木材干缩力平衡测试系统的研制1)

刘建霞　王喜明　慕厚春　吴向文

(内蒙古农业大学，呼和浩特，010018)



木材干缩力平衡测试系统的研制1)

刘建霞王喜明慕厚春吴向文

(内蒙古农业大学，呼和浩特，010018)

为了同步测试木材在干燥过程中的干缩力、质量变化和干缩量，研制了木材干缩力测试系统。系统利用了木材干燥过程中水分散失导致外部干缩力变化的关系，设计了基于温湿度试验箱的一体化控温控湿力学测试系统，更好地研究和探索了木材在干燥过程中的干缩力、质量变化和干缩量之间的关系。测试结果表明：用此设备可实时检测干缩力、质量变化和干缩量的平衡情况，初步调控了木材干缩不均导致干燥过程中的开裂、翘曲变形等缺陷。

木材；干缩力；干缩量；力学测试系统

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.

木材干缩直接影响木材的干燥质量，木材在干燥过程中因水分散失发生尺寸上的减小而产生干缩力。木材在干燥的过程中，表层的水分首先蒸发，当其质量变化降至纤维饱和点以下时，表层开始产生收缩；而相邻内层的质量仍高于纤维饱和点未收缩。在干燥前期，外层受拉应力，内层受压应力；随着干燥的进行，外层逐渐由受拉应力变为受压应力，而内层则变为受拉应力。这种应力直接导致初期端裂、表裂和后期内裂，影响木材和木制品的尺寸、形状和结构的稳定性[1-4]。因此，准确、快速、智能地测量干燥过程中木材的干缩对于提高木材科研水平和木材干燥生产质量、效率具有重要意义。了解木材的干缩力与质量变化、干缩量之间的关系，对研究木材干燥工艺、木材的合理加工和利用意义重大。

涂登云用电阻应变计制作了能在线测量木材干缩应变的电阻应变计式木材干缩传感器[5]。常建民用非接触式探头测量小试样干燥变形来研究干燥应力，解决了常规方法不能连续在线测量木材干燥应力的问题[6]。高建民采用涡流传感器对干燥过程中卡普片的矢高进行连续测量，实现了木材干燥应力的自动与连续测量[7]。程万里使用木材干燥过程中应力的检测装置，直接、适时、连续测定木材干燥过程中的收缩应力[8]。Fuller利用安放于板材表面的位移传感器测出表层干缩，给出了根据干缩速度变化的窑干控制系统[9]。Cheng采用应变片传感器研究了柳杉高温汽蒸过程中的干缩应力与处理温度、质量变化及相对湿度之间的关系[10]。这些研究巧妙地利用了各种传感器，在探索木材干缩性能方面发挥了重要的作用。

本设备是一种基于力传感器、质量传感器、位移传感器和调温调湿试验箱与一体的控温测试系统。力传感器用于将木材在干燥过程中因尺寸减小产生的外部拉力作用于传感器上，再通过测试此种力的大小确定木材干缩时产生的干缩力的大小。在木材干燥过程中试件的质量变化直接决定了木材的干缩性能，质量变化、干缩量的平衡与所受的干缩力是否平衡至关重要。而称重方法是最直接的测量木材质量变化的方法。质量传感器是采用称重方法关键性的仪器，它可测试木材在某一时刻的质量，以计算试材在该时刻的质量变化。该方法的准确度和稳定性不受木材材性影响，且与木材质量变化不均性无关[11]。位移传感器用于测试木材干燥过程中发生干缩量的大小及检测木材干燥过程中开裂变形问题。在不同的温湿度下，质量变化和干缩量的平衡是干缩力是否达到平衡的重要衡量标准。为了更好地研究和探索木材在干燥过程中的干缩力和质量变化、干缩量之间的关系，笔者利用木材干燥过程中水分散失导致外部干缩力变化的关系，设计了基于温湿度试验箱的一体化控温控湿力学测试系统。利用PLC西门子的CPU作为数据采集器，它集数据采集、温度、湿度控制于一体，精度(采用12位AD采集分辨率)和稳定度都较高。

1　系统总体设计

1.1需求分析

通过对木材干燥过程的需求和特点分析，对检测系统设计提出如下要求：①实现干燥系统内的实时在线检测，即对干燥系统内的温度、湿度、木材试件的干缩力和质量变化、木材试件开裂变形及干缩量进行实时在线测试。②能精确控制系统内部设施，如加热阀、喷蒸管、进排气执行器、风机方向及转速等，以调节干燥系统内环境，保证干燥的质量。③发生异常情况向监控中心报警，比如由于调节失控引起的环境异常。

