CN103808624A

CN103808624A - 一种基于雷达波的木材含水率检测方法

Info

Publication number: CN103808624A
Application number: CN201410058636.1A
Authority: CN
Inventors: 高林; 文剑; 张军国; 吕静霞
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2014-05-21

Abstract

一种基于雷达波的木材含水率检测方法，该方法克服了传统称重法检测过程繁杂的缺点，是一种实时、连续、无损式的含水率检测方法。当雷达波在木材中传播时，木材内介电常数不同对雷达波传播速度，振幅强度，反射时间等均产生影响，而木材内的介电常数又与其含水率密切相关；该检测方法包括：雷达天线(内含有雷达波发射与接收装置，雷达波频率为900Mhz，可检测厚度达到1米的木材)、数据管理器(可将雷达天线发射与反射的雷达波数字化并存储，以供分析与研究)、木材相对介电常数与含水率关系模型；利用雷达天线对已知厚度的木材发射雷达波，并收集其反射波，由数据管理器计算出雷达波在木材中双程行进时间，计算出此木材的相对介电常数，再由木材相对介电常数与含水率关系模型得到该木材的含水率。

Description

一种基于雷达波的木材含水率检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于雷达波的木材含水率检测方法，给古树及古建筑木质梁柱养护、木材干燥与加工、木制家具制作等相关工作人员提供一种实际意义上的木材无损含水率检测方法。

背景技术

在木材加工企业对木材的干燥尤为重要，而木材干燥过程中木材的含水率是一个非常关键的参数。干燥过程中木材含水率实时在线检测是提高木材干燥质量、缩短干燥周期，降低干燥成本的一个重要环节；同样木材的含水率也是古建筑木质梁柱养护、木制家具生产制作及地热木地板使用中需要参考的重要指标。

目前，测量木材含水率最常用的方法是称重法和电阻法。称重法是计算木材含水率的最基本方法，即称出湿材质量和全干材质量，计算出含水率。该方法误差小，测量精确，但操作繁琐，从科学角度讲称重法是木材含水率测量最准确的方法。电阻法是利用木材含水率升高其电阻率下降很快这一电学性质进行测量的方法。测量木材含水率时，只需将探针钉入木板中，就可直接读出含水率数值。实际生产中大多采用电阻法。但是，电阻法一般在6％-30％之间时比较精确，无法实现在高含水率下的含水率连续在线检测。该法属于接触性测量法，测量时需将不锈钢探针钉入木材，这或多或少给木材带来损伤，也增加了测量的繁琐，不适合古建筑木质梁柱和木制家具的测量。

若采用基于雷达波的木材含水率检测方法，操作相对简单，含水率测量范围大，对被测木材不会带来任何损伤。可为古树及古建筑木质梁柱养护、木材干燥与加工、木制家具制作等相关工作人员提供一种实时的、连续、非损伤式含水率检测方法。

发明内容

本发明设计了一种基于雷达波的木材含水率检测方法，包括；雷达天线、数据管理器和木材相对介电常数与含水率关系模型；

其中，所述雷达天线内含有雷达波发射装置和接收装置，放在一个方形保护盒中，雷达天线保护盒紧贴被测木材表面滑动，雷达波发射装置将频率为900Mhz雷达波发射到被测木材中，被测木材底部铺有铝箔，铝箔作反射介面，雷达天线内接收装置可接收到铝箔的反射波；

所述数据管理器可将雷达天线接受到的反射波信号进行数据存储、分析，计算出雷达波在被测木材中入射及反射双程行进时间；

所述木材相对介电常数与含水率关系模型因树种而异，将刚砍伐下来的某种树种木材取样，制成标准试件，在实验室利用介电常数仪测量标准试件的相对介电常数并称其质量，记录在案，在烘箱内对标准试件进行干燥，并每隔数小时取出标准试件测量其相对介电常数和质量，记录在案，直到干燥到标准试件为绝干质量为止，这期间需测数据20组以上，根据测出的绝干标准试件质量和每一次测量的标准试件质量，计算出每次测量标准试件的含水率，将每次标准试件的含水率与测量的相对介电常数之间的关系列成表格，再根据标准试件的相对介电常数和含水率关系表中数据进行回归分析，建立二者之间的回归方程，确定所述标准试件的相对介电常数与含水率之间的关系模型；

利用所述雷达天线对已知厚度的木材发射雷达波，并收集其反射波，由所述数据管理器计算出雷达波在木材中双程行进时间，计算出此木材的相对介电常数，再由所述木材相对介电常数与含水率关系模型得到该木材的含水率；

