无损档案纸张测量仪和同时测量纸张含水量与厚度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种无损档案纸张测量仪和测量档案纸张含水量和厚度的方法，无损档案纸张测量仪包括平行相对的测量极板，测量极板在测量时贴合在纸张的表面，测量极板分别电连接于测量电路。本发明还公开了一种测量档案纸张含水量和厚度的方法，先采取直流电阻法、脉冲电阻法或交流阻抗法测量纸张的含水量；然后采取电容法测量纸张的厚度，在根据测量得到的电容值计算纸张厚度时，根据纸张含水量调整纸张的介电常数。本发明的测量仪和测量方法具有如下有益效果，极板的板状结构适用于历史档案纸张，不会造成任何损害。此外，在同时安装有电阻和电容极板时，可同时测量被测纸张的厚度和含水量，相对便捷。
【专利说明】
无损档案纸张测量仪和同时测量纸张含水量与厚度的方法
技术领域
[0001] 本发明测量技术领域，具体设及一种无损档案纸张测量仪和一种同时测量纸张含 水量与厚度的方法。
【背景技术】
[0002] 目前在档案保护的实践工作中，仍W纸质档案的保护与修复为主。对于珍贵的纸 质历史档案、古籍、书画等，衡量其保存状况的重要指标之一就是厚度和含水量。纸张厚度， 对于修棟和纸浆修补过程具有重要意义，也是衡量纸张性状的主要物理参数之一。纸张的 含水量，对于评估其保存状态、判断是否有潜在生霉风险等方面具有重要意义，例如纸张含 水量过高，不仅容易滋生霉菌及虫害，而且老化降解速度会加快。故纸张厚度和含水量是档 案管理修复工作中需要测量的两个重要参数。
[0003] 现有技术中，关于纸张厚度测量，推荐性国家标准《纸和纸板厚度的测定KGB/ T451.3-2002)中推荐采用千分尺测量，存在不便携带的问题。关于纸张含水量的测量，推荐 性国家标准《纸、纸板和纸浆分析试样水分的测定KGB/T462-2008)中推荐采用高溫加热 法，存在着损坏纸张的缺陷，并且还有存在测量时间太长的问题。
[0004] 现有技术中，存在着多种测量纸张含水量的方法，例如电阻法、微波法、红外法、高 周波等方法，都不能同时测量纸张的厚度。即目前还没有一种可W对纸张无损且同时测量 纸张含水量和厚度的装置及方法。
[0005] 由于电阻测量含水量原理及方法非常成熟，商品仪器及文献常见，应用于木材、棉 花、谷物等含水量的检测，且电阻法测量纸张含水量的商品仪器型号有Delmhorst P-2000， HT-904，Kett皿-300等等，但多为金属探针式电阻测湿仪。现有的仪器采用探针与纸张接 触，然后根据两个探针之间的电阻来确定含水量，其原理是根据纸张含水量与电阻之间存 在的数学模型关系而确定，运是现有技术中的公知技术，不再寶述，可参考文献一:《纸张水 分测量系统的数学模型》，作者张剑，载《1996中国控制与决策学术年会论文集》第1223- 1225页。现有仪器采用探针的缺陷在于，探针的形状会对质量较差的纸质档案造成破坏。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的上述缺陷，本发明要解决的一个技术问题是，提供一种无损 测量档案纸张含水量或厚度的测量仪。
[0007] 本发明要解决的另外一个技术问题是，提供一种可W同时无损测量档案纸张含水 量及厚度的测量仪。
[000引本发明要解决的再一个技术问题是，提供一种可W同时无损测量档案纸张含水 量、厚度、溫度和纸张表面酸碱度的便携式电子仪表。
[0009]为解决上述技术问题，本发明首先提供了一种无损档案纸张测量仪，包括平行相 对的测量极板，所述测量极板在测量时贴合在纸张的表面，所述测量极板分别电连接于测 量电路。
[0010] 作为优选，所述测量极板包括一对电阻极板和一对电容极板，所述电阻极板与含 水量测量电路电连接，所述电容极板与厚度测量电路连接。
[0011] 作为另一种优选方案，所述测量极板包括两对电阻极板和两对电容极板，所述电 阻极板与含水量测量电路电连接，所述电容极板与厚度测量电路连接。每对电阻极板相对 设置，每对电容极板也相对设置，增加电阻和电容极板的目的是通过增加测量点，对多个取 样点进行测量，从而提高测量的准确性。
