ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ «ЖИВОЙ» ДРЕВЕСИНЫ НА СВЧ

АННОТАЦИЯ

В данной работе исследовалась зависимость комплексной диэлектрической проницаемости пород древесины от влажности в диапазоне частот 3 – 9 ГГц. Измерения проводились на векторном анализаторе цепей Agilent Technologies E8363B, в прямоугольном многомодовом резонаторе. Полученные результаты со случайной погрешностью 5 – 10 % хорошо укладываются в рамки известных значений диэлектрической проницаемости выбранных пород, определенных другими методами.

Ключевые слова: диэлектрическая проницаемость, влажность.

Введение

Лесная промышленность не перестает развиваться и с каждым днем все больше предпринимателей предпочитают заниматься оборотом природного ресурса на рынке материалов. Однако современный рынок требует предоставления качественного сырья, что ставит перед компаниями задачу контроля состояния и свойств древесины. Для удовлетворения требований они берут на вооружение автоматизированные системы зондирования, которые могут предоставлять данные в режиме реального времени в лесу, во время производства или в эксплуатации, и способствовать быстрому принятию решений для улучшения процесса производства или характеристик продукта. Эти системы представляют собой датчики электрофизических параметров, которые продолжают совершенствоваться и по сей день.

Целью данной работы является исследование зависимости комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) различных пород древесины от частоты и влажности в СВЧ диапазоне.

Экспериментальная часть

Методика измерений

В качестве измерительной ячейки использовались прямоугольные многомодовые резонаторы двух размеров 58×25×480 мм³ и 35×15×450 мм³, охватывающие диапазон 3 – 9 ГГц. Резонатор через емкостную диафрагму подключался к сверхвысокочастотному тракту векторного анализатора цепей Agilent Technologies E8363B. Другой конец резонатора был закорочен.  В отверстие в середине длины и широкой стенки резонатора помещался образец древесины, волокна которого были параллельны линиям электрического поля. Измерения проводились при комнатной температуре 21±2℃.

Измерения проводились в следующей последовательности: после каждого измерения массы образца, измерялась диэлектрическая проницаемость. Это происходило до того, момента, пока образец полностью не высыхал.

Вычисление действительной и мнимой части диэлектрической проницаемости производились по формулам:

,

где:

 – объем резонатора;

 – объем исследуемого образца (b – высота резонатора, L – длина образца,  – объем образца, S – площадь сечения);

Δf – разность минимальных частот пустого резонатора и с образцом, (уход резонансной частоты);

f₀ – минимальная частота пустого резонатора.

,

где:

 f, f₀ – минимальные частоты резонансных кривых с образцом и без образца;

f₂, f₀₂, f₁, f₀₁ – частоты на уровне половинной мощности с образцом и без образца, соответственно.

Подготовка образцов

Объектом исследования в данной работе были выбраны породы «живой» древесины такие, как ель, сосна, береза и яблоня.

Для измерения комплексной диэлектрической проницаемости в прямоугольном многомодовом резонаторе требовалось из пород древесины изготовить тонкие образцы прямоугольной формы. Исследуемые образцы имели вид длинных стержней с сечением в среднем 2×2 мм². Основные требования, предъявляемые к образцам в работе – размеры образца много меньше размеров резонатора, и соответственно, много меньше длинны волны в нем.

Рисунок 1. Образец для исследования

Влажность древесины в процентах вычислялась по следующей формуле:

,

где:

m – масса образца влажной древесины;

m_сух – масса образца в абсолютно сухом состоянии.

Результаты измерений и обсуждения

Постепенно высушивая образцы, измеряли диэлектрическую проницаемость на фиксированной частоте.

Рисунок 2. Сравнение полученных результатов действительной части диэлектрической проницаемости лиственной древесины с работами предыдущих лет [3, с. 103]

Рисунок 3. Сравнение полученных результатов мнимой части диэлектрической проницаемости лиственной древесины с работами предыдущих лет [3, с. 103]

Рисунок 4. Сравнение полученных результатов действительной части диэлектрической проницаемости хвойной древесины с работами предыдущих лет [3, с. 103]

Рисунок 5. Сравнение полученных результатов мнимой части диэлектрической проницаемости хвойной древесины с работами предыдущих лет [3, с. 103]

Сравнение результатов измерения для «живой» и «неживой» древесины показывает, что диэлектрическая проницаемость – действительная и мнимая компоненты – для выдержанных образцов имеет большие значения, нежели для свежесрезанных образцов. Это объясняется состоянием влаги в древесине. В свежесрезанных образцах вода может находиться в клетках, в стенках клеток и в межклеточном пространстве. По мере уменьшения количества влаги, молекулы воды сначала исчезают из пространства между клетками, потом из стенок клеток, потом из самих клеток. В каждом из этих положений молекулы воды оказываются в разной степени связанности с органической основой древесины. Как известно, связанная вода имеет значение ДП значительно меньше, чем у свободной.

