縮力測量系統(tǒng)

1.2.4質量變化測量系統(tǒng)

稱質量方法是最直接的測量木材質量變化方法，質量傳感器是稱重方法關鍵性的儀器，測量的準確度和穩(wěn)定性與木材本身的性質無關，消除了木材質量變化不均勻對測量結果的影響。測量范圍由稱質量傳感器的量程決定，只要量程選擇恰當，木材質量變化的測量范圍就沒有限制。圖9是木材試件干燥過程中質量變化測量系統(tǒng)的結構平面圖。

圖9　質量變化測量系統(tǒng)

1.2.5干縮量測量系統(tǒng)

木材是各向異性材料，徑向、弦向和縱向的干縮不同。弦向干縮最大，徑向干縮要比弦向干縮小1/3～1/2?？v向干縮量非常小，實際應用中可以不予考慮。圖10是木材試件干燥過程中干縮量測量系統(tǒng)的結構平面圖。

圖10　干縮量測量系統(tǒng)

1.3試驗箱技術參數(shù)

試驗箱由上海多禾實驗設備有限公司提供，溫度范圍為0～180 ℃，溫度均勻性小于1 ℃。相對濕度范圍為20%～98%，濕度波動度≤±0.5%，濕度均勻性小于1%～3%。圖11為可調溫調濕區(qū)域范圍。

圖11　試驗箱調溫調濕范圍

1.4傳感器技術參數(shù)

力傳感器量程為500 N，綜合誤差為0.02%，工作環(huán)境溫度范圍為-20～70 ℃，相對濕度≤80%；質量傳感器量程為200 g，精度為0.05%，工作環(huán)境溫度范圍為-10～60 ℃，相對濕度≤80%；位移傳感器量程為5 mm，精度為±0.05%，輸出電壓為5 V，工作環(huán)境溫度范圍為-5～55 ℃，相對濕度≤85%。傳感器是置于試驗箱外部環(huán)境的，干燥室的溫濕度對傳感器沒有影響。

2　系統(tǒng)標定結構

為檢驗傳感器的測試準確性，除進行常規(guī)檢驗外，試驗一段時期后還需要對傳感器進行定值加載測量，考查其誤差。質量變化測量系統(tǒng)和干縮及長期穩(wěn)定性測量系統(tǒng)具體標定方法為：將圖9中質量塊用標準砝碼代替，分別記下砝碼為0～2 000 g時的輸出值，遞增量為20 g，計算其線性度和綜合誤差是否超值。對干縮力測試系統(tǒng)的標定，可用兩點測定方法。放置5、10 kg兩只砝碼，測出輸出值，計算與標準值的偏離程度及其誤差。

3　材料與方法

樟子松(P.sylvestris)和家榆(elm)，分別產自俄羅斯和北方地區(qū)。所選試材為無節(jié)、無腐朽、無毛刺的弦切板，初質量變化率為85%～95%，試件規(guī)格是30 mm×30 mm×25 mm。試件從冰柜中取出后放在室溫環(huán)境中解凍3 h，與自制夾具相互粘接，其粘接面在木材的縱向，橫向用膠做封端頭處理。試件與夾具粘好放在室溫環(huán)境中冷卻24 h，裝于密封袋內，最后將已經達到最大膠黏強度的試件和夾具一同固定于烘箱內。

4　結果與分析

不同樹種干縮力、質量、干縮量變化見圖12。可以看出，在溫度為60 ℃，濕度為40%時，榆木和樟子松的干縮量隨時間變化增大，質量隨時間變化減小，干縮力隨時間變化先減小后增大，最后達到平衡。對于榆木試件來說，在15 h左右，干縮力達到平衡的同時，干縮量和質量變化也達到了平衡。對于樟子松試件來說，在11 h左右，干縮力達到平衡的同時，干縮量和質量變化也達到了平衡。其中干縮量和干縮力最初減小的原因是試件在熱處理過程中產生了熱膨脹。在干縮階段，樟子松試件隨溫度的增加發(fā)生熱脹現(xiàn)象，產生壓應力，后表層質量變化先降到纖維飽和點以下而發(fā)生干縮；隨著干燥過程的繼續(xù)，水分傳導速度增快，干縮力也逐漸增大到一個最大值，此時內外層的干縮力達到平衡。

從表1可以看出，對于同一厚度、同一方向、同溫度濕度條件下，樟子松達到平衡所用時間和達到最大干縮力所用時間均為11 h，而榆木為15 h，樟子松達到平衡用時明顯少于榆木；樟子松所受最大干縮力和最大干縮量值分別為0.28 MPa和1.69 mm，榆木所受最大干縮力和最大干縮量值分別為0.30 MPa和1.74 mm，榆木發(fā)生的干縮較樟子松大；而榆木的質量變化值為16.36 kg，明顯小于樟子松的變化值19.36 kg,即樟子松的質量變化較榆木明顯?？梢缘弥静拿芏仍酱螅艿母煽s力及干縮量越大。

a.不同樹種干縮力與時間關系b.不同樹種質量變化與時間關系c.不同樹種干縮量與時間關系

圖12　不同樹種干縮力、質量變化、干縮量與時間關系

5　結論

該木材控溫測試系統(tǒng)可在不同的溫濕度下，在木材試件干縮力達到平衡時，同時且實時檢測木材質量變化和干縮量的平衡情況，初步防止了木材干縮不均導致干燥過程中的開裂、翹曲變形等缺陷的發(fā)生，準確、快速、智能地測量干燥過程中木材的干縮，提高木材干燥生產的質量、效率。另外本系統(tǒng)可實現(xiàn)木材干燥過程中表面開裂的實時在線監(jiān)測，木材試件干燥過程中，通過在線系統(tǒng)監(jiān)測，在干縮力即將達到橫紋抗拉強度時，通過加濕處理，防止其開裂變形，從而進一步實現(xiàn)表面開裂的智能調控。設備試驗性能良好，可達到預期試驗效果。

致謝:特別感謝浙江高聯(lián)儀器有限公司對此設備提供的技術支持，感謝趙陽董事長和石岳峰經理在設備的制作過程中給予的幫助。

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Developing the Test System for the Dry Shrinkage of Wood//

Liu Jianxia, Wang Ximing, Mu Houchun, Wu Xiangwen

(Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(2)：89-93.

Wood； Drying shrinkage stress； Dry shrank； Mechanics test system

劉建霞，女，1990年8月生，內蒙古農業(yè)大學材料科學與藝術設計學院，碩士研究生。E-mail：liujianxiatc@126.com。

王喜明，內蒙古農業(yè)大學材料科學與藝術設計學院，教授。E-mail：w_ximing@263.net。

2015年7月15日。

S781.29

1)國際合作項目(2013DFA32000)。

責任編輯：戴芳天。