[0012] 作为优选，所述测量极板共一对，每个极板分别兼作为电阻极板和电容极板，并与 含水量测量电路和厚度测量电路电连接。
[0013] 作为优选之一，其中一个实施例的无损档案纸张测量仪还包括"八"字形或"X"形 设置的测量夹，所述测量极板设置于所述测量夹的前端，所述测量夹上设有弹性部件，使得 相对的测量极板与纸张保持压力。
[0014] 作为优选之一，其中一个实施例的无损档案纸张测量仪，还包括前端为"U"形的测 量夹，所述"U"形的测量夹包括用于安装所述测量极板的两片夹板和用于安装所述夹板的 连接板，所述夹板与连接板滑动连接，所述连接板上设置有手柄。
[0015] 进一步地，所述夹板之间设有弹性部件，使得相对的测量极板与纸张保持压力。
[0016] 进一步地，所述两片夹板之间通过螺杆和锁紧螺母的配合结构使相对的测量极板 对纸张保持压力。
[0017] 此外，每个极板上分别设有溫度或酸碱度传感器，并与相应的测量电路电连接。
[0018] 本发明还提供了一种测量档案纸张含水量和厚度的方法，采取直流电阻法、脉冲 电阻法或交流阻抗法测量纸张的含水量;采取电容法测量纸张的厚度，在根据测量得到的 电容值计算纸张厚度时，根据纸张含水量调整纸张的介电常数。
[0019] 作为优选，在采取电容法测量纸张厚度时，电容的极板与纸张直接接触。
[0020] 本发明的测量仪和测量方法具有如下有益效果，极板的板状结构适用于历史档案 纸张，不会造成任何损害。此外，在同时安装有电阻和电容极板时，可同时测量被测纸张的 厚度和含水量，相对便捷。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的实施例一的无损档案纸张测量仪的结构示意图；
[0022] 图2为图1所示的无损档案纸张测量仪在测量时的示意图；
[0023] 图3为本发明的实施例二的无损档案纸张测量仪的结构示意图；
[0024] 图4为本发明的实施例=的无损档案纸张测量仪的结构示意图；
[0025] 图5为本发明的实施例四的无损档案纸张测量仪的结构示意图；
[0026] 图6为本发明的实施例五的无损档案纸张测量仪的结构示意图；
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限 定。
[002引实施例一
[0029]本发明的无损档案纸张测量仪，包括平行相对的测量极板，所述测量极板在测量 时贴合在纸张的表面，所述测量极板分别电连接于测量电路。如图I所示，在实施例一中，测 量极板包括一对电阻极板Ml和M2和一对电容极板Cl和C2,所述电阻极板Ml、M2与含水量测 量电路电连接，所述电容极板C1、C2与厚度测量电路连接。如图1所示，电阻极板Ml、M2W及 电容极板Cl、C2分别通过电线4与相应的电路电连接。其中的含水量测量电路根据采用的测 量方法不同而采取不同的电路结构，在实施例一中，含水量的测量采取直流电阻法，故其电 路采取与文献一《纸张水分测量系统的数学模型》中的电路结构。其中采取电容法测量厚度 的测量电路可参看文献二《实用电子测量技术及其电路精解K《实用电子测量技术及其电 路精解》卢文科编著国防工业出版社2000年第167~173页第八节一、电容式纸张厚度的测 量方法）。电阻法测量含水量和电容法测厚度的电路结构部分为本领域的常规技术，在此不 再寶述。
[0030] 请继续参看图1和图2,实施例一中，相对的极板固定于"八"形的的测量夹2上，测 量夹2的前端为安装电阻极板和电容极板的夹板21，后端为把手22,两个把手22的中部分别 设置有叶片31，两个叶片31通过转轴3转动连接，通过手握把手22的尾部可将相对的夹板21 张开，从而带动极板张开，在其内放入待测量的纸样100后，松开把手22,使相对的极板与纸 样100的表面贴合，即可开始测量，为了使极板与纸样100的表面保持较好的贴合，可在转轴 出设置弹黃，弹黃对叶片31施加预紧力而使张开的夹板21具有相向运动的趋势，从而使测 量夹2的两个夹板21上的极板对纸样100的表面保持一定的夹持力，此夹持力WlON左右较 宜。
