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2018年 第54卷 第11期 刊出日期:2018-11-25
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林业科学. 2018, 54(11):  0-0. 
摘要 ( 39 )   PDF (1519KB) ( 212 )  
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论文与研究报告
复合式实木铝芯电加热地板传热效果分析
周玉成, 李响, 任长清, 马岩, 杨春梅, 白岩, 邓英健
林业科学. 2018, 54(11):  1-6.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181101
摘要 ( 83 )   HTML   PDF (2345KB) ( 242 )  
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[目的]提出实木地板与铝合金芯板复合的电加热地板结构,结合电热线缆嵌入式制造工艺,构建新型实木铝芯电加热地板,以提高电加热地板采暖的热舒适性和传热效率并降低安全隐患,为电加热地板的研发、生产提供技术支持。[方法]以高档实木拼板为面板层、低档单板为底板层,通电的发热电缆与铝合金芯板组合构成发热芯层,将发热芯层嵌入实木复合地板面板层凹槽内,石棉网作为保温隔热层紧贴在发热芯层下方以保证电加热地板的热效率,采用脲醛树脂对面层和底层板材进行胶合,经过高温高压后制成企口地板。利用有限元分析软件对复合式实木铝芯电加热地板的供暖过程进行仿真。[结果]未添加铝芯散热板的电加热地板1 h后地板表面温度为33.3℃,加热层温度过于集中,高达60℃,存在安全隐患。添加铝芯散热板且散热板为普通平板式结构的电加热地板1 h后地板表面温度约为29.7℃;肋板式铝芯散热结构的地板表面热量不如平板式均匀,但地板表面温度约为34.5℃,且加热导线层温度最低,综合传热效率最好。[结论]含肋板式铝芯散热结构的电加热地板上表面温度高于不含铝芯散热结构的电加热地板,升温速度快;铝芯的结构形式对传热效果有重要影响,肋板式铝芯电加热地板升温速率快,传热效果更好。
实木地采暖地板蓄热性能检测技术
杜光月, 周世玉, 刘大伟, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  7-13.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181102
摘要 ( 55 )   HTML   PDF (1667KB) ( 182 )  
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[目的]提出一种基于密闭绝热腔体的实木地采暖地板蓄热性能检测方法,并开发采暖地板蓄热性能检测装置,为我国地采暖地板行业产品标准化提供借鉴。[方法]将密闭绝热腔体空间均匀分成L×M×N个小的空间区域,每个小空间内安装温度传感器。将加热到一定温度Te的实木板材试件置于初始温度为T0Te>T0)的密闭绝热腔体中作为热源向外释放热量。当达到平衡状态后,通过传感器检测每个小空间的温度,根据前后变化的温度差、每个小空间的体积及空气比热容计算试件释放热量前后每个小空间内空气所吸收的热量。对每个小空间内空气吸收的热量进行累加,得出试件释放出的总热量,根据热量与质量比值,计算实木板材在该工况条件下的蓄热性能。[结果]在密闭绝热腔体初始温度20℃、试件温度70℃的工况条件下,对水曲柳、红松和白栎树种地采暖地板分别经过10次测试,得出3种实木地采暖地板的蓄热性能分别为105.70、106.27和101.99 J·℃-1。[结论]基于对实木地采暖地板蓄热性能的检测方法及开发的检测装置,通过对3个树种地采暖地板蓄热性能的多次检测,检测数据方差均小于1.00,表明检测数据较为稳定,能够准确检测出某类树种采暖地板的蓄热性能参数并评价该类地板的蓄热性能。本研究提出的地采暖地板蓄热性能检测方法及开发的检测装置,可为行业或国家标准的建立提供分析方法与仪器,对我国地采暖地板行业产品标准化具有重要意义。
木质地采暖地板蓄热性能检测及反演方法
周世玉, 杜光月, 曹正彬, 刘晓平, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  14-19.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181103
摘要 ( 64 )   HTML   PDF (2492KB) ( 193 )  
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[目的]基于传热反问题研究方法,采用BP神经网络对地采暖地板蓄热性能进行反演计算,为地采暖地板蓄热性能分析提供理论和方法支撑。[方法]基于CFD软件构建检测腔体数值模型,模拟获取结构单一样本在不同初始温度(50~130℃范围内每间隔5℃设定一个模拟工况)下散热形成的温度场分布数据,并将初始温度为50、60、70、80、90、100、110、120和130℃的温度场分布数据作为神经网络模型的训练集,初始温度为55、65、75、85、95、105、115和125℃的温度场分布数据作为神经网络模型的测试集。[结果]经反复训练比较,获取较优的神经网络模型,其测试集的平均相对误差(MRE)=0.68%,最大相对误差(MAE)=19.51%,均方误差(MSE)=1.18%,拟合度(R2)=0.98。基于该神经网络模型,选取白桦、水曲柳、西南桦、柞木4种典型实木地采暖地板样本进行蓄热性能反演计算,结果显示4种实木地采暖地板的蓄热性能表现为柞木 > 西南桦 > 水曲柳 > 白桦。[结论]经训练的神经网络模型可有效预测不同地采暖地板的蓄热性能,基于BP神经网络反演地采暖地板蓄热性能的方法可行。
地采暖用脂肪酸相变地板储放热性能模拟
邢靖晨, 周玉成, 虞宇翔, 李露霏, 常建民
林业科学. 2018, 54(11):  20-28.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181104
摘要 ( 87 )   HTML   PDF (3486KB) ( 229 )  
