潘 斌， 程 放， 高鐵成

（中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所， 北京 100091）

人造板膠粘劑現(xiàn)場固化監(jiān)測系統(tǒng)

潘 斌， 程 放， 高鐵成

（中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所， 北京 100091）

介紹了人造板膠粘劑現(xiàn)場固化監(jiān)測的系統(tǒng)組成，尤其對同面叉指電極電容傳感器涉及的邊緣電場、電極電容形態(tài)參數(shù)的計(jì)算方法以及測量終端連線方法等進(jìn)行了分析。利用該介電測量方法可以準(zhǔn)確了解人造板膠粘劑在實(shí)際熱壓時(shí)的固化開始溫度和時(shí)間，對改進(jìn)現(xiàn)有膠粘劑配方、優(yōu)化熱壓工藝曲線具有明確的指導(dǎo)作用。

人造板膠粘劑； 現(xiàn)場固化監(jiān)測； 叉指電容傳感器

制造人造板的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)在熱壓成形階段。一直以來對人造板熱壓過程的研究與開發(fā)主要集中在板坯傳熱傳質(zhì)過程的測量、建模和仿真方面[1,2]；對于人造板膠粘劑固化反應(yīng)歷程的研究大多采用離線方式[3]，這樣所得的結(jié)果不能直接用于修正傳熱傳質(zhì)過程的數(shù)學(xué)模型，對優(yōu)化熱壓工藝曲線、改進(jìn)膠粘劑配方的作用有限。

目前在線式的熱壓過程人造板膠粘劑固化研究可采用三種技術(shù)：聲發(fā)射技術(shù)、光纖光譜技術(shù)和介電分析技術(shù)。聲發(fā)射技術(shù)是利用聲－超聲的方法，在熱壓過程中人為產(chǎn)生聲脈沖群，根據(jù)聲音的接收時(shí)間不同來判斷人造板膠粘劑的固化歷程[4]；這種方法的技術(shù)關(guān)鍵在于有效的信號處理算法，難點(diǎn)在于消除熱壓過程中板坯內(nèi)外環(huán)境產(chǎn)生的噪音信號。光纖光譜技術(shù)是在熱壓板坯內(nèi)部預(yù)埋光纖探頭，通過實(shí)時(shí)中紅外光譜分析來判斷人造板膠粘劑的固化歷程[5]；這種方法的難點(diǎn)在于木材、膠粘劑的化學(xué)組成復(fù)雜多樣，在不同溫度下利用紅外光譜來判斷化學(xué)反應(yīng)過程需要預(yù)先設(shè)定相當(dāng)多的條件，結(jié)果的特異性大。介電分析技術(shù)也是在熱壓板坯內(nèi)部預(yù)埋介電傳感器，通過分析人造板膠粘劑的介電特性來判斷人造板膠粘劑的固化歷程。

1 現(xiàn)場固化介電監(jiān)測系統(tǒng)的組成

人造板膠粘劑現(xiàn)場固化介電監(jiān)測系統(tǒng)由介電監(jiān)測單元、溫度監(jiān)測單元以及監(jiān)測計(jì)算機(jī)組成。現(xiàn)場固化介電監(jiān)測系統(tǒng)的組成見圖1所示。

圖1 現(xiàn)場固化介電監(jiān)測系統(tǒng)的組成Fig.1 In-situ cure dielectric monitoring system

其中介電監(jiān)測單元包括電容傳感器、高精度LCR數(shù)字電橋測量儀、四端對開爾文測試電纜及夾具以及連接PC的串行口線纜，溫度監(jiān)測單元包括TT-K-30鎳鉻-鎳硅K型熱電偶線、熱電偶測溫儀以及連接PC的串行口線纜，監(jiān)測計(jì)算機(jī)安裝有Labview數(shù)據(jù)處理與分析軟件。

2 膠粘劑現(xiàn)場固化介電監(jiān)測技術(shù)

在人造板熱壓過程中現(xiàn)場監(jiān)測膠粘劑固化過程主要就是現(xiàn)場監(jiān)測膠粘劑的介電損耗時(shí)間序列與溫度時(shí)間序列。由電介質(zhì)的極化理論可知，電介質(zhì)材料的復(fù)數(shù)介電常數(shù)是：

式中:ε*-復(fù)數(shù)介電常數(shù)；

ε′-其實(shí)部，也是電介質(zhì)的絕對介電常數(shù)；

ε″-其虛部，是損耗因子；

tanδ-損耗角正切。

復(fù)數(shù)介電常數(shù)的測量方法有兩類，即固定頻率法和寬帶法。固定頻率法的測量不確定度較小，可用于損耗大小不同的測量；寬帶法的測量頻率寬，可用于快速測量。在固定頻率法中又有電橋法、傳輸線法和諧振法三種，選擇一種測量方法的依據(jù)是施加交變電場的頻率范圍以及電介質(zhì)測量損耗的程度[6]。參照已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，人造板膠粘劑現(xiàn)場固化監(jiān)測所用的交變電場頻率在102～105Hz之間[7,8]，正好處于電橋法測量使用頻率10-3～1011Hz的范圍內(nèi)，因此固化介電監(jiān)測就選用高精度LCR數(shù)字電橋測量儀作為介電特性的測量。

