人造板胶粘剂现场固化监测系统

潘 斌， 程 放， 高铁成

（中国林业科学研究院木材工业研究所， 北京 100091）

人造板胶粘剂现场固化监测系统

潘 斌， 程 放， 高铁成

（中国林业科学研究院木材工业研究所， 北京 100091）

介绍了人造板胶粘剂现场固化监测的系统组成，尤其对同面叉指电极电容传感器涉及的边缘电场、电极电容形态参数的计算方法以及测量终端连线方法等进行了分析。利用该介电测量方法可以准确了解人造板胶粘剂在实际热压时的固化开始温度和时间，对改进现有胶粘剂配方、优化热压工艺曲线具有明确的指导作用。

人造板胶粘剂； 现场固化监测； 叉指电容传感器

制造人造板的关键技术环节在热压成形阶段。一直以来对人造板热压过程的研究与开发主要集中在板坯传热传质过程的测量、建模和仿真方面[1,2]；对于人造板胶粘剂固化反应历程的研究大多采用离线方式[3]，这样所得的结果不能直接用于修正传热传质过程的数学模型，对优化热压工艺曲线、改进胶粘剂配方的作用有限。

目前在线式的热压过程人造板胶粘剂固化研究可采用三种技术：声发射技术、光纤光谱技术和介电分析技术。声发射技术是利用声－超声的方法，在热压过程中人为产生声脉冲群，根据声音的接收时间不同来判断人造板胶粘剂的固化历程[4]；这种方法的技术关键在于有效的信号处理算法，难点在于消除热压过程中板坯内外环境产生的噪音信号。光纤光谱技术是在热压板坯内部预埋光纤探头，通过实时中红外光谱分析来判断人造板胶粘剂的固化历程[5]；这种方法的难点在于木材、胶粘剂的化学组成复杂多样，在不同温度下利用红外光谱来判断化学反应过程需要预先设定相当多的条件，结果的特异性大。介电分析技术也是在热压板坯内部预埋介电传感器，通过分析人造板胶粘剂的介电特性来判断人造板胶粘剂的固化历程。

1 现场固化介电监测系统的组成

人造板胶粘剂现场固化介电监测系统由介电监测单元、温度监测单元以及监测计算机组成。现场固化介电监测系统的组成见图1所示。

图1 现场固化介电监测系统的组成Fig.1 In-situ cure dielectric monitoring system

其中介电监测单元包括电容传感器、高精度LCR数字电桥测量仪、四端对开尔文测试电缆及夹具以及连接PC的串行口线缆，温度监测单元包括TT-K-30镍铬-镍硅K型热电偶线、热电偶测温仪以及连接PC的串行口线缆，监测计算机安装有Labview数据处理与分析软件。

2 胶粘剂现场固化介电监测技术

在人造板热压过程中现场监测胶粘剂固化过程主要就是现场监测胶粘剂的介电损耗时间序列与温度时间序列。由电介质的极化理论可知，电介质材料的复数介电常数是：

式中:ε*-复数介电常数；

ε′-其实部，也是电介质的绝对介电常数；

ε″-其虚部，是损耗因子；

tanδ-损耗角正切。

复数介电常数的测量方法有两类，即固定频率法和宽带法。固定频率法的测量不确定度较小，可用于损耗大小不同的测量；宽带法的测量频率宽，可用于快速测量。在固定频率法中又有电桥法、传输线法和谐振法三种，选择一种测量方法的依据是施加交变电场的频率范围以及电介质测量损耗的程度[6]。参照已有的实验结果，人造板胶粘剂现场固化监测所用的交变电场频率在102～105Hz之间[7,8]，正好处于电桥法测量使用频率10-3～1011Hz的范围内，因此固化介电监测就选用高精度LCR数字电桥测量仪作为介电特性的测量。

52例研究对象先行CT扫描，行桡骨远端冠状位和矢状位，确保两层间距2mm，特殊患者可以间隔1mm，有些患者要增加水平位片拍摄。再对52例患者行X线检测，于腕关节正侧位拍摄X线片。

数字电桥原理见图2所示。图中Zx为被测阻抗，Rs为标准电阻器。切换开关K可分别测出两者的电压Ux与Us，这样

图2 数字电桥电路示意图Fig.2 Electronic schematic for digital bridge

3 同面叉指电极电容传感器

材料的复数介电常数通常采用平行电极电容测量方法取得，但是这种方法的测量结果对被测材料膨胀与压缩的微小形变相当敏感[10]。尤其在人造板胶粘剂的现场固化监测应用中，当把上下热压板作为平行极板时，由于板坯厚度在热压的过程中受到热压工艺与自身粘弹性的共同影响，呈现不规则的变化，因此测量结果是不可靠的。而采用同面叉指电极电容测量法，由于叉指电极电容传感器在热压过程中与被测材料紧密接触，就可以克服这一困难，测量结果是可以接受的。

3.1 同面叉指电极与边缘电场

同面叉指电极电容测量方法可以看成是由平行电极法演化而来。处于同一平面上的两个电极相当于由平行电极法中的一对电极朝反向旋转90°后形成，原先夹在电极之间的被测材料也随之处于这对同面电极的上方一侧。

同面叉指电极电容传感器的一对电极分成驱动电极和感应电极，它们形成的同面电力线分布不再象平行电极那样呈平行分布，这种边缘电场的场强分布随距离电极的远近呈现不均匀性。但是当边缘电场内的被测材料介电特性发生变化时，其电场强度也会发生改变，通过电桥法测量其阻抗的变化，即可间接测量出被测材料的介电特性变化。