[0031] 其中的测量夹2的形状除了如图1所示的"八"字形外，还可W设置成如剪刀一样形 状的"X"形状。此外，为了使两个夹板21对纸样100保持一定的夹持力，还可W通过在测量夹 2的两个把手22尾端设置压缩状态的弹黃来实现，或者在两个把手22位于转轴3之前的部分 之间设置拉伸状态的弹黃来实现，由弹黃的弹力作为动力，来实现两个夹板21上的极板对 纸样100的表面保持一定的压力。
[0032] 本实施例的优点在于，采取板状形状的极板来作为电阻和电容的传感器结构，适 用于历史档案纸张，不会造成任何损害。实施例一中，每个夹板21同时安装有电阻极板和电 容极板，同时测量被测纸张厚度和含水量，相对便捷。
[00削实施例二
[0034] 如图3所示，实施例二与实施例一的区别在于，所述测量极板共一对，所述测量极 板为电阻极板Ml和M2，只能用于测量电阻。
[0035] 此外，还可W采用复合的金属极板，即将每个电阻极板Ml和M2分别兼作为电阻极 板和电容极板，并分别与含水量测量电路和厚度测量电路电连接。运样用一对极板即可实 现同时测量电阻和电容，其缺点在于，可能产生的寄生电容会影响测量的精确性。
[0036] 实施例S
[0037] 如图4所示，实施例S与实施例一的区别在于，所述测量极板共两对，但是测量极 板均为电阻极板，分别为电阻极板M1、M2、M3和M4，只能用于测量电阻。实施例S的好处在 于，可W通过测量上表面两极板M1、M3之间的电阻Rx化麵)得到上表面含水量;通过测量下表 面两极板M2、M4间的电阻Rx作麵)得到下表面含水量;还可W通过测量左侧的上、下表面的两 个极板Ml、M2间电阻Rx庙),得到纸样100左侧的体积含水量;通过测量右侧上下表面金属极 板间电阻Rx(右),得到张100右侧的体积含水量。实施例S采用双夹电阻极板进行测试，可W 测量待测纸样100上、下表面含水量及体积含水量等参数。
[003引实施例四
[0039] 如图5所示，实施例四与实施例一的区别在于，所述测量极板共两对，但是两对测 量极板均为电容极板，分别为相对的电容极板Cl、C2、和相对的电容极板C3、C4，组成两个电 容传感器。其中，由测量电容极板Cl和C2的纸间电容得到夹板21左半部的纸样100的厚度； 由测量电容极板C3和C4纸间电容得到夹板21右半部的纸样100的厚度;故可得到两个测试 点的纸样厚度值，方便对比。此外还可W增加更多的测试点的数量，也就是增加电阻极板和 电容极板的对数，例如可W采用测量极板包括两对电阻极板和两对电容极板的方案，所述 电阻极板与含水量测量电路电连接，所述电容极板与厚度测量电路连接。每对电阻极板相 对设置，每对电容极板也相对设置，增加电阻极板和电容极板的目的是通过增加测量点，对 多个取样点进行测量，从而提高测量的准确性，并可W对多个点的测量值进行对比。
[0040] 在上述实施例一至四中，均利用直流电阻法测量被测纸张上下表面的电阻值，通 过电阻值与含水量的关系模型计算纸张含水量。其原理和模型详见文献一，《纸张水分测量 系统的数学模型》，其过程简要叙述如下，电阻值Rx的对数与含水量(率)W呈如下的线性关 系，
[0041] 数学模型如下：
[0042] 拟合In(Rx)=B ? ln(W)+b，a、b为常数;公式（1)
[0043] 研究发现，纸张的含水量与纸张类型（如纸张聚合度Dp值、灰分等)有关，不同纸张 类型可W和标准试验纸张类型建立简化的线性校准关系，W修正测量误差；或者在参比标 准试验纸张类型，进行相对评价。其中的常数a，b根据纸张的类型，可通过对标准试验纸张 进行测量后确定，故根据测量得到的Rx,得到W的测量值Wi區，然后再根据不同的纸张类型， 采取如下的公式(2)进行校准，得到W校隹
[0044] W灘=1:*%屋+C;公式（2)
[0045] 公式(2)中的t和C为校正常数，由纸张类型而决定，常见类型纸张的参数值如表1 所示。
[0046] 表1-公式2中的校正常数的取值 r00471
[0048] 表1中的参数的竖直也是采用标准试验纸张进行测量后，对比实际测量值和实际 的含水量进行确定的。