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[目的]建立传热数学模型,模拟探究一种以脂肪酸共晶混合物为相变材料的地采暖用相变储能地板,为新型地采暖储能地板的开发和应用提供理论基础。[方法]利用差示扫描量热法(DSC)和步冷曲线法分析脂肪酸共晶混合物的热性能,应用DSC和傅里叶红外(FTIR)分析其化学性质和热循环稳定性,确定脂肪酸共晶混合物对地采暖地面环境的适用性,选择脂肪酸共晶混合物作为相变储能地板用相变材料。建立并求解铺设脂肪酸相变地板的电加热地采暖系统传热数学模型,分析其节能性能和供热效果。具体过程为:首先,选择常用的典型房间理论模型,分析地采暖运行条件下室内热动态过程,并设定日夜间歇式地采暖运行模式;然后,建立房间传热模型,计算理论房间冬季室内供暖热负荷,确定相变材料用量以及地板表面与室内空气的换热关系;最后,建立地板传热模型,利用ANSYS软件模拟地采暖间歇式运行模式下脂肪酸相变地板的储放热过程,并观察室内空气温度和地板表面温度的变化规律,分析基于脂肪酸相变地板的电加热地采暖系统的节能性能与供热效果。[结果]脂肪酸共晶混合物相变温度在20~30℃之间,满足地采暖地面环境和人体舒适温度要求;脂肪酸共晶混合物熔程仅2~3℃,供热过程室内温度变化小;脂肪酸共晶混合物化学性质稳定,经过1 500次冻熔循环后熔点和潜热变化仅为0.27℃和1.7%,热循环稳定性突出,可满足在地采暖环境中长时间应用。以脂肪酸共晶混合物为相变材料的相变储能地板应用于地采暖环境中,可实现利用夜晚8 h储热、白天16 h放热的稳定供暖模式,将白天的用电负荷转移至夜晚,达到"移峰填谷"式节能用电目的,同时可将室内空气和地板表面温度控制在人体适宜范围内。[结论]脂肪酸相变地板用于电加热地采暖系统中,供暖和节能效果理想。通过改变脂肪酸共晶混合物的种类和配比,可灵活调整相变温度,使相变储能地板在不同气候地区及热负荷建筑设计的地采暖环境中都能发挥出良好的节能性能和供热效果,具有较大发展潜力。
基于LS-SVM的采暖木质地板自然对流温度场建模
曹正彬, 周世玉, 刘晓平, 高闯, 杜光月, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  29-36.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181105
摘要 ( 71 )   HTML   PDF (2899KB) ( 179 )  
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[目的]在底部具有木质样本热源的圆柱形封闭腔内,基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)建立自然对流引起的温度场预测模型,研究采暖木质地板蓄热后的温度场分布规律,为后续反演采暖木质地板的蓄热特性提供数据基础。[方法]首先,给出圆柱形封闭腔物理模型的边界条件和木质样本初始温度,根据流体力学定律建立热场传热的质量、动量和能量守恒方程,并用计算流体力学(CFD)软件进行求解。其次,对CFD求解的数据进行归一化处理,并根据木质样本初始温度将归一化后的数据分成训练集和验证集2部分,其中训练集5 481个温度,验证集8组,每组609个温度;利用训练集对LS-SVM模型进行训练,采用果蝇优化算法对模型的核函数参数σ和正则化参数γ进行寻优,得到σγ的最优参数组合为[1.0×1010,0.06]。最后,应用优化好的模型分别对每个验证集上的温度值进行预测,并与BP神经网络方法的预测结果进行比较。[结果]LS-SVM对不同样本温度场预测的最大拟合度为0.998 9,最小为0.996 8;平均相对误差、最大相对误差和均方误差最大值分别为0.25%、2.6%和0.31%,最小值分别为0.054%、0.84%和0.12%;最长建模时间为12.93 s,最短为12.72 s。与之相比,BP神经网络预测的最大拟合度为0.999 7,最小为0.998 3;平均相对误差、最大相对误差和均方误差最大值分别为0.47%、5.43%和0.63%,最小值分别为0.21%、2.08%和0.33%;最长建模时间为107.15 s,最短为106.23 s。LS-SVM对不同样本温度场预测的拟合误差比BP神经网络方法的预测结果要小一些,拟合度与BP神经网络方法相近,建模和预测需要的时间明显少于BP神经网络。[结论]采用LS-SVM对采暖木质地板的蓄热温度场建模是可行的,该方法适合对小样本建模,泛化性较好,对在试验条件下利用有限数据来对温度场建模和预测具有明显优势,可为后续开展采暖木质地板蓄热机制的反演工作提供指导。
基于限幅模糊PID算法的蓄热性能检测仪密闭绝热双腔体温度控制研究
杜光月, 周世玉, 刘大伟, 刘晓平, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  37-44.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181106
摘要 ( 68 )   HTML   PDF (2228KB) ( 168 )  
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[目的]地采暖地板蓄热性能检测仪采用密闭绝热双腔体结构,对试件进行检测时要求上腔体在900 s内达到设定温度为T0的初始检测条件,温度误差小于±0.25℃,均匀度小于±0.20℃。针对检测腔体对初始温度的特殊要求,提出一种限幅模糊PID算法,以实现对密闭绝热双腔体腔内温度的快速、精准控制。[方法]首先建立限幅带,设Δe >0,且ΔeN,当测量值与设定值的偏差ε ≤|Δe|时,输出增量由PID算法给出;当εe或者ε<-Δe时,输出增量由模糊推理给出控制输出量。算法中将温度实际值与设定值的误差以及误差变化率划分为若干个论域中的模糊值,并且建立相应的模糊规则,对于任意一个实时温度采样值,控制系统能够自动求出与目标值的偏差,通过模糊算法给出相应的输出量,从而达到上腔体温度快速调节的目的。[结果]1)限幅模糊PID算法在820 s时,上腔体温度达到稳定状态,与原设计相比提前350 s;2)温度精度达到±0.15℃;3)腔体内温度均匀度为±0.15℃。[结论]基于限幅模糊PID算法的地采暖地板蓄热性能检测密闭绝热双腔体温度控制系统,可实现通过调节下腔体温度达到对上腔体温度快速、准确调节的目的,为检测初始条件的设定提供可靠保障,提高了整个设备的可靠性,保证了检测结果的准确性。