52例研究對象先行CT掃描，行橈骨遠(yuǎn)端冠狀位和矢狀位，確保兩層間距2mm，特殊患者可以間隔1mm，有些患者要增加水平位片拍攝。再對52例患者行X線檢測，于腕關(guān)節(jié)正側(cè)位拍攝X線片。

數(shù)字電橋原理見圖2所示。圖中Zx為被測阻抗，Rs為標(biāo)準(zhǔn)電阻器。切換開關(guān)K可分別測出兩者的電壓Ux與Us，這樣

圖2 數(shù)字電橋電路示意圖Fig.2 Electronic schematic for digital bridge

3 同面叉指電極電容傳感器

材料的復(fù)數(shù)介電常數(shù)通常采用平行電極電容測量方法取得，但是這種方法的測量結(jié)果對被測材料膨脹與壓縮的微小形變相當(dāng)敏感[10]。尤其在人造板膠粘劑的現(xiàn)場固化監(jiān)測應(yīng)用中，當(dāng)把上下熱壓板作為平行極板時(shí)，由于板坯厚度在熱壓的過程中受到熱壓工藝與自身粘彈性的共同影響，呈現(xiàn)不規(guī)則的變化，因此測量結(jié)果是不可靠的。而采用同面叉指電極電容測量法，由于叉指電極電容傳感器在熱壓過程中與被測材料緊密接觸，就可以克服這一困難，測量結(jié)果是可以接受的。

3.1 同面叉指電極與邊緣電場

同面叉指電極電容測量方法可以看成是由平行電極法演化而來。處于同一平面上的兩個(gè)電極相當(dāng)于由平行電極法中的一對電極朝反向旋轉(zhuǎn)90°后形成，原先夾在電極之間的被測材料也隨之處于這對同面電極的上方一側(cè)。

同面叉指電極電容傳感器的一對電極分成驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極，它們形成的同面電力線分布不再象平行電極那樣呈平行分布，這種邊緣電場的場強(qiáng)分布隨距離電極的遠(yuǎn)近呈現(xiàn)不均勻性。但是當(dāng)邊緣電場內(nèi)的被測材料介電特性發(fā)生變化時(shí)，其電場強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生改變，通過電橋法測量其阻抗的變化，即可間接測量出被測材料的介電特性變化。

3.2 基體材料的選用

同面叉指電極電容傳感器只利用驅(qū)動(dòng)電極與感應(yīng)電極形成的同側(cè)邊緣電場，因此電極必須座落在同一個(gè)電氣絕緣的基板上?；搴穸扰c撓曲程度以及親水或疏水性的選取取決于應(yīng)用場合。在現(xiàn)場監(jiān)測人造板膠粘劑固化過程的應(yīng)用中，可以選用撓性覆銅箔聚酰亞胺薄膜作為基板，用這種材料制成的傳感器能保持與人造板熱壓板坯的密切接觸；同時(shí)可以選用厚度很小的覆銅層構(gòu)成傳感器電極。聚酰亞胺的電氣絕緣性能優(yōu)異，而且自身可耐350 ℃的高溫，非常適合在人造板熱壓溫度條件下正常使用。目前的撓性覆銅箔聚酰亞胺薄膜還可以提供吸水率小于0.4%的品種，可以滿足基板對疏水性的要求。

3.3 邊緣電場電容傳感器電容計(jì)算

傳感器電極電容與被測材料介電常數(shù)的關(guān)系可由單元積分法分析取得，其電容計(jì)算見圖3所示。設(shè)傳感器由一對幾何尺寸相同的矩形電極構(gòu)成，電極長度為L，寬度為W，放置的間距為S，被測材料的介電常數(shù)為ε′。在一塊電極的寬度方向，距離為X的地方，取一小塊寬度為Δx的電極作為微電極面，當(dāng)假設(shè)邊緣電場呈同心圓分布時(shí)，參照平行極板電容計(jì)算方法，可得：

圖3 邊緣電場電容傳感器電容計(jì)算圖Fig.3 Diagram for calculating the capacity of fringing electric field sensor

在電極寬度范圍內(nèi)積分即可得到單片電極的總電容Cs：

其中,K是一個(gè)與傳感器電極幾何形狀與分布有關(guān)的幾何常量參數(shù)。由公式（5）可知，電容傳感器測得的電容與被測材料的介電常數(shù)成正比。

對于叉指電容傳感器來說，每個(gè)叉指與其左右兩個(gè)叉指分別構(gòu)成一個(gè)電容器。因此，每對叉指電容的電極電容Cd是單片電極電容Cs的兩倍，即

3.4 傳感器測量終端接口方式

由于電容傳感器測量的電流很小，因此對傳感器感應(yīng)電極浮動(dòng)電動(dòng)勢的測量方式應(yīng)有所考慮。簡化后的傳感器等效電路圖見圖4所示。