[0049] 通过实际测量，本发明的无损档案纸张测量仪的测试范围为，纸张含水量4~ 30%，测量误差为±2%;可W满足档案纸张测试的需要。并且采取图4所示的方案，可同时 测量到纸张上下表面和纸间的含水量数据，含水量数据较为全面。
[0050] W下简要介绍本发明实施例采取电容法测量厚度的原理，其所使用的电路图为本 领域的常规的电路，具体请参考文献二:《实用电子测量技术及其电路精解K卢文科编著国 防工业出版社2000年第167~173页第八节一、电容式纸张厚度的测量方法）。其基本原理是 根据两金属极板之间的电容与其距离成反比，与极板之间的物质的介电常数成正比。请参 考图1或者图5的实施例，由于本发明的实施例，在测量过程中，极板紧密贴合纸张表面（由 于并列的电阻极板需贴合于纸张表面)及电容测厚的原理：
[0051] (a)静态时，两个电容极板Ci、C2之间的距离d = 0;此时没有电容；
[0052] (b)测量时，两个电容极板Ci、C2之间的距离d等于待测纸样100的厚度d2;此时测量 得到的电容值为C = C2，根据电容公式，
[0化3]
[0化4] 巧化浩卸纸持的厚度公式；
[0 化 5] , 公式（3)
[0化6] 其中，川:真空的介电常数8.85 XlQ-I申/m;
[0057] ￡2:纸介质的相对介电常数；
[005引S:电容极板面积，为固定值；
[0059] C:为测量得到的电容值。
[0060] 纸介质的相对介电常数在2.0~2.5之间，但和纸张的类型有关，也和含水量相关， 随着含水量增加而增加。
[0061] 利用通过电阻法测量得到含水量，可W通过插值法得到修正后的。值。即在干燥 状态的纸样的相对介电常数的基础上，根据含水量进行插值法得到修正。电阻法测量得到 的含水量值，为电容测量纸张厚度提供介电常数的校准值，减小误差。
[0062] 采用图5所示的实施例，相对的电容极板Cl、C2 W及相对的电容极板C3、C4组成两组 电容传感器，可W同时测量两个不同位置的纸张厚度。对于厚薄不均匀的历史档案及年代 久远纸张，更具有实际意义。
[0063] 上述实施例所采用的电容测厚的原理较简单，测量电容的电路也比较简单常用， 例如采用方波发生器，使待测电容产生一定的频率，再利用频压转换器件把频率信号转换 为电压信号来测量(常用技术方案可不用寶述）。
[0064] 测量厚度范围:0~2000WI1，完全满足档案纸张厚度测量的需要。
[0065] 测量误差为:0~200皿±2.5%;
[0066] 200 ~2000皿 ±2%。
[0067] 实施例五
[0068] 如图6所示，本发明的实施例五的无损档案纸张测量仪，与上述的实施例不同的是 测量夹的结构不同，前端为"U"形的测量夹，所述"U"形的测量夹包括用于安装所述测量极 板的两片夹板21和用于安装所述夹板21的连接板24,夹板21与连接板24滑动连接，连接板 24上设置有手柄25。夹板21之间设有弹性部件（图中未示出），例如弹黃等产生弹力的部件， 使得相对的测量极板对其中的纸张保持压力。每个夹板21上分别设有电阻极板和电容极 板，相对的电阻极板M1、M2组成电阻传感器，相对的电容极板C1、C2组成电容传感器。可采用 手推夹板21贴合于待测量的纸样表面的方式来进行测量。
[0069] 作为优选方案，如图6所示，两片夹板21之间通过穿过两片夹板21的螺杆7(图中仅 一粗实线表示)和安装于螺杆7-端锁紧螺母的配合结构使相对的测量极板对纸张保持压 力。也即是通过旋转锁紧螺母(图中），使夹板21W及其上的测量极板(包括电阻极板和电容 极板)仅贴于纸样上，通过进一步旋转锁紧螺母增加对纸张的压力。
[0070] 在上述的任何一个实施例中，还可W在每个极板上分别设有溫度或酸碱度传感 器，并与相应的测量电路电连接，用于测量纸张的溫度和酸碱度(pH值）。
[0071] 需要指出的是，在电子测量技术领域，电阻的测量有许多方法，本实施例采用直流 电阻法，相对简单易行。另有脉冲电阻法和交流阻抗法等改进方法，可W作为电阻测量替代 方案:脉冲电阻法，利用测量电阻脉冲信号宽度的方法得到被测电阻值;交流阻抗法，利用 交流信号激励测得被测纸张的交流阻抗也可W间接得到含水量(阻抗和含水量的关系与电 阻和含水量的关系类似）；运些均是现有技术中常用的测量技术手段，不再寶述。