基于TWSVM和模糊的木质采暖地板蓄热温度预测模型
曹正彬, 刘晓平, 杜光月, 褚鑫, 刘大伟, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  45-52.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181107
摘要 ( 64 )   HTML   PDF (2941KB) ( 180 )  
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[目的]围绕木质地板蓄热特性,针对木质地板蓄热后生成的温度场分布建立基于孪生支持向量机(TWSVM)和模糊算法的温度组合预测模型,为后续研究木质地板的蓄热规律提供有效分析手段。[方法]首先,将加热到设定温度的木质地板样本推送至地采暖地板蓄热性能检测仪器的检测腔内自由放热,利用仪器内呈多层环状分布的温度传感器阵列在时间和空间维度上动态提取温度值,并进行滤波降噪和归一化处理。其次,针对建模数据过多导致的TWSVM计算复杂度迅速膨胀问题,将试验数据均匀分块,每个分块数据中的验证集样本随机提取,剩余为训练集样本,采用TWSVM分别训练每个训练集样本,并用对应样本中的验证集进行泛化性验证,运用网格搜索法对TWSVM模型的核函数参数σ、惩罚参数γ和松弛因子ξ进行寻优。最后,基于模糊原理,对验证样本的输入空间构建高斯隶属度函数,并应用隶属度函数将模型预测结果进行模糊叠加,叠加后的输出作为模型最终训练结果。[结果]基于模糊的TWSVM方法预测时间维度下不同样本温度值的最大拟合度为99.59%,最小为98.92%,最长建模时间为186.90 s,最短建模时间为64.39 s;预测空间维度下不同样本温度值的最大拟合度为99.23%,最小为98.96%,最长建模时间为274.37 s,最短建模时间为93.30 s。[结论]TWSVM在计算中涉及矩阵求逆问题,适合对维数较小的数据样本进行建模,由于本研究木质地板蓄热特性需要的温度数据量较大,因此采用TWSVM直接对该试验数据进行建模具有较大局限性;引入模糊方法后,先将温度数据分别在时间和空间维度上分割成多个小的训练样本,然后对每个训练样本分别采用TWSVM建模和训练,根据模糊规则,以每个温度点在模糊函数上的隶属度叠加值来确定最终预测结果,可提高TWSVM方法建模的适应范围,并充分发挥其快速性和泛化性优势。
基于ANFIS的木质采暖地板温度场预测分析
褚鑫, 周世玉, 刘大伟, 杜光月, 曹正彬, 刘晓平, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  53-58.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181108
摘要 ( 45 )   HTML   PDF (1627KB) ( 174 )  
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[目的]提出基于自适应神经模糊推理系统(ANFIS)的木质地板蓄热性能温度场预测算法,为木质地板蓄热性能分析提供数据支撑。[方法]以地采暖地板蓄热性能分析仪密闭绝热圆柱腔为研究对象,在腔体内部布设由150个温度传感器组成的6层阵列,将腔体内部分为150个子空间。首先,将腔体内温度传感器序号和时间作为系统输入,传感器阵列采集的温度值作为系统输出,构建ANFIS温度场模型。然后,将所选用的训练数据输入模型,调整相应参数,完成封闭腔温度场时间模型训练。最后,将其他未参与训练数据输入到已训练好的模型中,得到预测值,并通过相应计算公式验证该方法对木质采暖地板温度场预测分析的适用性。[结果]温度场预测值拟合度达0.988以上,拟合误差也控制在较低水平,其中均方误差低于0.19%、最大相对误差低于1.22%、平均相对误差低于0.36%。[结论]基于ANFIS的封闭腔温度场预测模型能够完整表达出试验仪器腔体的温度场特征,且在建模的简化度、泛化能力和稳健性上均具有较好表现,能够用已被训练过的系统较好地对传感器任意时间点进行温度预测。
实木复合硬质聚氨酯保温板地板的热力学模型和隔热效率分析
周玉成, 胡昊, 姜新波, 杨春梅
林业科学. 2018, 54(11):  59-65.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181109
摘要 ( 65 )   HTML   PDF (1074KB) ( 164 )  
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[目的]研究实木复合硬质聚氨酯保温板地板的隔热性能,测量不同材料表层装饰面板保温板对电加热地板的温度变化影响,分析电加热地板相比普通实木复合地板节能降耗的原因,从传热学和热力学角度对实木复合硬质聚氨酯保温板地板模型进行传热分析,并对不同材料表层装饰面板对实木复合硬质聚氨酯保温板地板导热性能的影响进行试验验证。[方法]构建2个温度变化测试模型,测量20℃室温下普通电加热地板与实木复合硬质聚氨酯保温板地板0~35 min内的温度变化情况;建立2个封闭模型,测试模型内温度由40℃降至20℃的时长;通过传热学分析,建立实木复合硬质聚氨酯保温板的热力学模型;分别制作以橡木和杨木作为装饰面板的实木复合聚氨酯保温板地板模型,并进行0~30 min的升温对比试验。[结果]升温试验中,单位时间内实木复合硬质聚氨酯保温板地板的底板温度比普通电加热地板的温度上升慢,35 min后二者的底板温度差达到2.0℃。保温试验中,普通电加热地板从40℃降至20℃用时37 min,实木复合硬质聚氨酯保温板地板从40℃降至20℃用时55 min。[结论]热导率低的硬质聚氨酯材料在延缓热量传递方面的性能优异,从而使实木复合硬质聚氨酯保温板地板相比普通电加热地板具有更出色的保温性能,采用传热系数较高的装饰面板的电加热地板会使热量传导效率更高。
太阳能加热与井水制冷墙裙板储能系统设计及理论分析
周玉成, 杜炳霖, 姜新波, 杨春梅, 马岩, 孙金浩
林业科学. 2018, 54(11):  66-72.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181110