圖4中的VD是驅(qū)動(dòng)電極電動(dòng)勢，VS是感應(yīng)電極電動(dòng)勢，VG是保護(hù)面電動(dòng)勢；C10、C20分別是驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極與基板之間的電容，G10、G20分別是驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極與基板之間的電導(dǎo)；C12與G12是被測材料在兩電極間的電容與電導(dǎo)，CL是測量阻抗分壓產(chǎn)生的電容。

圖4 簡化的傳感器等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram for simplified sensor

此外傳感器布線會(huì)產(chǎn)生寄生電容CS，當(dāng)把基板背面的保護(hù)面電動(dòng)勢做成與感應(yīng)電極浮動(dòng)電動(dòng)勢相同時(shí)，其電路原理圖見圖5所示。

圖5 VG=VS后的電路原理圖Fig.5 Electronic schematic as VG=VS

此時(shí)感應(yīng)電壓與驅(qū)動(dòng)電壓的復(fù)數(shù)增益G*可表示為：

公式（7）中未出現(xiàn)不易測量或易受被測材料影響的兩電極與基板間產(chǎn)生的電容與電導(dǎo)C10、C20、G10、G20。這樣被測材料的復(fù)數(shù)介電常數(shù)ε*就可以通過電橋法直接測量得到，排除了電極與基板接觸電容與電導(dǎo)的干擾。測量終端接口操作的關(guān)鍵是要將保護(hù)面電動(dòng)勢與感應(yīng)電極浮動(dòng)電動(dòng)勢等電勢。

3.5 傳感器幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論上傳感器的一對電極長度應(yīng)該無限長，叉指陣列的寬度應(yīng)該無限寬，電極的厚度應(yīng)該為0。但在實(shí)際的傳感器設(shè)計(jì)中電極長度與電極間距之比一般要大于一個(gè)數(shù)量級，電極寬度與電極間距之比應(yīng)小于等于1，電極的厚度采用35μm以下的銅箔構(gòu)成，鍍鎳層厚度在2μm左右，傳感器電極的總面積是基板面積的一半左右。

4 現(xiàn)場固化介電監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

在人造板膠粘劑現(xiàn)場固化監(jiān)測的應(yīng)用中，同面叉指電極電容傳感器與熱電偶都預(yù)先埋放在板坯內(nèi)部的同一位置，熱壓開始后LCR數(shù)字電橋測量儀與熱電偶測溫儀實(shí)時(shí)采集被測膠粘劑的電容、損耗角正切與溫度數(shù)據(jù)，并通過儀器所帶的信號電纜將采集數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測計(jì)算機(jī)中，監(jiān)測計(jì)算機(jī)運(yùn)行Labview數(shù)據(jù)處理與分析軟件，記錄、處理并顯示出人造板膠粘劑現(xiàn)場固化監(jiān)測得到的介電損耗與溫度時(shí)間序列曲線圖，如刨花板熱壓過程中膠粘劑的介電監(jiān)測結(jié)果見圖6所示。從該曲線圖上可以判讀出膠粘劑固化開始的時(shí)間和溫度。通過這樣的試驗(yàn)與分析，人們可以進(jìn)一步改進(jìn)膠粘劑配方、優(yōu)化熱壓工藝曲線，從而提高人造板的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

圖6 刨花板熱壓過程中膠粘劑介電監(jiān)測結(jié)果[11]Fig.6 Curve for Cure dielectric monitoring during particleboard hot-pressing

5 結(jié) 論

采用同面叉指電極電容傳感器代替平行極板電容傳感器現(xiàn)場監(jiān)測人造板熱壓過程中膠粘劑的固化歷程，可以消除熱壓板坯厚度不穩(wěn)定帶來的測量不確定性。將傳感器保護(hù)面電動(dòng)勢與感應(yīng)電極浮動(dòng)電動(dòng)勢構(gòu)成等電勢后，可以簡化測量的計(jì)算過程，消除電極與基板接觸電容、電導(dǎo)的干擾。通過對人造板膠粘劑的現(xiàn)場固化監(jiān)測，可以準(zhǔn)確了解實(shí)際固化發(fā)生的時(shí)間和溫度，有助于改進(jìn)現(xiàn)有人造板膠粘劑的配方，優(yōu)化人造板熱壓工藝曲線。

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In-situ Cure Monitoring System for Wood-based Panel Adhesives

PAN Bin，CHENG Fang，GAO Tie-cheng
(Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091，China）

The in-situ cure monitoring system for wood-based panel adhesives was described. Calculation methods of fringing electric field for the interdigital capacitor sensor and geometry parameters of electrode capacitance were discussed as well as connecting methods of measuring terminal. The beginning cure temperature and time for wood-based panel adhesives in practice can be interpreted with the dielectric measurement method, which has well guiding function for developing the adhesive formulation and optimizing the hot-press curve.

Wood-based panel adhesive; In-situ cure monitoring; Interdigital sensor

TQ 430

A

1671-0460（2011）11-1182-04

國家林業(yè)局引進(jìn)國際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目，項(xiàng)目號：2008-4-72。

2011-09-25

潘斌（1969-），男，高級工程師，江蘇蘇州人，1992年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)，研究方向：木材加工自動(dòng)化檢測與傳輸。E-mail：panbin@caf.ac.cn，電話：010-62889444。