1.2系统结构及工作原理

干燥测试系统主要由调温调湿试验箱、力传感器、位移传感器、质量传感器、标定机构和计算机组成。

1.2.1应变片测量电路

目前应变片的测量电桥多为直流供电。图1为直流供电的测量电桥原理图，在重力作用下，应变梁上下部均感受到应力，应变片的作用是将应变转换为电阻的变化。为了显示与记录重力或应变的大小，采用直流电桥将电阻的变化转换为电压(或电流)变化。

根据推导由应变片组成直流电桥的输出电压(Uo)与应变片的电阻变化(ΔR)和外加电压(E)的关系为：

由于ΔR1、ΔR4与ΔR2、ΔR3变化极性相反，且当ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，

式中：K0为电阻丝灵敏系数，对确定的应变片K0是常数，因此桥路电压输出在一定范围内是成线性关系；ε为介电常数。电阻应变式称质量传感器选用直流供电应变全桥，该电桥的电压灵敏度比单一工作应变片的电压灵敏度提高了4倍，且具有温度补偿作用。

由于从直流电桥输出的电压Uo一般比较小，因此还需接入测量电路进行放大，其主要作用是将微小的输出信号进行放大。

R1、R2、R3、R4、R5为电阻；RW1为可变电阻；E为电动势。

1.2.2应变式传感器弹性元件结构

为了改善悬臂梁的特性，在提高动特性的同时也增加灵敏度，将梁做成双孔梁，结构如图2、图3所示，分别应用于质量变化测量系统和干缩力测量系统，这种梁的刚度比单梁好，故动特性好，滞后小。在称质量和力学领域，经常采用拉压式和弯曲式应变传感器，该电路在精度和稳定性上已达到一定的水平。但由于拉压式称质量测力传感器的高度直接影响精度和横向稳定性，而且力点移动对输出信号有影响，拉压对称性差，尤其是当安装条件和标准条件不一致时，引起的误差更难估计。而双孔梁称重测力传感器有零弯矩区，高度小，对加载方式和受力点移动不敏感，且抗偏心、抗侧向力，所以本研究选用的称重传感器内部采用双孔梁作为弹性元件[11]。

图2　质量应变式传感器

图3　应变式测力传感器

图4　差动变压器的结构示意图

当铁芯离开平衡位置时，其输出电压可表达为

其电压有效值

在M1=M+ΔM、M2=M-ΔM时，

式中：ω是角频率；j为常数；U是差动变压器输出电压；E是次级线圈感应电动势；M是互感系数；L是电感量。

差动变压器输出电压特性曲线如图6所示。

图5　差动变压器的等效电路图

图6　E2理论特性曲线

为使差动变压器的输出能辨别铁芯移动的方向，差动变压器的输出采用了差动整流和相敏检波电路，如图7所示。

LV为输出功率；i为输入有效电压；o为输出有效电压；RW1、RW2为可变电阻；R为定值电阻；C为电容。

1.2.3干缩力测量系统

在干燥过程中，将木材试件尺寸减小产生的外部拉力作用于应变式测力传感器上，再通过测试此种力的大小确定木材干缩时产生的干缩力的大小，该方法解决了现有技术不能准确、快速地测出木材干燥过程中因水分散失产生的干缩力大小的问题[12]。图8是木材试件干燥过程中干缩力测量系统的结构平面图。

图8　干缩力测量系统

1.2.4质量变化测量系统

称质量方法是最直接的测量木材质量变化方法，质量传感器是称重方法关键性的仪器，测量的准确度和稳定性与木材本身的性质无关，消除了木材质量变化不均匀对测量结果的影响。测量范围由称质量传感器的量程决定，只要量程选择恰当，木材质量变化的测量范围就没有限制。图9是木材试件干燥过程中质量变化测量系统的结构平面图。

图9　质量变化测量系统

1.2.5干缩量测量系统

木材是各向异性材料，径向、弦向和纵向的干缩不同。弦向干缩最大，径向干缩要比弦向干缩小1/3～1/2。纵向干缩量非常小，实际应用中可以不予考虑。图10是木材试件干燥过程中干缩量测量系统的结构平面图。

图10　干缩量测量系统

1.3试验箱技术参数

试验箱由上海多禾实验设备有限公司提供，温度范围为0～180 ℃，温度均匀性小于1 ℃。相对湿度范围为20%～98%，湿度波动度≤±0.5%，湿度均匀性小于1%～3%。图11为可调温调湿区域范围。