摘要 ( 68 )   HTML   PDF (1388KB) ( 234 )  
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[目的]提出太阳能加热与井水制冷墙裙板的设计思路,设计一种热量集散器作为太阳能热水器或水井与墙裙板进行冷热传导的媒介,为开发一种能够实现高效热传递的储能系统提供理论依据。[方法]确定储能系统各部件的具体结构,利用三维软件建模,模拟太阳能加热与井水制冷墙裙板的工作流程,设计储能系统的控制系统,实现温度检测、辅助加热和自动水循环等功能。通过比较分析,选择出保温材料和导热金属材料。利用传热学原理计算在加热模式下房屋与太阳能热水器吸收的总热量,并与屋内空气和墙裙版铝板所需吸收的总热量进行比较。分别计算储能系统中热水与导热铝板的热流量以及导热铝板与空气的热流量,并比较二者大小。从热传递总量和热流量2方面进行理论分析,验证太阳能加热与井水制冷墙裙板加热模式的可行性;同理,验证制冷模式的可行性。[结果]硬质聚氨酯复合材料的导热系数更低、工作温度更高,选择硬质聚氨酯复合材料作为储能水箱的保温材料。导热金属棒选择热传导率高且成本相对较低的铜作为材料,制作成螺旋结构增加传递接触面积。在加热模式下,太阳能热水器能够提供屋内升高温度所需要的热量。在制冷模式下,储能系统中井水与导热铝板的热流量为1.1 kW,大于导热铝板与空气的热流量0.8 kW。经过2种模式下的热力学计算,验证了太阳能加热与井水制冷墙裙板制冷模式的可行性。[结论]太阳能加热与井水制冷墙裙板储能系统设计具有可行性,可为今后对储能系统的研究和设计提供一种新思路,对新型太阳能储能系统的开发与利用具有十分积极的影响。
实木复合地采暖地板运行工况下的甲醛和VOC释放浓度
朱科, 杜光月, 郑焕琪, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  73-78.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181111
摘要 ( 78 )   HTML   PDF (3291KB) ( 236 )  
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[目的]研究实木复合地采暖地板在冬季运行工况下室内温湿度变化及其对地板甲醛和VOC释放浓度的影响,为地采暖地板使用过程中的室内环境质量控制以及相关地采暖用地板的质量检测标准提供参考依据。[方法]构建一个面积约36 m2的多层实木复合地板辐射供暖系统,供暖末端采用低温热水地板辐射形式。研究供暖季不同运行工况下(包括不同室外温度、不同系统供水温度等)室内温度和湿度分布以及实木复合地采暖地板中甲醛和VOC等有机污染物释放浓度的变化情况,分析地板辐射供暖系统的供热温度分布,探索多层实木复合地采暖地板甲醛和VOC的释放规律及相关影响因素。[结果]在40℃恒定水温地板辐射供暖条件下,室内平均初始温度为14.6℃,甲醛和VOC初始浓度分别为0.01和0.50 mg·m-3,随着持续供暖,室内温度逐渐升高,50 h后室内温度上升为20.3℃,甲醛和VOC释放浓度分别为0.04和0.70 mg·m-3,运行第20天甲醛和VOC释放浓度达到峰值,分别为0.05和0.86 mg·m-3。在供暖温度上升至50℃时,50 h后室内平均温度为24.2℃,甲醛和VOC释放峰值浓度分别上升为0.11和1.01 mg·m-3,在试验供暖周期结束时浓度分别为0.03和0.72 mg·m-3。甲醛和VOC释放浓度与室外温度和室内相对湿度具有一定正相关性,但其波动幅度较小。[结论]多层实木复合地采暖地板的甲醛和VOC释放与室内温湿度都具有正相关性,且受系统运行工况和室外环境的影响;当供暖系统运行温度较高时,在密闭的室内容易造成空气中甲醛等有机污染物含量超标,需进行开窗通风。本研究结果可用于指导实木复合地板采暖系统的使用以及地采暖用地板甲醛和VOC释放限量标准的补充。
气候室智能前馈PID高精度控制方法
郑焕祺, 朱科, 杜光月, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  79-86.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181112
摘要 ( 103 )   HTML   PDF (4162KB) ( 167 )  
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[目的]提出一种智能前馈PID高精度控制方法,解决30 m3气候室控制系统由于加水而出现振荡、使得控制精度达不到标准要求的问题以及系统稳定性和稳态响应较差的现象。[方法]当露点水箱需要补水时,在分析露点水箱温度的基础上,设计前馈PID控制系统和执行机构。待补水水温达到露点水箱温度时,系统自动进行补水,使得经过补水的露点水箱温度扰动最小化,形成全局双闭环控制系统结构,实现动态高精度控制。[结果]1)30 m3气候室的温度和相对湿度控制精度分别在±0.1℃和±1.5%内;2)设定温度23.0℃,相对湿度45.0%,在3~28天内持续运行条件下,非大惯性扰动下的偏差不超过±0.1℃和±2%,且每次自动补水后温湿度振荡时间小于1 h;3)冬季条件下设定温度23.0℃和相对湿度45.0%时,达到设定参数值的过渡过程不超过4 h。[结论]利用智能前馈PID控制方法,能有效解决30 m3气候室控制系统稳定性和稳态响应较差的现象,控制系统精度和控制过程品质可达到现行国际标准要求。
耐热增韧型硼酸/热解油共改性酚醛树脂合成工艺
徐平平, 周玉成, 虞宇翔, 杨科研, 常建民
林业科学. 2018, 54(11):  87-95.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181113
摘要 ( 93 )   HTML   PDF (2386KB) ( 186 )  