[0072] 机械测量夹可W有多种改进形式，也可W用分离-紧锁机械器件来代替，如螺丝螺 母等代替。双夹结构相比较单夹结构，可W使各个金属极板传感器都更紧密地贴合测量纸 样表面。
[0073] 测量纸张含水量与厚度的方法的实施方式的描述
[0074] 通过上文对无损档案纸张测量仪的测量原理和测量过程的描述可W看出，本发明 同时还提供了一种同时测量档案纸张含水量和厚度的方法，采取直流电阻法、脉冲电阻法 或交流阻抗法测量纸张的含水量；
[0075] 采取电容法测量纸张的厚度，在根据测量得到的电容值计算纸张厚度时可根据上 述步骤中得到的纸张含水量调整待测纸张的相对介电常数。其中测量含水量和测量厚度的 过程可W采用如图2所示的实施例一中的无损档案纸张测量仪进行同时测量，还可W先测 量含水量，再测量厚度，在使用电容法测量厚度的时候，根据含水量数据校正纸张的相对介 电常数，使测量结果更加准确。
[0076] 在上述实施例中，采取电容法测量纸张厚度时，电容的极板与纸张直接接触。故根 据公式(3)计算纸张的厚度。但本发明的方法并不限于此，还可W采用在固定的两个电容极 板之间插入待检测的纸张，根据其电容的变化来计算插入的纸张的厚度，运是现有技术中 的成熟的方法，不过采取此办法时，也需要先测量含水量，然后测量厚度，不能同时测量(因 为没有接触纸张表面，所W没法测量含水量）。而且此时，在测量厚度时，同样需要考虑纸样 的相对介电常数根据含水量进行校正的因素。如参考文献二中所描述的即是固定电容极板 间距的纸张厚度测量原理及方法，本发明通过调整极板间距等于待测纸张厚度的方法简化 了电容纸张厚度测量模型公式，并且可W同时测量纸张厚度和含水量。
[0077] 本领域的技术人员，应该了解，本发明中的电阻极板和电容极板均为金属极板。
[0078] 当然，W上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 无损档案纸张测量仪，其特征在于，包括平行相对的测量极板，所述测量极板在测量 时贴合在纸张的表面，所述测量极板分别电连接于测量电路。2. 如权利要求1所述的无损档案纸张测量仪，其特征在于，所述测量极板包括一对电阻 极板和一对电容极板，所述电阻极板与含水量测量电路电连接，所述电容极板与厚度测量 电路连接。3. 如权利要求1所述的无损档案纸张测量仪，其特征在于，所述测量极板共一对，每个 极板分别兼作为电阻极板和电容极板，并与含水量测量电路和厚度测量电路电连接。4. 如权利要求1-3任一项所述的无损档案纸张测量仪，其特征在于，还包括"八"字形或 "X"形设置的测量夹，所述测量极板设置于所述测量夹的前端，所述测量夹上设有弹性部 件，使得相对的测量极板与纸张保持压力。5. 如权利要求1-3任一项所述的无损档案纸张测量仪，其特征在于，还包括前端为"U" 形的测量夹，所述"U"形的测量夹包括用于安装所述测量极板的两片夹板和用于安装所述 夹板的连接板，所述夹板与连接板滑动连接，所述连接板上设置有手柄。6. 如权利要求5所述的无损档案纸张测量仪，其特征在于，所述夹板之间设有弹性部 件，使得相对的测量极板与纸张保持压力。7. 如权利要求5所述的无损档案纸张测量仪，其特征在于，所述两片夹板之间通过螺杆 和锁紧螺母的配合结构使相对的测量极板对纸张保持压力。8. 如权利要求1-3任一项所述的无损档案纸张测量仪，其特征在于，每个极板上分别设 有温度或酸碱度传感器，并与相应的测量电路电连接。9. 一种测量档案纸张含水量和厚度的方法，其特征在于， 采取直流电阻法、脉冲电阻法或交流阻抗法测量纸张的含水量； 采取电容法测量纸张的厚度，在根据测量得到的电容值计算纸张厚度时，根据纸张含 水量调整纸张的介电常数。10. 如权利要求9所述的测量档案纸张含水量和厚度的方法，其特征在于，在采取电容 法测量纸张厚度时，电容的极板与纸张直接接触。
【文档编号】G01B7/06GK105953719SQ201610467116
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】方志华
【申请人】国家档案局档案科学技术研究所