木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究綜述

王鳳清 徐利龍

(綏陽(yáng)林業(yè)局，黑龍江 綏陽(yáng) 157212)

木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是指通過(guò)當(dāng)今先進(jìn)的電子、光學(xué)和計(jì)算機(jī)等技術(shù)結(jié)合木材本身的特性對(duì)木材性質(zhì)進(jìn)行非破壞性檢測(cè)的技術(shù)。木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)最初于20世紀(jì)60年代后期在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家興起，用于原木的分等及木制品的質(zhì)量評(píng)價(jià)，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展為木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)提供了新的理論和物質(zhì)基礎(chǔ)，使木材檢測(cè)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，運(yùn)用于木材無(wú)損檢測(cè)的方法也由最初的幾種增加到幾十種，而且可檢測(cè)范圍也涵蓋了原木、木制品及活立木的物理力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、內(nèi)部缺陷和生長(zhǎng)特性等，在眾多的木材檢測(cè)方法中，發(fā)展最成熟，應(yīng)用最廣泛的方法主要有：X射線檢測(cè)、應(yīng)力波檢測(cè)、超聲檢測(cè)等。

1 木材無(wú)損檢測(cè)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 X射線檢測(cè)

1.1.1 基本原理

X射線的特點(diǎn)是具有很強(qiáng)的穿透性，能夠穿透可見(jiàn)光不能穿透的物體，而且在穿透物體的同時(shí)將和被檢測(cè)物體發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)作用，如果被檢測(cè)物體的組成不均勻或存在缺陷，就會(huì)引起透射射線強(qiáng)度的變化，那么利用感光膠片來(lái)體現(xiàn)出射線強(qiáng)度的變化，就可以對(duì)被測(cè)物體性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。

1.1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

早在上世紀(jì)60年代木材檢測(cè)技術(shù)剛剛興起時(shí)，法國(guó)林業(yè)科學(xué)家就利用X射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)木材的密度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，Schajer[1]于2001年使用X射線對(duì)木材的彎曲強(qiáng)度及內(nèi)部的節(jié)子和位置進(jìn)行了研究，研究表明，利用X射線檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)?nèi)部節(jié)子和位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，同時(shí)能夠預(yù)測(cè)木材的彎曲強(qiáng)度，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.82；日本東京大學(xué)應(yīng)用X射線檢測(cè)技術(shù)結(jié)合CT成像技術(shù)研制出一種便攜式檢測(cè)木材年輪的裝置，利用該裝置可以快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)木材的密度、年輪數(shù)及年輪寬度。

許文臺(tái)[2]于1979年應(yīng)用X射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)落葉松、杉木、水曲柳等樹(shù)種的密度進(jìn)行了研究，同時(shí)研究了木材密度、晚材率與年輪寬度之間的聯(lián)系。馮星球等[3]利用X射線檢測(cè)技術(shù)研制出一套木制品在線檢測(cè)裝置，利用該裝置可測(cè)量刨花板和纖維板厚度方向的密度分布值。吳海軍[4]應(yīng)用X射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)細(xì)木工板缺陷進(jìn)行研究，并對(duì)缺陷進(jìn)行了成像處理，研究表明X射線成像方法能夠?qū)⒓?xì)木工板膠接處的情況清晰呈現(xiàn)。李永生[5]對(duì)X射線檢測(cè)木材缺陷成像技術(shù)進(jìn)行了研究，運(yùn)用模糊分析對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理，處理后的圖像清晰度明顯增加，對(duì)木材內(nèi)部缺陷的檢測(cè)效果明顯。

1.2 應(yīng)力波檢測(cè)

