一种文物本体含水率无损探测及湿度分布成像系统

贾甲 杨双国 全定可 苏维孝

摘 要：文物本体含水率无损探测及湿度分布成像系统可实现对文物本体含水率实时无损测量，适用于馆藏文物及考古现场发掘的文物含水率测量，该系统采用当今最新的传感器、信号处理、计算机等领域的高新技术，可以方便对砖石文物、木（竹）质文物、有机体的本体含水率无损实时测量。测得的含水率定义为对象材料中包含的水分的质量与材料全干时的质量之比，通过插值反演算法，直观呈现本体内部湿度场，形成湿度分布成像系统，适用于文物本体含水率的离线检测或长期监测。

关键词：文物本体;含水率;湿度场

1 绪论

文物，作为古代文化信息的“存储库”，有着极高的历史、艺术、科学技术价值。文物的材质受保存环境因素影响，老化变质直至消失情况经常发生，而文物材料一旦因老化消失，其历史文化信息也会消失。因此需要对文物及文化财產加以保护。在文物保护中，含水率的多少往往影响着文物的老化、受损速度，因此对文物保存环境内进行含水率测量显得尤为重要。

本文所述的文物本体含水率无损探测及湿度分布成像系统，可测量丝织品、纸张、竹木器、皮革及石质文物等的含水率值并进行湿度分布成像，对馆藏文物含水率测量以及在考古发掘过程中现场含水分布有着重要的指导意义。

2 系统设计

2.1 系统整体组成

系统由含水率测量单元和湿度分布成像软件组成，含水率测量单元与湿度分布成像软件通过USB通讯，从而实现含水率实时测量功能与湿度成像功能。

2.2 含水率测量单元

含水率测量单元可实时测量、显示及存储含水率值，主要由电源和电池管理模块、含水率检测模块、LoRa无线通讯模块、液晶显示、按键输入、主控MSP430F5438A及其余数字外设模块组成。

2.2.1 显示与按键

含水率测量单元通过按键与点阵LCD显示实现人机交互功能，通过内嵌菜单系统方便实现含水率测量、保存、查询、校准与设置等功能。

2.2.2 传感器设计

本体含水率无损探测基本原理是：一般材料的介电常数（10以内）远远小于水的介电常数（约80），材料含水后的综合介电常数主要依赖于水分含量，含水率发生变化时将导致综合介电常数的改变，从而引起电容的变化，通过测量电容即可间接测量含水率。

传感器部分设计是测量单元的关键部分，由传感器弯爪和传感电路组成，传感器弯爪由三个金属片组成，金属片形状和间距通过Maxwell电磁场有限元仿真，并优化设计传感器弯爪的尺寸及间距，使得传感器弯爪具有高检测灵敏度。传感器弯爪仿真示例如图3所示。

测量时，传感器弯爪紧贴被测文物本体，文物本体含水率不同，最终会导致传感器弯爪感应到的感应电容值不同，传感器电路通过对感应电容充放电测量电容值，最终转换为含水率值。

2.3 湿度分布成像系统软件

湿度分布成像系统软件采用Matlab GUI编程实现，主要功能包括与含水率测量单元通讯及湿度成像功能。湿度分布成像系统通过USB接收含水率测量单元发送的含水率测量数据，以文件形式保存到本地，数据格式由坐标信息和对应的含水率值组成。通过调用griddata函数对测量数据进行插值，最终使用contourf绘制出含水率等值线图，从而实现湿度成像功能。湿度分布成像系统软件设计如图4所示。

3 实验分析

3.1 实验说明

含水率测量单元开机后直接测量得到含水率值，如果要得到湿度分布成像结果，则在测量每一点含水率值后，还需要记录测点对应的坐标信息。

3.2 实验步骤

（1）根据含水率成像区域，选定坐标原点、x轴、y轴，确定坐标系。（2）选定含水率成像区域内要测量含水率的点，选定原则为均匀选取，点数越多，成像结果越精确。（3）设置含水率测量单元位置标识，测量选定每一点的含水率值并保存，保存时输入对应点的坐标数据。

3.3 湿度成像

含水率测量单元通过USB口与电脑连接，输入要成像区域的位置标识，并传输当前位置标识下的测量数据，每一点数据元素包括坐标值和对应的含水率数据，湿度分布成像系统软件接收含水率测量单元发送的数据，并以文件形式保存到本地。一组含水率数据及对应坐标数据如下表所示：

在湿度分布成像系统软件载入数据文件后即可成像，插值算法可以选择为“V4”、“nature”、“linear”、“nearest”、“cubic”。选择“V4”插值算法，湿度成像结果示例如图5所示。

从湿度分布成像结果可以看到明显的三个含水率异常点：两个高含水率区域和一个低含水率区域，结果与实际测试环境相吻合，含水率分布成像显示更加直观。

4 结论

本文所述的文物本体含水率无损探测及湿度分布成像系统，操作方法简单，精确;可以通过对不同的测量点进行测量，测量数据可以直接在含水率测量单元显示，也可输入测量点坐标，经处理及显示单元生成含水率分布图，方便使用者对区域含水率进行分析预判。

参考文献：

[1]潘炼.传感器原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2012.

[2]索晓民.一种测量水分的微波传感器研究[J].西安交通大学学报，1997（01）.

[3]姜宇.微波测量木材湿度的原理及应用[J].林业机械与木工设备，2004，32（12）：44-48.

[4]高晓丁，左贺，梁继超.基于电容式传感器技术的织物渗水特性检测方法[J].传感器技术，2004，23（10）：41-42.

[5]张赤军，张劲南.用电容传感器的物水分在线测试仪[J].长春理工大学学报，2004，27（1）：19-21.

[6]魏清洁，王玉彬.二元一次函数曲线拟合的Matlab 实现[J].德州学院学报，2011，7（27）：148-151.

[7]丁英丽.基于电容式传感器的粮食水分测量仪[J].传感器技术，2003，22（4）：54-56.

作者简介：贾甲（1989-），女，陕西延安人，硕士研究生，研究实习员，研究方向：文物文保。

通讯作者：杨双国（1986-），男，陕西咸阳人，本科，工程师，研究方向：文物预防性保护装备研发。