木材密度檢測方法研究現(xiàn)狀與發(fā)展

孫燕良，張厚江，朱 磊，閆海誠

(北京林業(yè)大學工學院，北京100)

木材密度是反映木材性能的關鍵指標，不僅可以用來評估木材的質量，根據(jù)它的變異性和變化規(guī)律能夠判斷木材其它性能的變化，反映樹木的生長規(guī)律，而且能夠為林業(yè)方面其他學科的研究提供研究方法，是研究木材材性利用與木材培育相關性的常用指標［1］。木材密度與木材力學性能如彈性模量、抗彎強度和抗壓強度等有著密切的聯(lián)系。通過對木材密度的檢測能夠很好的預測木材其他性能指標，而對木材材性較準確的預測與評估，不僅能夠加速材質改良和遺傳改良的過程，為人工林的培育提供理論依據(jù)，而且能夠為木材的高效利用提供科學依據(jù)，滿足了我國森林資源匱乏，木材綜合利用率低的客觀需求，實現(xiàn)優(yōu)材優(yōu)用、劣材優(yōu)用的目的。同時能夠為我國古建筑腐朽、缺陷的快速無損檢測提供重要手段，解決我國古建筑修繕和維護的重要難題。本文通過對傳統(tǒng)稱重法、基于機械力密度檢測法和基于射線密度檢測法檢測原理的總結歸納，著重介紹了后兩種檢測方法在木材密度檢測中的應用情況。

1 傳統(tǒng)稱重法

傳統(tǒng)的木材密度測量方法最基本的是稱重法，即在原木上取材，加工成標準試件，通過直接測量體積、重量來計算木材密度。這種方法雖然測量準確，但操作過程復雜，耗時比較長，對木材也有一定的損壞，大大降低了木材的使用價值，影響了木材的后續(xù)加工利用，同時研究空間也不是很大。目前出現(xiàn)了一些新的檢測方法，也能快速地、無損地評測出木材的密度。

2 基于機械力密度檢測法

2.1 利用Pilodyn間接測木材密度

Pilodyn是國外針對活立木基本密度檢測研制的一種手持式測量儀，是一種間接測定木材基本密度等材性指標的無損檢測儀器，利用它可替代傳統(tǒng)取木芯檢測方法對活立木的密度進行快速、無損檢測［2］。它主要用于檢測樹木及木質結構的損壞情況，批量取樣時木材密度的快速檢測以及估算材質性狀的遺傳參數(shù)，進行木材材性比較等。利用Pilodyn進行木材密度評測不僅能夠提高林木選擇的效率，加快材性選擇的速度，同時能夠為材性選擇提供依據(jù)，進行大量基因型材性測定。

Pilodyn的檢測機理是將一個金屬探針以原先設置好的能量射入木材中，探針射入木材的深度就是要探測的值。探測值與木材密度有著密切的聯(lián)系，射入深度越深，則木材密度越小，反之，則密度越大。通過對木材表面Pilodyn探測值的測定，利用事先統(tǒng)計好的Pilodyn探測值與對應樹種密度之間的經(jīng)驗公式，就可以評測出該樹種的密度［3］。

探測量過程中，由于Pilodyn探測值在從地面起1.3 m處與整株樹木的木材密度有較強相關關系，且探測值容易得到，普遍認為在樹木1.3 m處進行Pilodyn探測是最佳位置，探測次數(shù)應最少進行2次，當2次誤差較大時，再進行第3次探測，以誤差較小的2次探測平均值作為Pilodvn對木材密度的估計值。不同樹種不同方向以及同一株樹不同方向的徑向生長速度可能不同，有可能導致木材密度發(fā)生變異，從而使得木材Pilodyn探測值與實際值產(chǎn)生差異，所以在探測同一株樹徑向方向上木材密度時，不同的探測方向也應作為一個影響因素;研究不同單株或者群體間差異時，應固定在同一個方向進行探測。不同直徑Pilodyn探測沖擊力的抗晃動能力也是不同的，所以樹木直徑也應作為Pilodyn探測值的影響因子考慮在內［4］。

國內相關學者也探索了利用Pilodyn測定木材基本密度的可行性。茹廣欣等［5］利用Polidyn對青海云杉的基本密度進行了測量。通過建立青海云杉Pilodyn探測值與木材基本密度的回歸模型，他們得出結論:利用Polidyn探測值與木材密度的相關性不僅能夠測量青海云杉活立木徑向方向外側部分的木材基本密度，同時也能夠預測整個徑向方向上整株木材的基本密度。而且在朝向上密度也有所不同，南向的探測值小于北向的，即南向的密度大一些。