1.2.1 基本原理

應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)的基本原理是給木材或木制品施加一定的機(jī)械應(yīng)力，被測(cè)物體在受應(yīng)力作用時(shí)就會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力波傳播，由于木材內(nèi)部的缺陷或品質(zhì)的變化，波的傳播時(shí)間就會(huì)不同，通過(guò)一定的裝置或手段收集波的傳播時(shí)間及根據(jù)木材動(dòng)彈性模量E、應(yīng)力波傳播速度V及木材的密度ρ之間的關(guān)系E=ρV2就能對(duì)被測(cè)物的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Ross[6]等于1962年最早利用應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)對(duì)紅橡樹(shù)立木腐朽部位進(jìn)行檢測(cè)。1994年ward[7]等人用應(yīng)力波技術(shù)對(duì)厚度為30mm、長(zhǎng)度為150～230mm的板材進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明應(yīng)力波在有缺陷的板材中的傳播時(shí)間比在正常板材中的傳播時(shí)間要長(zhǎng)，通過(guò)傳播時(shí)間的不同就可以判斷木材內(nèi)部是否有缺陷，檢測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)93%。2004年Brashaw[8]采用應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)和信號(hào)分析方法對(duì)干、濕兩種狀態(tài)下板材應(yīng)力波傳播速度進(jìn)行研究，結(jié)果表明，應(yīng)力波在生板材中的傳播速度與板材干燥后的傳播速度具有較強(qiáng)的線性關(guān)系。

1996年鐘建友[9]等人研究了人造孔洞對(duì)應(yīng)力波傳播速度的影響，實(shí)驗(yàn)中選用花旗松、美國(guó)西部鐵杉、中密度纖維板作為試樣，研究表明木材鉆孔后，應(yīng)力波傳播速度有所降低，但與鉆孔位置關(guān)系不明顯。2004年王立海[10]等人系統(tǒng)地對(duì)應(yīng)力波在原木中的傳播理論進(jìn)行了初步研究，并對(duì)部分原木內(nèi)部腐朽嚴(yán)重的試件進(jìn)行了應(yīng)力波二維圖像成像研究。2007年張希棟[11]等研究了在應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)中不同傳感器數(shù)量、不同樹(shù)種不同含水率及不同敲擊力度等對(duì)應(yīng)力波傳播速度及成像的影響。2008年王洋[12]等人研究了應(yīng)力波在凍結(jié)狀態(tài)白樺活立木中傳播速度，研究表明，凍結(jié)狀態(tài)下的徑向傳播速度明顯高于常溫情況，同時(shí)含水率對(duì)縱向傳播速度有較大影響，二者成負(fù)相關(guān)。2010年游翔飛[13]對(duì)應(yīng)力波檢測(cè)木材缺陷中實(shí)現(xiàn)的二維圖像進(jìn)行處理及信息提取，最終實(shí)現(xiàn)了原木內(nèi)部腐朽三維結(jié)構(gòu)形狀的重現(xiàn)。

1.3 超聲波檢測(cè)

1.3.1 基本原理

超聲波檢測(cè)木材的原理主要是超聲波在介質(zhì)傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生衰減和散射，而當(dāng)木材中存在缺陷或木制品品質(zhì)發(fā)生變化時(shí)超聲波的傳播就將產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換，通過(guò)接收反射的超聲波在儀器內(nèi)部的電路處理，根據(jù)波形的變化特征就能判斷木材內(nèi)部的缺陷位置、形狀及品質(zhì)變化。

1.3.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1984年Bucur[14]等利用超聲波測(cè)量了北美6個(gè)樹(shù)種木質(zhì)材料的彈性性能及剛度；Istvan[15]等人運(yùn)用了超聲波波形的傅立葉變換和頻譜分析技術(shù)，對(duì)超聲波在阿伯拉橡膠樹(shù)木棒中的傳播做了研究；Wilcox[16]等利用超聲波檢測(cè)對(duì)木材結(jié)構(gòu)中的腐朽缺陷做了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)；Sandoz[17]等在野外實(shí)地利用超聲波對(duì)木梁強(qiáng)度做了精確的評(píng)估；Niemz[18]等研究了刨花板的超聲波傳播速度，認(rèn)為抗彎彈性模量與超聲波傳播速度之間有著密切相關(guān)性，同時(shí)在研究中發(fā)現(xiàn)膠粘劑的含量和刨花板密度對(duì)超聲波傳播速度有著重要影響。