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[目的]采用硼酸和热解油对酚醛(PF)树脂进行共改性,研发一种地采暖地板用耐热增韧型改性酚醛(BBPF)树脂,以满足地采暖地板长期处于相对高温和潮湿的环境对胶黏剂的特殊要求。[方法]以树脂固体含量、残碳率、拉伸强度和胶合强度为考察指标,以热解油替代苯酚比例、硼酸添加量(占苯酚质量百分比)和氢氧化钠/苯酚(NaOH/P)摩尔比为考察因素,采用正交试验方法,优化BBPF树脂合成工艺。[结果]1)正交试验极差分析表明,BBPF树脂固体含量、拉伸强度和胶合强度的影响因素主次顺序均为热解油替代苯酚比例、硼酸添加量、NaOH/P摩尔比;BBPF树脂残碳率的影响因素主次顺序为热解油替代苯酚比例、NaOH/P摩尔比、硼酸添加量。2)随热解油替代苯酚比例提高,BBPF树脂固体含量、残碳率和胶合强度均呈下降趋势,拉伸强度呈上升趋势;随硼酸添加量增大,BBPF树脂固体含量、残碳率、拉伸强度和胶合强度均先增大后减小;随NaOH/P摩尔比增大,BBPF树脂固体含量、残碳率和胶合强度均先升高后降低,拉伸强度升高。3)BBPF树脂的优化合成工艺为热解油替代苯酚比例20%、硼酸添加量4%、NaOH/P摩尔比0.5,此工艺下合成的BBPF树脂残碳率在800℃下高达58.10%,其胶膜拉伸强度为3.15 MPa,断裂伸长率为15.7%,胶合强度为1.12 MPa。4)热重分析表明,在0~800℃范围内,树脂质量损失分为4个阶段:第1阶段为30~350℃,树脂中残余水分蒸发,同时伴有树脂后固化,未参与固化的羟甲基被氧化脱除,醚键裂解转化为亚甲基键,甲醛释放,BBPF树脂失重速率极值向高温区移动;第2阶段为350~450℃,树脂中亚甲基键断裂分解,质量损失量较少;第3阶段为450~600℃,酚羟基脱水环化,树脂明显分解,BBPF树脂最大失重速率的温度高于PF树脂和热解油酚醛(BOPF)树脂,低于硼酚醛(BPF)树脂;第4阶段为600~800℃,BBPF树脂在800℃的残碳率高于PF树脂与BOPF树脂,低于BPF树脂。傅里叶变换红外光谱分析显示,BBPF树脂与BOPF树脂的红外光谱在3 420 cm-1处的羟基O-H峰强度略低于PF树脂,且峰变窄;在1 384 cm-1存在B-O键吸收峰,2 924 cm-1处的CH2特征峰、1 047 cm-1处的醚键吸收峰和876 cm-1处的苯环取代基位置峰强度均增强。[结论]采用硼酸和热解油共改性酚醛树脂,硼酸与酚羟基反应可引入高键能的B-O键,热解油的添加可引入柔性分子链段,同时可提高树脂体系交联度、耐热性和韧性。
一种古建筑木立柱CT扫描攀爬机器人
刘存根, 周玉成, 刘晓平, 葛浙东, 罗瑞
林业科学. 2018, 54(11):  96-103.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181114
摘要 ( 108 )   HTML   PDF (4248KB) ( 204 )  
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[目的]研制一种CT扫描攀爬机器人,以实现对古建筑木立柱的CT扫描。[方法]首先,提出CT扫描攀爬机器人的环抱式+旋转机构结构,介绍机器人沿木立柱攀爬的过程,完成机器人控制系统结构设计;然后,采用耦合PD控制算法进行机器人水平伸缩关节力控制研究,采用耦合分段PID同步控制算法进行机器人垂直伸缩关节同步控制研究,实现旋转关节的速度控制;最后,依托所研制的CT扫描攀爬机器人,进行功能测试和控制效果分析。[结果]CT扫描攀爬机器人沿木立柱上下攀爬过程中,水平伸缩关节由初始位置到接触状态的接触检测力为50 N;夹持力设定值为5 000 N时,实际夹持力控制精度可达96.2%,机器人负载能力大于60 kg。垂直伸缩关节位移同步平均误差小于0.5 mm。角速度设定值为3(°)·s-1时,旋转关节角速度最大稳态误差为0.116(°)·s-1,平均误差为0.003(°)·s-1,均满足CT扫描成像要求。[结论]所研制的CT扫描攀爬机器人可沿古建筑木立柱向上或向下攀爬,并通过旋转体携带CT扫描仪对木立柱进行360℃ T扫描,进而完成断层图像重建,可准确评价木立柱的内部特征及健康、安全状况。
CT扫描攀爬机器人模糊PID力控制算法
刘存根, 周玉成, 刘晓平, 张连滨, 刘传泽
林业科学. 2018, 54(11):  104-110.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181115
摘要 ( 355 )   HTML   PDF (3111KB) ( 188 )  
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[目的]提出一种CT扫描攀爬机器人水平伸缩关节夹持力模糊PID控制算法,以实现其夹持力的精确控制,增强对古建筑立木柱的安全保护。[方法]首先,使用巴特沃斯二阶低通滤波器对压力传感器输出值进行滤波,减弱噪声等干扰信号对测量值的影响;然后,以力误差和力误差变化率为系统输入,选择三角函数为隶属度函数进行模糊化处理,根据PID整理规则分别建立PID参数的模糊推理规则,利用系数加权平均法对系统输出进行反模糊化处理;最后,对比分析模糊PID控制算法和耦合PD控制算法的力控制效果。[结果]接触过程中,压力传感器信号经滤波处理后,波动明显减小。夹紧过程中,相比耦合PD控制算法,模糊PID控制算法的夹持力控制精度最大可提高51.8%,相对关节力误差最高可提高99.8%,力调节时间也不同程度优化,且模糊PID控制算法还可消除夹持力调节过程中的超调现象。[结论]巴特沃斯二阶低通滤波可有效滤除压力传感器输出值中噪声等信号的干扰,提高接触检测的可靠性;相比耦合PD控制算法,模糊PID控制算法具有更好的夹持力控制效果,不仅可以提高CT扫描攀爬机器人工作的可靠性,而且能够进一步保证古建筑木立柱的安全。
基于灰度共生矩阵和分层聚类的刨花板表面图像缺陷提取方法
郭慧, 王霄, 刘传泽, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  111-120.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181116
摘要 ( 88 )   HTML   PDF (4325KB) ( 211 )  