殷亞方等［6］以我國人工林中4種闊葉樹種為實驗對象，通過建立立木Pilodyn探測值在去樹皮前后和由生長錐錐芯得到的基本密度的經(jīng)驗公式，研究了利用Pilodyn檢測立木木材密度的可行性。他們得出結論:在去除樹皮之前，這幾種樹種的Pilodyn探測值在南北向上差異均不顯著;利用這種去除樹皮的方式，可以提高運用Pilodyn評測立木外側及整個徑向基本密度的精度，證明了運用Pilodyn可以評估一些立木的基本密度。但是該探測儀的缺點是所得到的關系式不適用于各個樹種，在測定不同的樹種時，需要重新驗證Pilodyn探測值與該樹種木材基本密度的相關關系。

2.2 基于螺絲拔出力的木材密度檢測

螺絲拔出力測定儀是由Fakopp enterprise設計一種便攜式檢測裝置。該儀器主要由螺絲拔出裝置(帶力傳感器)、顯示單元、改錐、特定的螺絲(直徑一般是3mm、4mm、5mm，長度是15mm和18mm)等部分組成。螺絲拔出力是檢測木質材料力學性能、密度和剪切模量的一個重要指標。在木質橫梁上選擇一個有代表性的位置，通過測定其拔出螺釘時所需的力能夠為評價木材結構提供有用的信息。具體方法是用改錐將螺絲垂直于木材表面擰入木材中到一定深度時，運用拔出裝置將螺絲拔出，在拔出過程中通過傳感器，在顯示單元會記錄拔出時的最大阻力，通過這個阻力值來判斷木材的力學性能。由于在拔出過程中主要發(fā)生的是剪切形變，所以拔出時的最大阻力和剪切模量有很高的相關性。實驗證明拔出螺絲時的最大阻力與木材密度也有著良好的線性關系，相關程度非常高，通過此方法，可以實現(xiàn)對木材微密度的間接評估［7］。

2.3 基于微鉆力的木材密度檢測

由德國研制的木材微鉆阻力儀是用于探測樹木或木材內部結構的儀器，通過小型電機將鉆針以恒定速率鉆入木材內部，在此過程中會產(chǎn)生相應的阻力，阻力的大小反映出木材密度的變化，利用計算機采集測量過程中的阻力參數(shù)，顯示出阻力曲線圖像，根據(jù)阻力曲線，結合所學木材學知識可以判斷早晚材密度、年輪數(shù)以及木材內部腐朽、空洞和生長情況等［8］。微鉆阻力儀主要由主機、探針、功能包、熱感式打印機、閃存、連接電纜和DECOM軟件組成。其在樹木方面主要應用于檢測一些危險樹木的腐朽及缺陷，評估樹木年生長率和質量。在木材方面主要應用于木材結構腐朽和空洞的檢測以及木材質量的評估。利用微鉆阻力儀進行木材檢測的優(yōu)點是可以快速探測樹木和木材內部情況、操作簡單、精度和分辨率高、對樹木基本沒有損壞。

運用自帶軟件DECOM對測量過程中形成的阻力圖進行分析，利用Excel等軟件對數(shù)據(jù)進行處理，通過建立阻力值與密度值之間的關系可以評測木材密度。在試驗過程，要經(jīng)常清理鉆頭部位的木屑，以免木屑進入到電機中致使電機燒毀。實驗中電源電壓要確保在24.5V以上的有效電壓，否則得到數(shù)據(jù)將為無效數(shù)據(jù)。同時鉆的深度要大于30mm，否則數(shù)據(jù)將不會在電腦中顯示。Fikret Isik等［9］利用微鉆阻力儀對木材密度進行了研究，他們得出結論:阻力值與密度值之間有良好的線性關系，微鉆阻力儀可以用于木材密度的檢測。

3 基于射線密度檢測法

隨著檢測技術的發(fā)展，木材密度已經(jīng)向木材微密度測定發(fā)展。木材微密度測定是一種比較精密的木材材性測定技術，利用射線在輻照不同密度物質時衰減程度不同的原理，在相對比較狹小的范圍內測定木材的密度，通過逐點測量，能夠較為精細地顯示出不同部位木材密度的變異情況［10］。射線檢測技術是檢測木材微密度常用的方法，它是利用射線穿過被測樣品的強度衰減，檢測其內部結構不連續(xù)性的技術。穿過樣品的射線，由于強度不同在X射線膠片上的感光程度也不同，由此生成內部不連續(xù)的圖象［11］。目前此項技術已逐漸成熟，很多學者對它進行了研究。