戴澄月[19]等采用超聲波脈沖首波等幅法，測(cè)試了紅松、興安落葉松、水曲柳和紫椴4種干材的順紋和橫紋超聲速度及超聲彈性模量，并分析了超聲參數(shù)與木材順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的相關(guān)性。嵇偉兵[20]等以杉木板材為樣品，利用超聲波測(cè)試儀對(duì)其動(dòng)態(tài)彈性模量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95；于文勇[21]通過(guò)一發(fā)多收超聲波檢測(cè)法，分別對(duì)無(wú)任何缺陷的木材試樣和孔洞直徑大小不同的木材試樣進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比，找出有利于木材橫紋方向孔洞檢測(cè)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在木材橫紋方向上的孔洞檢測(cè)；林文樹(shù)[22]等通過(guò)超聲波傳播參數(shù)和木材彈性模量的相應(yīng)變化來(lái)確定木材內(nèi)部是否存在缺陷，并得出在孔洞較小時(shí),無(wú)孔洞波形圖與帶有孔洞波形圖相差不大,但隨著木材內(nèi)部缺陷程度的增加,波形的變化非常明顯；江京輝[23]等利用超聲波無(wú)損檢測(cè)法獲得人工林杉木足尺規(guī)格材的動(dòng)態(tài)彈性模量；劉鐵男[24]應(yīng)用計(jì)算機(jī)層析算法對(duì)木材超聲波進(jìn)行處理，獲得了木材內(nèi)部缺陷的超聲波二維圖像。

2 木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)存在的問(wèn)題及發(fā)展方向

2.1 木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中存在的問(wèn)題

對(duì)于現(xiàn)代林業(yè)來(lái)說(shuō)，對(duì)木材及木制品實(shí)施必要的檢測(cè)技術(shù)可以提高木材利用率、繁榮木材交易市場(chǎng)，使木材能夠材盡其用，適材適用。而從國(guó)內(nèi)外林業(yè)研究人員的研究成果發(fā)現(xiàn)，雖然檢測(cè)方法多種多樣，而且結(jié)合了當(dāng)今科技的最新研究成果，但是對(duì)于木材檢測(cè)這一特殊的問(wèn)題上，還存在諸多問(wèn)題，如：對(duì)于X射線檢測(cè)技術(shù)來(lái)說(shuō)，檢測(cè)結(jié)果需要通過(guò)膠片成像來(lái)體現(xiàn)，這無(wú)疑就增加了檢測(cè)時(shí)間和檢測(cè)成本，不適用于大批量檢測(cè)，而且由于儀器的原因，不適合于在線檢測(cè)與野外檢測(cè)；對(duì)于應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)來(lái)說(shuō)，雖然具有操作簡(jiǎn)單、方便的優(yōu)點(diǎn)，但是施加機(jī)械應(yīng)力的大小和位置，被測(cè)物的狀態(tài)等都會(huì)對(duì)最后的檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響；對(duì)于超聲波檢測(cè)技術(shù)來(lái)說(shuō)，在檢測(cè)過(guò)程中需要用到耦合劑，這就增加了檢測(cè)成本及檢測(cè)時(shí)間，不適合野外檢測(cè)。對(duì)于木材檢測(cè)的特殊性，需要檢測(cè)方法具有快速、方便、準(zhǔn)確、低成本、無(wú)損、適合大批量檢測(cè)、野外檢測(cè)及在線檢測(cè)等特點(diǎn)，這也是未來(lái)木材檢測(cè)發(fā)展趨勢(shì)所在。

2.2 木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向

2.2.1 便攜式木材性質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)

由于木材分布及木材生產(chǎn)的特殊性，經(jīng)常需要進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)及野外檢測(cè)等，所以要求木材無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)簡(jiǎn)單快速、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

2.2.2 木材聯(lián)合化檢測(cè)

由于目前應(yīng)用于木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)比較多，都各具特點(diǎn)又各有局限性，而在今后的木材檢測(cè)技術(shù)研究中應(yīng)結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn)，采用多種方法聯(lián)合檢測(cè)，根據(jù)被檢測(cè)木材的形式及特性采用不同的聯(lián)合檢測(cè)方式，這樣能夠提高檢測(cè)系統(tǒng)精度和識(shí)別的準(zhǔn)確性，在一定程度上還能夠降低成本。

2.2.3 活立木檢測(cè)

對(duì)活立木進(jìn)行檢測(cè)，可以對(duì)活立木的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行逐項(xiàng)檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而掌握木材材性的變異性，為制定或修改林木培育和改良的手段提供理論依據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)人工林林木種植的高效培育。同時(shí)活立木檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，在珍貴古樹(shù)、重要木質(zhì)古建筑的保護(hù)上也有重要的指導(dǎo)意義。

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