[发明专利]一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪

说明书

本发明公开了一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪，包括FPGA控制电路、DDS模块I、DDS模块II、NIOS II软核、红外测温模块、LCD驱动器、LCD触摸屏、触摸控制器、正弦波电路I、正弦波电路II、驱动电缆I、平行双针探头、驱动电缆II、跨阻放大器、交流放大器、乘法相敏解调器、8阶有源低通滤波器和模数转换器，该测量仪以交流激励式微弱电容检测法为基本原理，结合驱动电缆技术和红外测温技术，将系统电路、LCD触摸屏、连接电缆和平行双针探头集成为一体，将外形结构设计为手持式，能够高精度测量活立木边材的含水率，结构简单，成本低廉，操作人员在野外进行现场实验时操作方便，提高了检测效率。

技术领域

本发明涉及活立木含水率测量领域，尤其是涉及一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪。

背景技术

森林是人类生存繁衍的重要保障，具有重要生态价值和经济价值，森林资源主要包括木材行业中的各类木质材料。木材行业作为基础行业，为我国经济做出了巨大贡献，活立木作为木材行业的源头，其长期整体的生长发育情况直接影响着木材行业。水与树木的各种生理活动均密不可分，地球上的有机体三分之二都是水。研究发现，植物体内的水分并非越多越好，其含量应该在植物生长需求范围内。这就需要定期检测不同生长阶段树木所含水分，来研究和判断树木的生长状态，为木材腐朽的预测和树木灌溉提供依据，进而采取相应措施，达到保护森林资源的目的。

因此，活立木边材含水率的实时准确测量对于森林资源的高效开发利用具有重要意义。现有的含水率测量仪一般用来测量30％以下的木材质量含水率，而实际活立木边材质量含水率通常在80％以上。活立木边材本质上是一种复杂的多孔介质，即由固相(木材)，液相(自由水)和气相(空气)形成的具有一定结构的组合体。近年来，介电常数法越来越受到关注，介电常数法能用于活立木边材质量含水率测量是因为活立木边材中自由水的相对介电常数是81，远高于木材的相对介电常数2和空气的相对介电常数1，即活立木边材的介电常数主要受其含水率的影响，含水率越大，整体介电常数也越大。

介电常数法根据具体工作原理可以分为时域反射法、驻波比法和电容法。时域反射法通过测量电磁脉冲在传输线上的入射和反射时间差来反演被测物介电常数，再根据经验公式得到质量含水率值，该方法具有准确、无辐射和可连续测量等优点，但是其电路复杂，设备昂贵，操作不便；驻波比法的原理与时域反射法类似，但是不再利用电磁脉冲入射和反射的时间差，而是测量电磁脉冲在传输线上的驻波比，该方法成本较低，受温度较小，但对电路抗干扰设计要求较高，探针阻抗计算也影响其测量精度；电容法常用于高含水率原油的测量，应用于活立木边材含水率测量的报道较少，该方法通过将被测介质构建电容器，然后检测电容值，进而获得含水率，具体到活立木含水率检测领域，可以通过设计适合活立木边材的插入探头结构，将不同树种活立木的含水率情况转换为由探针、插入的活立木边材组成的微弱电容，该电容和树种、活立木含水率以及探针插入深度均有关，这些插入探头结构的电容值较小，一般在pF级，因此需要合理选取微弱电容检测装置，将其转换为直观可见的模拟或者数字信号。

国内微弱电容的检测方法还不成熟，常规方法是通过信号处理电路将电容值转换为其他易测物理量，但是电路很容易受到干扰，产生与被测电容值量级相同的寄生电容，影响输出精度，因此电容法在活立木边材含水率测量的方面并不成熟，有必要研究一种低成本、防干扰、高精度、使用便利的基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪。

发明内容

本发明是针对现有技术的不足，提供一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪，以实现高精度测量活立木边材含水率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪，其特征在于：包括FPGA控制电路、DDS模块I、DDS模块II、NIOS II软核、红外测温模块、LCD驱动器、LCD触摸屏、触摸控制器、正弦波电路I、正弦波电路II、驱动电缆I、平行双针探头、驱动电缆II、跨阻放大器、交流放大器、乘法相敏解调器、8阶有源低通滤波器和模数转换器。