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[目的]提出一种基于灰度共生矩阵和分层聚类的刨花板表面图像缺陷提取方法,根据缺陷部分与正常部分纹理特征不同,利用分层聚类算法将缺陷分离出来,以解决板面缺陷检测系统中刨花板表面纹理导致缺陷提取不准确的问题。[方法]将刨花板表面灰度图像划分成若干个窗口,使用灰度共生矩阵的统计特征参数对各窗口纹理进行表征,通过分层聚类算法将纹理特征不同区域区分开。首先确定灰度共生矩阵构造因子的取值,包括窗口大小、灰度级、方向和步长,构建出各个窗口的灰度共生矩阵;使用Fisher准则和线性相关性对灰度共生矩阵14个统计特征参数的表征能力进行度量,选取出分类能力强且相关性低的特征构成特征向量,所有窗口的特征向量构成样本集。然后运用BIRCH分层聚类算法对样本集进行聚类,为使聚类结果更准确,同时加快计算速度,提出一种优化策略,绘制样本集均值和统计直方图,将其波峰数量作为理想的类别数量,当聚类产生的类别数量大于理想类别数量时,将聚类结果中距离近的簇合并,解决聚类精度过高而导致的过分割问题。最后根据聚类结果,对原图像中各窗口进行标记,提取出缺陷区域。[结果]选择大小为512像素×512像素,带有杂物、油污、胶斑、大刨花和松软5种类型缺陷的刨花板表面图像,使用本研究方法能够准确将缺陷区域提取出来,精确度达92.2%,召回率达91.8%。[结论]基于灰度共生矩阵和分层聚类的刨花板表面图像缺陷提取方法,可解决因刨花板表面纹理导致缺陷提取不准确的问题,为机器视觉板面缺陷检测系统的缺陷度量和识别提供良好支撑。
基于随机森林算法的纤维板表面缺陷识别
刘传泽, 王霄, 陈龙现, 郭慧, 罗瑞, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  121-126.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181117
摘要 ( 90 )   HTML   PDF (1155KB) ( 185 )  
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[目的]提出一种基于随机森林(RF)算法的分类模型,以实现纤维板表面大刨花、胶斑、杂物、油污的快速、准确识别。[方法]获取100张规格为4 800 mm×2 400 mm的纤维板表面图像,利用Otsu阈值分割算法对图像进行分割,提取缺陷区域的面积(S)、周长(L)、长宽比(OR)、紧凑性(J)、矩形度(P)、圆形性(O)、灰度均值(u)及灰度的标准差(σD)、平滑度(σP)、偏度(σS)、峰度(σK)和均方根值(σR)12个特征属性的特征值作为试验数据。使用100份试验数据构建RF分类器,采用Bootstrap方法随机抽取2/3数据和8个特征作为输入构建k株决策树,组成RF,以每株决策树袋外数据(OOB)误差率均值作为RF分类器的评估指标确定决策树数量k。采用100张纤维板厂家提供的带有大刨花、胶斑、杂物和油污的纤维板对分类模型进行测试。[结果]当k=600时,RF分类器的OOB误差率均值最低为0.004,利用构建的RF分类器对纤维板厂家提供的100张纤维板进行缺陷识别,正确率为99%,每张纤维板的识别时间为525 ms,在识别时间和正确率上明显优于神经网络(NN)和支持向量机(SVM)。[结论]基于随机森林算法的分类器用于纤维板表面缺陷在线识别具有可行性,能够实现纤维板表面缺陷的快速、准确识别,满足纤维板缺陷在线检测系统的的准确性和实时性要求。
基于CNN的木材内部CT图像缺陷辨识
陈龙现, 葛浙东, 罗瑞, 刘传泽, 刘晓平, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  127-133.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181118
摘要 ( 122 )   HTML   PDF (3206KB) ( 298 )  
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[目的]为获取木材内部构造形态,提高木材内部缺陷识别率,依据获得的计算机断层扫描图像,提出一种基于卷积神经网络(CNN)的木材内部缺陷辨识方法,以实现木材的高效化自动分类。[方法]首先,利用课题组自行开发的计算机断层扫描系统,采集样本木材内部CT图像800幅;然后,对样本图像进行处理,随机选取700幅原始样本图像,从中截取出单个缺陷区域和正常木材断层区域样本图像20 000幅,并利用图像增强等算法将数据集扩充到70 000幅,标准化图像大小为28×28像素,分为正常、裂纹、虫眼和节子图像共4类,取60 000幅图像作为训练集,10 000幅图像作为测试集,剩余的100幅原始样本图像用于试验验证。[结果]通过60 000幅图像来训练网络模型,对测试集10 000幅图像进行分类,分类正确率达99.3%;利用训练得到的网络模型对100幅原始样本图像进行验证,平均分类正确率为95.87%。[结论]基于卷积神经网络的木材内部CT图像缺陷辨识算法,克服了传统识别方法图像预处理繁琐、训练方法复杂、训练参数过多、耗时过多等问题,具有精度高、复杂度小、鲁棒性较好等优点,且辨识正确率和辨识时间都比现行常规算法精准并用时短,是一种无损、高效、准确的辨识分类方法。
人造板表面缺陷检测图像自适应快速阈值分割算法
郭慧, 王霄, 刘传泽, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  134-142.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181119
摘要 ( 134 )   HTML   PDF (2579KB) ( 352 )  
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[目的]提出一种自适应快速阈值图像分割算法,为人造板表面缺陷在线检测提供支持。[方法]首先将整幅图像划分成若干子区域,通过计算子区域的方差对缺陷进行定位,提取出缺陷所在区域,只对缺陷区域进行图像分割,解决小面积目标难以准确分割的问题。然后对缺陷区域的一维灰度直方图进行处理,直方图平滑后去除掉不显著波峰,根据处理后保留的主要波峰数量和位置自适应地确定分割阈值个数以及每个阈值的分割区间,实现当图像中出现多种类型缺陷时算法自动确定分割阈值个数。最后,通过分析Otsu算法,将阈值穷举搜索改进为条件搜索并限定搜索方向,在每个分割区间内使用改进的Otsu算法对阈值进行搜索,提高搜索速度。[结果]对板面存在油污、大刨花、胶斑、杂物、松软5种类型缺陷的人造板表面图像进行分割,在板面缺陷数量、类型不固定的情况下,算法可以自适应地确定分割阈值个数,在15 ms内将各种类型缺陷从人造板表面图像中分割出来,平均分割准确率达97%。[结论]自适应快速阈值分割算法能够快速、准确将缺陷从人造板表面图像中分离出来,在执行速度和分割效果上均满足在线缺陷检测系统的要求,可为人造板表面缺陷在线检测提供新思路。