图11　试验箱调温调湿范围

1.4传感器技术参数

力传感器量程为500 N，综合误差为0.02%，工作环境温度范围为-20～70 ℃，相对湿度≤80%；质量传感器量程为200 g，精度为0.05%，工作环境温度范围为-10～60 ℃，相对湿度≤80%；位移传感器量程为5 mm，精度为±0.05%，输出电压为5 V，工作环境温度范围为-5～55 ℃，相对湿度≤85%。传感器是置于试验箱外部环境的，干燥室的温湿度对传感器没有影响。

2　系统标定结构

为检验传感器的测试准确性，除进行常规检验外，试验一段时期后还需要对传感器进行定值加载测量，考查其误差。质量变化测量系统和干缩及长期稳定性测量系统具体标定方法为：将图9中质量块用标准砝码代替，分别记下砝码为0～2 000 g时的输出值，递增量为20 g，计算其线性度和综合误差是否超值。对干缩力测试系统的标定，可用两点测定方法。放置5、10 kg两只砝码，测出输出值，计算与标准值的偏离程度及其误差。

3　材料与方法

樟子松(P.sylvestris)和家榆(elm)，分别产自俄罗斯和北方地区。所选试材为无节、无腐朽、无毛刺的弦切板，初质量变化率为85%～95%，试件规格是30 mm×30 mm×25 mm。试件从冰柜中取出后放在室温环境中解冻3 h，与自制夹具相互粘接，其粘接面在木材的纵向，横向用胶做封端头处理。试件与夹具粘好放在室温环境中冷却24 h，装于密封袋内，最后将已经达到最大胶黏强度的试件和夹具一同固定于烘箱内。

4　结果与分析

不同树种干缩力、质量、干缩量变化见图12。可以看出，在温度为60 ℃，湿度为40%时，榆木和樟子松的干缩量随时间变化增大，质量随时间变化减小，干缩力随时间变化先减小后增大，最后达到平衡。对于榆木试件来说，在15 h左右，干缩力达到平衡的同时，干缩量和质量变化也达到了平衡。对于樟子松试件来说，在11 h左右，干缩力达到平衡的同时，干缩量和质量变化也达到了平衡。其中干缩量和干缩力最初减小的原因是试件在热处理过程中产生了热膨胀。在干缩阶段，樟子松试件随温度的增加发生热胀现象，产生压应力，后表层质量变化先降到纤维饱和点以下而发生干缩；随着干燥过程的继续，水分传导速度增快，干缩力也逐渐增大到一个最大值，此时内外层的干缩力达到平衡。

从表1可以看出，对于同一厚度、同一方向、同温度湿度条件下，樟子松达到平衡所用时间和达到最大干缩力所用时间均为11 h，而榆木为15 h，樟子松达到平衡用时明显少于榆木；樟子松所受最大干缩力和最大干缩量值分别为0.28 MPa和1.69 mm，榆木所受最大干缩力和最大干缩量值分别为0.30 MPa和1.74 mm，榆木发生的干缩较樟子松大；而榆木的质量变化值为16.36 kg，明显小于樟子松的变化值19.36 kg,即樟子松的质量变化较榆木明显。可以得知木材密度越大，所受的干缩力及干缩量越大。

a.不同树种干缩力与时间关系b.不同树种质量变化与时间关系c.不同树种干缩量与时间关系

图12　不同树种干缩力、质量变化、干缩量与时间关系

5　结论

该木材控温测试系统可在不同的温湿度下，在木材试件干缩力达到平衡时，同时且实时检测木材质量变化和干缩量的平衡情况，初步防止了木材干缩不均导致干燥过程中的开裂、翘曲变形等缺陷的发生，准确、快速、智能地测量干燥过程中木材的干缩，提高木材干燥生产的质量、效率。另外本系统可实现木材干燥过程中表面开裂的实时在线监测，木材试件干燥过程中，通过在线系统监测，在干缩力即将达到横纹抗拉强度时，通过加湿处理，防止其开裂变形，从而进一步实现表面开裂的智能调控。设备试验性能良好，可达到预期试验效果。

致谢:特别感谢浙江高联仪器有限公司对此设备提供的技术支持，感谢赵阳董事长和石岳峰经理在设备的制作过程中给予的帮助。

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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

刘建霞，女，1990年8月生，内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，硕士研究生。E-mail：liujianxiatc@126.com。

王喜明，内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，教授。E-mail：w_ximing@263.net。

2015年7月15日。

S781.29

1)国际合作项目(2013DFA32000)。

责任编辑：戴芳天。