3.2 基体材料的选用

同面叉指电极电容传感器只利用驱动电极与感应电极形成的同侧边缘电场，因此电极必须座落在同一个电气绝缘的基板上。基板厚度与挠曲程度以及亲水或疏水性的选取取决于应用场合。在现场监测人造板胶粘剂固化过程的应用中，可以选用挠性覆铜箔聚酰亚胺薄膜作为基板，用这种材料制成的传感器能保持与人造板热压板坯的密切接触；同时可以选用厚度很小的覆铜层构成传感器电极。聚酰亚胺的电气绝缘性能优异，而且自身可耐350 ℃的高温，非常适合在人造板热压温度条件下正常使用。目前的挠性覆铜箔聚酰亚胺薄膜还可以提供吸水率小于0.4%的品种，可以满足基板对疏水性的要求。

3.3 边缘电场电容传感器电容计算

传感器电极电容与被测材料介电常数的关系可由单元积分法分析取得，其电容计算见图3所示。设传感器由一对几何尺寸相同的矩形电极构成，电极长度为L，宽度为W，放置的间距为S，被测材料的介电常数为ε′。在一块电极的宽度方向，距离为X的地方，取一小块宽度为Δx的电极作为微电极面，当假设边缘电场呈同心圆分布时，参照平行极板电容计算方法，可得：

图3 边缘电场电容传感器电容计算图Fig.3 Diagram for calculating the capacity of fringing electric field sensor

在电极宽度范围内积分即可得到单片电极的总电容Cs：

其中,K是一个与传感器电极几何形状与分布有关的几何常量参数。由公式（5）可知，电容传感器测得的电容与被测材料的介电常数成正比。

对于叉指电容传感器来说，每个叉指与其左右两个叉指分别构成一个电容器。因此，每对叉指电容的电极电容Cd是单片电极电容Cs的两倍，即

3.4 传感器测量终端接口方式

由于电容传感器测量的电流很小，因此对传感器感应电极浮动电动势的测量方式应有所考虑。简化后的传感器等效电路图见图4所示。

图4中的VD是驱动电极电动势，VS是感应电极电动势，VG是保护面电动势；C10、C20分别是驱动电极和感应电极与基板之间的电容，G10、G20分别是驱动电极和感应电极与基板之间的电导；C12与G12是被测材料在两电极间的电容与电导，CL是测量阻抗分压产生的电容。

图4 简化的传感器等效电路图Fig.4 Equivalent circuit diagram for simplified sensor

此外传感器布线会产生寄生电容CS，当把基板背面的保护面电动势做成与感应电极浮动电动势相同时，其电路原理图见图5所示。

图5 VG=VS后的电路原理图Fig.5 Electronic schematic as VG=VS

此时感应电压与驱动电压的复数增益G*可表示为：

公式（7）中未出现不易测量或易受被测材料影响的两电极与基板间产生的电容与电导C10、C20、G10、G20。这样被测材料的复数介电常数ε*就可以通过电桥法直接测量得到，排除了电极与基板接触电容与电导的干扰。测量终端接口操作的关键是要将保护面电动势与感应电极浮动电动势等电势。

3.5 传感器几何结构设计

理论上传感器的一对电极长度应该无限长，叉指阵列的宽度应该无限宽，电极的厚度应该为0。但在实际的传感器设计中电极长度与电极间距之比一般要大于一个数量级，电极宽度与电极间距之比应小于等于1，电极的厚度采用35μm以下的铜箔构成，镀镍层厚度在2μm左右，传感器电极的总面积是基板面积的一半左右。

4 现场固化介电监测系统的应用

在人造板胶粘剂现场固化监测的应用中，同面叉指电极电容传感器与热电偶都预先埋放在板坯内部的同一位置，热压开始后LCR数字电桥测量仪与热电偶测温仪实时采集被测胶粘剂的电容、损耗角正切与温度数据，并通过仪器所带的信号电缆将采集数据传送到监测计算机中，监测计算机运行Labview数据处理与分析软件，记录、处理并显示出人造板胶粘剂现场固化监测得到的介电损耗与温度时间序列曲线图，如刨花板热压过程中胶粘剂的介电监测结果见图6所示。从该曲线图上可以判读出胶粘剂固化开始的时间和温度。通过这样的试验与分析，人们可以进一步改进胶粘剂配方、优化热压工艺曲线，从而提高人造板的生产效率与产品质量。

图6 刨花板热压过程中胶粘剂介电监测结果[11]Fig.6 Curve for Cure dielectric monitoring during particleboard hot-pressing

5 结 论

采用同面叉指电极电容传感器代替平行极板电容传感器现场监测人造板热压过程中胶粘剂的固化历程，可以消除热压板坯厚度不稳定带来的测量不确定性。将传感器保护面电动势与感应电极浮动电动势构成等电势后，可以简化测量的计算过程，消除电极与基板接触电容、电导的干扰。通过对人造板胶粘剂的现场固化监测，可以准确了解实际固化发生的时间和温度，有助于改进现有人造板胶粘剂的配方，优化人造板热压工艺曲线。

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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

国家林业局引进国际先进林业科学技术项目，项目号：2008-4-72。

2011-09-25

潘斌（1969-），男，高级工程师，江苏苏州人，1992年毕业于北京工业大学，研究方向：木材加工自动化检测与传输。E-mail：panbin@caf.ac.cn，电话：010-62889444。