基于X射线木材断层扫描反投影算法中的最优滤波器选取
罗瑞, 葛浙东, 陈龙现, 刘传泽, 周玉成, 徐文琦
林业科学. 2018, 54(11):  143-148.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181120
摘要 ( 113 )   HTML   PDF (1563KB) ( 155 )  
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[目的]对比X射线计算机断层扫描图像重建算法中常用R-L、S-L、Cosine、Hamming和Hanning滤波器的重建图像效果,分析滤波函数重建图像质量,优选木材断层扫描图像重建中的最佳滤波器,为木材断层成像技术研究提供科学方法。[方法]依据CT成像原理,分析图像滤波过程,探讨不同滤波器工作特性和滤波器的设计步骤。首先将投影数据存放于二进制的二维数组,通过探测点编号和旋转角度确定每一点投影值,根据投影数据序列长度确定滤波器长度,将不同角度下的投影数据前后补零,使其构成3倍于原始长度的投影数据。然后进行一维快速傅里叶变换,并将频域结果与滤波器频域离散形式作乘积,对投影数据进行逐行滤波。最后,将乘积后的滤波结果进行傅里叶反变换得到时域中的投影数据,对比不同滤波器成像结果,对不同滤波器进行评价与分析。[结果]与未进行滤波的反投影重建图像相比,滤波后断层图像生长轮边界更清晰、伪影较少,边缘平滑;未经滤波处理直接反投影重建图像伪影严重,重建效果极差,生长轮、裂缝结构特征不清晰。采用R-L、S-L、Cosine滤波器滤波后断层图像边缘平滑、清晰,无向周边扩散现象,采用Hamming、Hanning滤波器滤波后图像伪影轻微,存在比较明显的波纹状伪影。从各滤波图像与检测模型图像的差异性来看,R-L滤波器滤波后图像质量最高,而Hamming滤波器滤波后结果误差最大。[结论]采用R-L滤波器得到的重建图像误差最小,图像最清晰,空间分辨率高,能有效去除伪影,滤波后的木材断层图像可准确判断缺陷形状、位置和大小。
研究简报
太阳能储能地板设计及传热模型仿真分析
周玉成, 宋明亮, 马岩, 杨春梅, 张佳微, 邓英健, 蒋婷
林业科学. 2018, 54(11):  149-157.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181121
摘要 ( 71 )   HTML   PDF (4739KB) ( 272 )  
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[目的]提出一种新型太阳能储能地板供暖系统,为家用型供暖地板系统的设计和研究提供参考和理论基础。[方法]首先介绍太阳能储能地板总体结构和构成,基于三维软件绘制太阳能储能地板供暖系统的三维实体;然后分析太阳能储能地板的工作原理和传热过程,对室内地板供暖系统的主要工作过程进行分析;最后根据热平衡关系对太阳能储能地板供暖系统中的铝芯-地板-保温层系统传热数学模型,对各控制单元的数学关系模型进行离散化,采用MATLAB软件对数学模型进行仿真,得出铝芯和地板截面的温度分布云,并结合ANSYS软件对铝芯-地板-保温层系统进行仿真,得出系统温度分布云。[结果]由铝芯温度分布云可知,铝芯宽度方向温度传热速度不同,长度方向温度呈中间高、两端低的趋势;总体温度大于30℃的比例较大,且温度分布在40℃左右的区间也较大,铝芯的传热效果较好。通过Origin 9.0软件对提取的数据进行曲线拟合,得到铝芯板材2 m处宽度方向温度分布二次曲线,其相关系数R2=0.989 5,值接近1,曲线拟合效果较好。从地板截面温度分布云可知,地板传热速度较慢,与自身导热系数有关。经过ANSYS软件模拟仿真求解,得到太阳能储能地板供暖系统的温度分布情况,地板面温度分布基本呈两端高、中间低的趋势,最后稳定在24℃左右。试验分析表明,随着时间增加,地板面温度不断升高,升温50 min时,地板面最低温度为20.5℃,拟合度为85.42%,模型准确度较好。[结论]本研究所设计的太阳能储能地板,经模型建立、温度分布仿真及试验验证,理论模型与实际情况的拟合度较高,可为太阳能储能地板设计和研究提供一定思路,有利于新时期太阳能储能地板的发展利用。
地采暖木地板释热温度场的BP神经网络预测
周世玉, 杜光月, 褚鑫, 刘晓平, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  158-163.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181122
摘要 ( 52 )   HTML   PDF (3547KB) ( 192 )  
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[目的]基于测试获取的有限点温度数据,采用BP神经网络对封闭腔内部时间和空间维度的温度场进行预测,为地采暖地板蓄热性能的分析计算提供理论和数据支撑。[方法]基于课题组自行研制的地采暖地板释热温度场测试设备,获取测试腔体内部测点的温度数据,并划分为神经网络训练集和测试集:时间维度上,将每个测点的三维空间坐标和该测点前3个时间节点的温度值作为输入,各个测点第4个时间节点的温度值作为输出,其中,前80组作为训练集,后28组作为测试集;空间维度上,均匀选出总量4/5测温点的数据作为训练集,剩余1/5测温点的数据作为测试集。基于训练集,分别建立时间和空间维度的BP神经网络模型,并由测试集完成对模型的验证。[结果]时间维度上,平均相对误差(MRE)=0.269 2%,最大相对误差(MAE)=5.916 0%,均方误差(MSE)=0.422 4%,拟合度(R2)=0.998 7;空间维度上,MRE=0.364 2%,MAE=4.781 8%,MSE=0.521 9%,R2=0.998 5。[结论]BP神经网络方法预测结果可信度较高,可有效获取地采暖地板检测腔体内部连续完整的温度场,为后续地采暖地板蓄热性能的分析计算提供理论和数据支撑。
