【文章內(nèi)容簡介】 計法、電阻式高分子薄膜傳感器、電容式濕度傳感器、陶瓷濕度傳感器、露點計法、微波濕敏傳感器等。不同的檢測方法需要選用不同性能的濕敏傳感器，當前廣泛使用的濕敏傳感器是水分子親合力型濕敏傳感器。水分子有較大的偶極矩，故其易于吸附在物體表面并滲入物體內(nèi)部（這種特性稱水分子親合力），從而使物體的電氣物理性能發(fā)生變化，利用這種變化可構(gòu)成多種水分子親合力型濕敏傳感器。但是水分子親合力濕敏傳感器響應(yīng)速度慢，且可靠性差。因此，人們又研制出與水分子親合力無關(guān)的非水分子親合力濕敏傳感器。常見的就是熱敏電阻式傳感器、紅外吸收式濕敏傳感器、微波衰減式濕敏傳感器等。毛發(fā)濕度計，這是一種利用毛發(fā)腸衣等物在受潮后伸長的原理制作的濕度計，這種濕度計是最原始的濕度計之一，低濕（10%RH）和高濕（90%RH）的測量精度較低。高分子薄膜濕度傳感器，它的工作原理是利用氯化鋰是吸濕性很強的離子型物質(zhì)。當空氣中相對濕度較大時，則氯化鋰吸濕多，薄膜的電阻率降低，通過對電阻值的測量，就可知空氣中的相對濕度。氯化鋰濕敏元件具有測量精度高而且穩(wěn)定的特點。可是它有一個致命缺點，那就是氯化鋰易溶于水，處于高濕、結(jié)露的環(huán)境氯化鋰便流失損耗，故不耐高溫。因為干燥過程中，為防止木材干裂，有噴水過程，所以無法選用該傳感器。 電容式濕度傳感器的主要優(yōu)點是量程寬（0∽100%RH），耐高溫，不怕污染。但它也有個缺點，就是不耐老化。因此需要每年校準一次，否則使用數(shù)年便會失效。故使用的性能差異大，穩(wěn)定性還有待改進，且成本價格高。故在本系統(tǒng)中不選用它。陶瓷濕度傳感器，為了克服不耐高溫的缺點而發(fā)展起來的一種濕度傳感器?？墒撬泊嬖谝粋€缺點：由于表面的吸附效應(yīng)，小孔易于吸附塵埃而被堵塞，而堵塞多少是時間的函數(shù)且不規(guī)則，因此穩(wěn)定性較差。故不選用。干濕球濕度傳感器是目前大多數(shù)國產(chǎn)干燥設(shè)備主要選取的空氣濕度測量設(shè)備。通過對以上濕度傳感器的對比可知，每一種傳感器在測量木材干燥窯中空氣濕度這一特定環(huán)境下的被測參數(shù)時，都有其不足之處。目前，國外美國Ligomat公司等生產(chǎn)的先進木材干燥設(shè)備中，選用薄紙片作為平衡含水率傳感器，因此紙片吸濕后的物理特性與木材含水的物理特性近似，依據(jù)這一原理，可利用木材含水率的檢測電路通過分析操作來檢測平衡含水率，其優(yōu)點是大大簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的集成度，降低了采集系統(tǒng)的成本。所以，在本系統(tǒng)中，采用這種設(shè)計思想，選用夾在金屬支架中的平衡含水率試紙作為平衡含水率傳感器。 干濕球濕度傳感器測量濕度的原理和誤差分析干濕球濕度傳感器的結(jié)構(gòu)原理是在鉑電阻溫度傳感器的敏感部分包上脫脂紗布，紗布沾水吸濕后在相對濕度小于100%RH的環(huán)境中，水就會就蒸發(fā)。水的蒸發(fā)量與空氣中的水汽壓平衡并使?jié)袂驕囟缺３衷谝欢ǖ臄?shù)值。如果再用一支等精度鉑電阻溫度傳感器測量當時的氣溫，就可以利用兩個溫度的差值和其它測量條件計算空氣中的水汽壓。干濕球濕度計的測量誤差由于傳感器是由兩支挑選的鉑電阻溫度傳感器組成，溫度傳感器的測量結(jié)果直接參與濕度的運算，所以，溫度傳感器的測量誤差是濕度測量的重要誤差來源。另外，濕球表面污染也會引起誤差，濕球污染包括使用了不純凈（或不干凈的水）的水，包扎紗布過程中沾染了贓物和長期使用了空氣中的雜質(zhì)等。如果污染物為某種溶劑，濕球表面的水汽壓就不是與水表面平衡了，而是與某種溶液的表面平衡了。由于水中溶有某些溶劑通常使表面的飽和水汽壓降低，也同樣會造成濕球溫度偏高，相對濕度遍大的現(xiàn)象。觀測時間不準是引起誤差的另一個原因，干濕球濕度計從加水到水被全部蒸發(fā)，濕球溫度達到穩(wěn)定時間也測量時的溫度和相對濕度有很大關(guān)系，溫度小時，需要穩(wěn)定的時間較長，高濕時則較短。 木材含水率傳感器的選擇木材干燥過程中的木材含水率（MC）自動檢測是木材干燥作業(yè)的一個重要方面，木材含水率作為被控變量，是干燥基準選取的指標之一，也是木材干燥階段評價指標。