所述一种基于雷达波的木材含水率检测方法，可检测厚度为1米以内的木材，可检测木材含水率范围为1％-100％。

本发明具有如下功能：

利用雷达天线对已知厚度的木材发射雷达波，并收集其反射波，由数据管理器计算出雷达波在木材中双程行进时间，计算出此木材的相对介电常数，再由木材相对介电常数与含水率关系模型得到该木材的含水率，该含水率的测量范围大，可以是实时的、连续的含水率值，对被测木材不会带来任何损伤。

本发明的目的是：给古树及古建筑木质梁柱养护、木材干燥与加工、木制家具制作等相关工作人员提供一种实时的、连续、非损伤式含水率检测方法。

附图说明

附图1：雷达波测量木材含水率示意图

附图2：雷达波发射信号、反射波信号及木材厚度示意图

具体实施方式

含水率是木材干燥过程中的一个非常关键的参数，也是古建筑木质梁柱养护、木制家具生产制作及地热木地板使用中需要参考的重要指标。木材含水率最常用的测量方法是称重法和电阻法，但测量时存在有不足，如：称重法测木材含水率的操作繁琐、电阻法的测量范围有限和给被测木材带来的损伤。为此发明了一种基于雷达波的木材含水率检测方法，该方法主要包括三部分：雷达天线、数据管理器和木材相对介电常数与含水率关系模型；

其中，雷达天线内含有雷达波发射装置和接收装置，放在一个方形保护盒中，雷达天线保护盒紧贴被测木材表面滑动，如附图1所示，雷达波发射装置将频率为900Mhz雷达波发射到被测木材中，被测木材底部铺有铝箔，铝箔作反射介面，雷达天线内接收装置可接收到铝箔的反射波。

数据管理器可将雷达天线接收到的反射波信号进行数据存储、分析，计算出雷达波在被测木材中入射及反射双程行进时间；若被测木材的厚度已知，用d表示，如附图2所示，由数据管理器计算出雷达波在被测木材中双程行进时间用t表示，由式(1)可计算出此木材的平均相对介电常数占_r。

ϵ_{r} = \frac{c^{2} t^{2}}{{4 d}^{2} + x^{2}} - - - (1)

式(1)中c＝0.3m/ns为真空中电磁波的传播速度，x为雷达天线内发射装置与接收装置的间距，若发射装置与接收装置的间距很小，则x≈0，式(1)可将简化为式(2)所示：

ϵ_{r} = \frac{c^{2} t^{2}}{4 d^{2}} - - - (2)

木材相对介电常数与含水率关系模型因树种而异，将刚砍伐下来的某种树种的木材取样，制成标准试件，在实验室利用介电常数仪测量标准试件的相对介电常数并称其质量，记录在案；在烘箱内对标准试件进行干燥，并每隔数小时取出标准试件测量其相对介电常数和质量，记录在案，直到干燥到标准试件为绝干质量为止，这期间需测数据20组以上；根据测出的绝干标准试件质量(用W₀表示)和每一次测量的标准试件质量(第i次测量的质量用W_i表示)计算出每次测量标准试件的含水率M，第i次测量的标准试件的含水率Mi由式(3)所示：

Mi = \frac{Wi - Wo}{Wo} 100 % - - - (3)

通过对各次测量值的计算，可得到标准试件的相对介电常数与其含水率之间的关系表，再根据标准试件的相对介电常数和含水率关系表中数据进行回归分析，建立二者之间的回归方程，确定标准试件的相对介电常数与含水率之间的关系模型。

根据式(2)得到的平均相对介电常数ε_r，再由木材相对介电常数与含水率关系模型即可得到该木材的含水率。该方法检测含水率的范围为1％-100％，可检测厚度在1米以内的被测木材。

技术效果

本发明克服了传统木材含水率测量时的不足，如：称重法测木材含水率的操作繁琐、电阻法的测量范围有限和给被测木材带来损伤。该方法操作相对简单，含水率测量范围大，对被测木材不会带来任何损伤。可为古树及古建筑木质梁柱养护、木材干燥与加工、木制家具制作等相关工作人员提供一种实时的、连续、非损伤式含水率检测方法。

Claims

1.一种基于雷达波的木材含水率检测方法，包括；雷达天线、数据管理器和木材相对介电常数与含水率关系模型，其特征在于：

所述雷达天线内含有雷达波发射装置和接收装置，放在一个方形保护盒中，雷达天线保护盒紧贴被测木材表面滑动，雷达波发射装置将频率为900Mhz雷达波发射到被测木材中，被测木材底部铺有铝箔，铝箔作反射介面，雷达天线内接收装置可接收到铝箔的反射波；

利用所述雷达天线对已知厚度的木材发射雷达波，并收集其反射波，由所述数据管理器计算出雷达波在木材中双程行进时间，计算出此木材的相对介电常数，再由所述木材相对介电常数与含水率关系模型得到该木材的含水率。

2.根据权利要求1所述一种基于雷达波的木材含水率检测方法，可检测厚度为1米以内的木材，可检测木材含水率范围为1％-100％。