В выдержанной древесине молекулы воды остаются в межклеточном пространстве, как в капиллярах, связанные с органическими стенками – волокнами из целлюлозы и лигнина. По мере увеличения влажности вода переходит в более свободное состояние, и ее диэлектрическая проницаемость увеличивается.

Коэффициент наклона влажностной зависимости ДП характеризует диэлектрическую проницаемость воды в древесине. В связи с тем, что в выдержанных образцах вода находится в более свободном состоянии, наклон линии заметно больше, чем на зависимости ε(W) для «живой» древесины.

Заключение

В результате исследования зависимости комплексной диэлектрической проницаемости различных пород древесины от частоты и влажности было установлено следующее: у диэлектрической проницаемости – действительной и мнимой компоненты – для выдержанных образцов значения больше, нежели для свежесрезанных образцов.

На влажностных зависимостях ДП наблюдается излом, соответствующий переходу воды в древесине в более свободное состояние. Для «живой» древесины наблюдается один излом, в отличие от выдержанной, у которой в исследуемом диапазоне влажностей наблюдается два излома.

Измерения КДП древесины проводились на оборудовании Центра коллективного пользования «Центр радиофизических измерений, диагностики и исследования параметров природных и искусственных материалов».

Список литературы:

1. Басанов Б.В. Метод определения эффективной диэлектрической проницаемости лесного полога / А. Ю. Ветлужский, В. П. Калашников // Журнал радиоэлектроники № 4, 2010. С. 50-66.
2. Калинкевич А.А. Об измерении диэлектрической проницаемости «живой» древесины дерева в целях микроволнового дистанционного зондирования / А.А. Калинкевич, Б.Г. Кутуза, М.С. Крылова, В.М. Масюк Е.А. Хромец, А.Ю. Каковкина, L.P. Lightart // Материалы IV Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 29 ноября -3 декабря 2010. С. 191-195.
3. Кочеткова Т.Д. Диэлектрическая проницаемость хвойных пород древесины в диапазоне частот 3–12 ГГц /Т.Д. Кочеткова, В. И. Сусляев, С. И. Волчков // Вестник СибГАУ. 2013. – № 5 (51). С.101-104.
4. Кочеткова Т.Д. Комплексная диэлектрическая проницаемость древесины в терагерцовом диапазоне / Т.Д. Кочеткова, В.И. Сусляев, К.В. Дорожкин // Известия высших учебных заведений. Физика. 2013. Т. 56. № 8-3. С. 85-87.
5. Царьгородцев Ю.П. Метод и установка для измерения комплесной ДП составляющих растительности в диапазоне частот 30-300 МГц / Ю.П. Царьгородцев, А.А. Чухланцев, В.И. Кобылянский // Лесной вестник. 2005. С 129-140.
6. Bossou O.V. Dielectric measurements of tropical wood / O.V. Bossou, J.R. Mosig, J.F. Zurcher // Journal of the International Measurement Confederation. 2010. V. 43. No. 3. P. 400-405.
7. Goreshev M.A. Dielectric Properties of Birch Wood in the High-Frequency Range / М.А. Goreshev, E.S. Litvishko, V.V. Lopatin // Russian Physics Journal. 2016. P. 1-4.
8. Kabir M.F. Dielectric and ultrasonic properties of rubber wood. Effect of moisture content, grain direction and frequency / M.F. Kabir, W.M. Daud, K.B. Khalid, A.H.A. Sidek // Holz als Roh - und Werkstoff. 1998. V. 56. No. 4. P. 223-227
9. Reci H. Non-destructive evaluation of moisture content in wood using ground penetrating radar / H. Reci, T. Chinh Mai // Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems. 2016. V. 5. No. 2. P. 575-581.
10. Tanaka S. Dielectric anisotropy of oven- and air-dried wood evaluated using a free space millimeter wave / S. Tanaka, K. Shiraga, Y. Ogawa, Y. Fujii, S. Okumura, Togo, H. Kukutsu, N. Mochizuki, S. // Journal of Wood Science. 2013. V. 59. No. 5. P. 367-374.
11. Wang W. Monitoring electrical properties of thermally modified wood as a possible tool for quality assessment / W. Wang, Y. Zhy, J. Cao, P.D. Kamdem // Holzforschung. 2016. V. 70. No. 4. P. 351-359.