此外，在決定結(jié)束干燥過程時，如能準確測定出當時被干木材的含水率，就可以避免過度或不足，避免前者還可節(jié)省能耗和工時，從而降低干燥窯成本。目前，在干燥作業(yè)中，常常由操作者進入窯內(nèi)取出樣品，然后用含水率儀進行測定，這種方法費力又費時，不能實現(xiàn)木材干燥全過程的自動控制。所以，木材含水率的自動檢測技術(shù)在全自動干燥過程中具有決定性的作用。測量木材含水率的傳感器有：紅外吸收法、微波法、中子法、稱重法、電阻法等。紅外吸濕法是一種光學式的測定方法。 紅外濕敏傳感器的優(yōu)點是：能檢測高溫、密封、大風速和通風孔道等場所的氣體濕度；動態(tài)范圍寬。它的主要缺點有：易受含有紅外波長光的其它光源及樣品的色調(diào)對測定結(jié)果的影響；光學系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性差；結(jié)構(gòu)復雜，難于普及；只能測材料表面的水分，儀器的輸出因不同物質(zhì)而異，且造價較高。所謂微波，就是指頻率高于1GHZ的電波。以這樣的高頻率電波射在含水的物料（電介質(zhì)）上時，其反射波和透射波就按水的介電常數(shù)發(fā)生變化。微波濕敏傳感器是利用介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對微波的吸收最大的特性構(gòu)成的。該傳感器的主要優(yōu)點是：在露點溫度以下傳感器的性能不變；在高溫、高濕下能長期工作；使用溫度范圍寬；有互換性；可通過加熱清洗，且堅固耐用。缺點是當微波增益變化時，微波損失也隨之變化，從而造成較大的誤差，所以不適合在本系統(tǒng)中測量木材含水率。中子輻射法測濕屬于非接觸式，它的原理是當一定速率的中子與被測物中水分子的氫核發(fā)生彈性碰撞，能量被氫核吸收，使得中子減速。不受溫度、壓力等因素影響，但由于核輻射的漲落現(xiàn)象給測量帶來誤差，%，另外裝置較復雜，還需特殊防護，故此種方法多用于特殊場合，故不適合在本系統(tǒng)中用來測量木材含水率。稱重法是林業(yè)行業(yè)標準≤鋸材干燥工藝規(guī)程≥中規(guī)定使用的方法。通過對以上幾種木材含水率傳感器的對比可知，每一種傳感器在測量木材含水率這一特定物質(zhì)中的含水率時，都有其不足之處。目前，在控制過程中采用最多的是電阻法測量含水率的方法，電阻法是利用木材的電學特性（木材含水率量變化時，其直流等效電阻值隨之產(chǎn)生變化）的原理來測量物質(zhì)的含水量。電阻法測量木材含水率時，只需將探針釘入木版中，就可以直接讀出含水率數(shù)值。正是這一便捷的特性，使得眾多企業(yè)選用電阻法測量木材含水率。電阻法的特點是儀器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作簡單、易行、響應(yīng)速度快，能在干燥窯內(nèi)的高溫、高濕、高腐蝕的環(huán)境下長期使用。為了使含水率傳感器充分接觸被測試件，并保證測量精度，在本系統(tǒng)中，選用針狀電極—鋼釘探針作為木材含水率傳感器如圖（29），把鋼釘插入干燥窯中木材含水率實驗板上，探針必須遠離板端、遠離木材缺陷、插入含水率、厚度、樹種有代表性的木版、插入木版在窯中的位置有代表性的木版。用插頭把鋼釘探針與干燥窯壁上的線纜相連，線纜引線出窯，與測試系統(tǒng)連接。 稱重法測量木材含水率的原理和誤差分析稱重法是傳統(tǒng)的、也是最基本的木材含水率測量方法。我國林業(yè)行業(yè)標準及國家標準都規(guī)定以稱重法測量的含水率為準。其計算公式如下： 式中： m—濕木材質(zhì)量；mo—絕干木材質(zhì)量；M—木材含水率；在實際測量過程中，按標準規(guī)定，從鋸材上截取兩個試片為代表。截取的試片立即稱重，然后放入烘箱，在（103177。2）℃下烘干，至最后兩次稱量之差（2h間隔），即認為該試片達到了恒定質(zhì)量，再用上述公式計算每片試片的含水率及兩試片的平均含水率，作為木材的含水率值。從理論上講，稱量法是木材含水率測量最準確的方法，但在操作過程中也存在很多引起木材含水率測量誤差的因素，使所測含水率值與實際有偏差。