木材CT断层成像系统旋转中心校正方法
葛浙东, 戚玉涵, 罗瑞, 陈龙现, 王艳伟, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  164-171.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181123
摘要 ( 100 )   HTML   PDF (2656KB) ( 236 )  
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[目的]构建一套等距扇形X射线束木材CT断层成像系统,提出一种基于正弦图的系统旋转中心校正方法,实现对木材高质量断层成像,为准确获取木材内部结构信息、研究木材结构形态提供技术支持。[方法]首先,分析CT断层成像系统成像原理,验证穿过扫描断层内任意一点的投影地址与旋角度存在一定函数关系,投影地址轨迹在扫描过程中是一条与旋转角度相关的正弦曲线;其次,计算投影地址对称中心与探测器中点的差值,在图像重建过程中,对旋转中心偏移量进行补偿,获得任意一点正确的投影位置;再次,选择直径205 mm、高度400 mm的杉木作为试验对象,分别校正旋转中心偏移量为8、9、10、11、12个探测点,对断层1进行扫描,获得5幅断层图像,并对试验结果进行定量分析;最后,对断层2进行扫描,重建旋转中心校正前后断层图像,并对2幅图像进行评价与分析。[结果]断层1的5幅重建图像均可反映木材内部结构特征,校正数值逐渐接近旋转中心偏移量,峰值信噪比和结构相似度均有所提高,而相对误差均有所减小,图像愈加近似于原始图像,旋转中心校正数值与偏移量相等情况下重建图像效果最好。断层2的2幅重建图像质量差异性较大,校正前图像环形伪影干扰严重,生长轮肉眼难以区分,图像边缘有向周边扩散现象,相近裂纹结构产生假象,而校正后图像无环形伪影干扰,心材生长轮清晰可见,图像边缘无向周边扩散现象,成像质量良好。旋转中心校正后的图像质量远远优于校正前,基于正弦图的系统旋转中心校正方法在木材CT断层成像系统中具有良好的应用效果。[结论]基于正弦图的系统旋转中心校正方法可有效解决木材CT成像系统旋转中心随机偏移问题,抑制环形伪影缺陷,明显提升木材CT断层图像的重建效果。木材CT断层成像系统旋转中心经校正后,重建的木材断层图像可清晰反映裂纹、生长轮、心边材等结构特征,能满足科研、高校、检测检验等机构对木材内部结构的检测与分析要求。
移动人造板高清图像采集方法与装置运动学分析
王霄, 郭慧, 刘传泽, 陈龙现, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  172-179.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181124
摘要 ( 69 )   HTML   PDF (3759KB) ( 223 )  
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[目的]提出一种适用于移动人造板的高清图像采集方法,解决生产线上相机与板材相对运动引起的图像模糊问题,为人造板表面缺陷自动化检测的可靠性提供保证。[方法]通过机械传动方式实现相机对人造板的同步跟踪,从根本上消除运动模糊。采用凸轮作为驱动机构,使相机与人造板同向运动并借助弹簧实现自动复位;通过合理设计凸轮轮廓线达到相机与人造板同向、等速运动的效果,消除相对运动。利用Adams软件进行运动学仿真,考察结构参数对从动件运动行为的影响,得出最优凸轮轮廓线,并开展试验检验凸轮机构运行效果,通过计算所采集在线图像的PSF函数对运动模糊改善程度作出评价。[结果]运动学仿真结果显示,增大基圆半径可降低凸轮转速,减小凸轮和从动件受力,并提高运行稳定性;匀速段压力角与运动周期呈正比,与主动和从动件间的相互作用力呈反比;滚轮半径变化不会影响相机运动规律,但实际轮廓线与滚轮半径不匹配会导致速度波动增大;摆线式加速方式可使相机加速度曲线连续、光滑,避免刚性和柔性冲击,可作为加速方式的首选。最终确定基圆半径80 mm、匀速段压力角20°、滚轮半径13.5 mm以及摆线式加速规律的凸轮机构并完成加工。基于该凸轮机构完成人造板在线图像采集并提取PSF函数以考察模糊改善效果,结果显示,与相机静止拍摄所得图像相比,同步拍摄得到的图像模糊长度显著降低,在速度0.05~1.2 m·s-1范围内维持在±2像素以内,使图像中人造板及其缺陷近乎清晰。[结论]通过运动学仿真与试验相结合的方式验证了利用凸轮机构实现相机对移动人造板同步跟踪的可行性,有效解决了图像运动模糊问题,使得所拍摄图像人造板清晰度大幅提高,并可缓解传统图像处理耗时久的问题,为人造板表面缺陷在线检测创造了可能性,为人造板检测装置设计提供了新思路。
木质地板蓄热性能温度场实时并行采集方法
刘大伟, 杜光月, 褚鑫, 曹正彬, 刘晓平, 周玉成
林业科学. 2018, 54(11):  180-186.  doi:10.11707/j.1001-7488.20181125
摘要 ( 68 )   HTML   PDF (1878KB) ( 138 )  
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[目的]提出一种木质地板蓄热性能温度场实时并行采集方法,为木质地板蓄热性能检测奠定理论和实践基础。[方法]构建真空夹层绝热密闭空间,密闭空间边缘处开有推送口,并由楔形门将其密封。绝热密闭空间内中间部位放置被测样品,在被测样品上下空间内各安装75个传感器,构成2个传感器阵列。传感器阵列群中每个传感器通过单总线方式与控制器I/O口连接,每个I/O口与3个微型传感器以单总线方式连接。测试空间上、下2部分传感器阵列各使用25个I/O口,分别由2个控制器控制,控制器发送匹配、转换命令的同时并行采集转换后的温度值。将具有一定温度的被测样品通过推送口推送至具有一定初始温度的绝热密闭空间内,传感器阵列群实时记录密闭空间内温度场变化,并存储到实时数据库中。[结果]150个温度传感器的数据采集时间为2.4 s,温度采集精度达到±0.1℃,能够满足木质地采暖地板蓄热性能检测和研究的数据需要。[结论]本研究设计的绝热密闭空间温度传感器阵列数据采集系统能够实时、准确采集到试验所需数据,为设备的数据采集和数据分析提供前提,保证了整个检测设备试验结果的可靠性。