造成誤差的原因有以下幾點：氣候條件指實驗環(huán)境空氣的溫、濕度所對應(yīng)的平衡含水率與木材本身含水率不一致所引起的水分轉(zhuǎn)移。首先在鋸解時，告訴旋轉(zhuǎn)的鋸片與木材摩擦生熱，使試片兩側(cè)的溫度高于空氣的溫度。由于試片的厚度僅為10∽12mm，相對暴露面積達試片表面積的70%以上，當空氣所對應(yīng)的平衡含水率低于試片的含水率時，試片在截取及稱量過程中都會釋放出水分，造成試片的質(zhì)量低于實際值；反之，又會使稱重的試片質(zhì)量高于實際值。另外，木材端面水分傳遞最快，由此表面?zhèn)鬟f的水分相對于試片的質(zhì)量（一般20100g）來說，誤差已足夠大。其次，在絕干材測量時，環(huán)境空氣的平衡含水率高于木材含水率，試片由烘箱中取出到稱量完畢，試片會從空氣中吸收水分，環(huán)境空氣越濕，造成的絕干材質(zhì)量的誤差越大，導致計算出的含水率出現(xiàn)偏差。操作者動作不熟練，易造成試片在空氣中暴露時間過長，引起稱量誤差增大，故應(yīng)盡量使用電子天平稱量，并要求操作者動作熟練。 木材含水率測量電路設(shè)計木材的含水率由爐干到纖維飽和點（含水率約為30%），電阻大約增大100萬倍但含水率由纖維飽和點增長到細胞腔完全充滿液態(tài)水，電阻降低到原來的1/50多一點。據(jù)此，當含水率非常低的時候，電阻率就非常高，當含水率非常高的時候，電阻率就非常低。干燥過程中，木材含水率在5%∽95%范圍內(nèi)對應(yīng)的等效電阻變換范圍寬（幾百GΩ到幾KΩ），所以，在設(shè)計木材含水率測量電路時，對含水率的全量程用分段增益的方法把含水率信號的變化引入到系統(tǒng)中，另外，由于木材內(nèi)含有礦物質(zhì)團等電解成分，長時間在被測木材上施加單向電壓會改變木材的電特性，產(chǎn)生極化效應(yīng)，使測量結(jié)果嚴重失真，所以本系統(tǒng)專門設(shè)計了提供定時換向的177。5V電壓源。測量含水率電路如圖（210），測量原理為：式中，Rx—被測木材含水率的等效電阻值；Rf：反饋電阻值；R1,R2,R3,R4的取值關(guān)系為：Um—輸出對應(yīng)木材含水率的電壓值。Up：施加在被測木材上的定時變向直流５V電壓源。，在每一量程中，Rf是定值時，該電路的輸出電壓與被測木材含水率等效電阻的變化成反比。圖210 含水率檢測電路如圖２－１０所示，木材含水率測量電路選用高精度放大器LF353與雙四選一模擬開關(guān)74HC4052配合構(gòu)成可編程放大器。采用74HC4052模擬開關(guān)選擇反饋電阻?！狦R0；—GR1；—GR2控制模擬開關(guān)74HC4052。在含水率檢測模入通道的設(shè)計中將采用八選一模擬開關(guān)74HC4051，其特點已在上面介紹過，該模擬開關(guān)對于溫度的漏電流比較低，而且，切換速度快，無抖動，易于集成。 含水率檢測模入通道的設(shè)計　　 含水率模入通道與主控器的接口如圖２－１４所示。、圖214 74HC4051與主控器的接口電路、B、C相連。INH低電平有效。74HC4051的X0、X1接入兩路平衡含水率信號，XXXXXX7分別接入6路含水率信號，然后通過地址選通后送出其中一路信號給ADC0809經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送入主控器AT89C55。 A/D變換器的設(shè)計在智能化木材干燥系統(tǒng)的設(shè)計中，檢測到的溫度、木材含水率、平衡含水率等信號都是連續(xù)信號，而要用單片機進行檢測和控制必須要用數(shù)字信號，故需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在現(xiàn)代社會集成電路飛速發(fā)展的時代，應(yīng)用A/D技術(shù)越來越成熟。各種類型的集成A/D芯片性能越來越多，適合各種應(yīng)用場合。在現(xiàn)代社會中，主要有以下幾種類型。一、 逐次逼近型 逐次逼近型ADC簡化組成框圖，如下圖，圖中CMP為比較器，SAR是由數(shù)據(jù)寄存器和移位寄存器組成的逐次逼近寄存器，用來寄存比較結(jié)果和提供DAC的轉(zhuǎn)換數(shù)碼。DAC為數(shù)/模轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。圖（a）中的DAC為電壓輸出型，比較器將被測輸入電壓Vx與DAC輸出電壓V∑進行比較；圖（b）中的DAC為電流輸出型，比較器將被測輸入電流Vx/R與DAC輸出電流I∑進行比較，因為V∑=I∑*R,所以Vx/R與I∑比較相當于Vx與V∑比較，圖（a）與圖(b)本質(zhì)上是一樣的。但由于DAC大多采用電流輸出型，因此逐次逼近式ADC也大多采用電流比較型。 圖215 逐次逼近型ADC簡化框圖逐次比較型ADC的位數(shù)是內(nèi)部SAR和DAC的位數(shù)。N位逐次逼近型ADC的一次轉(zhuǎn)換過程需要n+2個時鐘節(jié)拍。所謂單片集成化逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，即在一個芯片上集成了上圖中的三部分電路，基本上可以完成A/D轉(zhuǎn)換的全過程。有的芯片還可以包含有：基準電壓源、時鐘電路、采樣/保持器和多路開關(guān)等，使其獨立性更強，功能更齊全。目前流行的單片集成化逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器有兩類產(chǎn)品，一類屬雙極性集成電路，另一類屬CMOS線性集成電路，前者的轉(zhuǎn)換速度較高，～40181。s范圍內(nèi)。后者的轉(zhuǎn)換速度略低，一般在20～200181。s范圍內(nèi)。后者因功耗低，價格便宜，使用更為廣泛。目前常用的單片集成逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器一般為8～12位，它們被廣泛應(yīng)用于中高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、在線自動測試系統(tǒng)和動態(tài)測控系統(tǒng)等領(lǐng)域中。二、 雙積分型 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器實質(zhì)上是一種“VTD”（電壓—時間—數(shù)字）間接型A/D轉(zhuǎn)換器。典型的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的基本組成可以用下圖表示。雙積分A/D轉(zhuǎn)換器與逐次逼近式A/D相比，最大的優(yōu)點是它具有較強的抗干擾能力，因為計數(shù)器輸出的數(shù)字N2正比于模擬輸入電壓在采樣階段T1內(nèi)的平均值Vi,所以對周期等于T1或T1/m的對稱干擾（即在整個周期內(nèi)平均值為零的干擾）從理論上講具有無窮大的抑制能力，檢測系統(tǒng)中經(jīng)常碰到的是市電（50Hz）干擾。所以，一般選T1為市電周期（20ms）的整數(shù)m倍。因此，為抑制工頻干擾，外接時鐘頻率宜選為:fclk=(N1*50)/m(Hz)。式中m為整數(shù)。 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的另外一個優(yōu)點是兩次積分采用同一積分器完成，所以轉(zhuǎn)換結(jié)果及精度與積分器的有關(guān)參數(shù)R、C無關(guān)。 對集成化雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器來說，積分電阻R和積分電容C 往往是外接元件，其數(shù)值需要按集成雙積分式A/D的產(chǎn)品說明來確定，總的來說是保證積分放大器在最大輸入電壓下，采樣階段末不發(fā)生飽和為原則。 雙積分式A/D的轉(zhuǎn)換時間是兩次積分階段及復零與準備階段三段時間之和，一般為幾十ms，因此它的缺點是轉(zhuǎn)換速度較低。盡管如此，在要求速度不高的場合，如數(shù)字儀表，雙積分式A/D的使用仍然十分廣泛。 ICL7135和MC14433是兩種最常用的CMOS單片集成雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，輸出方式都是BCD碼動態(tài)掃描輸出，既可用于數(shù)字儀表也可與微機接口。，即計數(shù)值N