3.1 利用CT掃描技術進行木材密度檢測

木材密度射線檢測法是一種非接觸式的檢測方法，具有精度高、性能穩(wěn)定和快速作用等特點。常用的射線有X、β、γ和中子射線，其中X射線使用最為普遍。國外的相關專家先后探索了X射線在木材無損檢測方面的應用，研制開發(fā)出了相應的木材微密度測試系統(tǒng)。我國林業(yè)研究人員也在這方面做了一些研究，阮錫根等［12］基于X射線測木材密度理論的研究，將X射線衍射儀改裝成直接掃描式X射線木材密度計，該儀器利用微機控制，具有高效、快速、一機多用等特點，可用于木材密度組成的測定，并能夠在屏幕上顯示圖譜和進行計算。在此基礎上，潘慧新等［13］針對直接掃描式X射線木材密度計在測量1mm薄樣片時精度和分辨率低等缺點研制了單色軟X射線木材密度計，在靈敏度和精密度上該儀器都有所提高，并且具有可多次測量疊加和木材質量吸收系數(shù)大等特點。

計算機斷層掃描技術 (CT)是在常規(guī)X射線檢測技術的基礎上發(fā)展起來的，早期主要應用于醫(yī)學領域，是由神經(jīng)放射診斷學家在利用CT掃描為腦瘤患者進行檢查時發(fā)現(xiàn)的，檢查結果清晰地顯示出了腦瘤的位置、形狀和大小。后期這項技術被廣泛使用于工業(yè)和其他領域，挪威學者 (1985)曾成功用計算機斷層掃描技術 (CT)分析了巖石鉆芯樣本的斷層掃描圖片，我國學者楊更社 (1997)利用X-CT技術研究了巖石損傷并取得了一些成果。林業(yè)方面我國學者王厚立等利用X-CT技術檢測木材缺陷也取得了很好的效果［14］。英國EMI公司率先研制出了第一臺醫(yī)療射線CT裝置，并稱為計算機輔助層析成像掃接器。這種儀器由X光線斷層掃描裝置、微型電子計算機和電視顯示裝置組成，可以對人體各部位進行檢查，發(fā)現(xiàn)病癥。美國于20世紀70年代末期主要針對大型固體火箭發(fā)動機和小型精密工件研制了專門應用工業(yè)的CT系統(tǒng)。

利用X射線穿過樣品時，射線強度會有所衰減，而衰減系數(shù)與被測樣品存在一定的線性關系。利用先進的探測設備，將射線從不同角度穿過樣品時，就能夠用二維圖像反映出被測樣品的的某一斷層面。因此，CT掃描技術的原理就是:不斷的旋轉探測設備，對樣品連續(xù)釋放X射線，收集穿過樣品后的射線，由于物質屬性和結構不同，射線的衰減程度也所不同，利用計算機對收集到的射線信號進行數(shù)字處理，將旋轉一周得到的圖形元素組合起來就形成了該樣品的斷層掃描圖像［15］。CT掃描的特點是運行速度快，縮短了患者檢查時間;能夠連續(xù)快速掃描成像，減少由于呼吸造成的偽影;能夠進行多期掃描;能夠通過數(shù)據(jù)采集重建高質量多軸面圖像和三維立體圖像［16］。

韓書霞等人［17］利用計算機掃描技術探索了木材密度的無損檢測方法。她們通過測量并統(tǒng)計各個樹種的CT值，CT值反映的是射線透過樣品的衰減程度，得出各種原木的CT值范圍，根據(jù)此范圍對CT設備的窗寬與窗位進行設定，利用原木斷層的CT值與實際密度值線性關系擬合出可用于實際檢測的線性方程，最終實現(xiàn)通過測量樹種CT值來檢測木材密度的目的。

3.2 基于β射線的單板微密度檢測

β射線在木材密度檢測應用方面也越來越廣泛。由于γ和中子射線對人體輻射作用比較強，防護起來不容易，目前在木材密度檢測中還處于實驗室應用階段。而β射線由于射程短，穿透能力相對較弱，容易被屏蔽以及防護簡單等特點適用于工業(yè)現(xiàn)場使用。工業(yè)上應用β射線對單板密度進行在線無損檢測以達到提高人造板材的質量的目的。利用β射線進行單板密度檢測的原理是以射線透射單板，通過測量透過單板前后的射線強度變化，根據(jù)射線的衰減程度以及單板的平均吸收系數(shù)來推算單板的微密度［18］。

李麗等［19］以楊木旋切單板成品材為實驗對象，研究了利用β射線進行單板密度檢測的可行性。實驗得出結論:單板密度β射線檢測法操作安全，精度高，能夠對單板密度進行實時在線無損檢測，測量結果可靠，是一種是實用的木材密度測量方法。

結合β射線檢測單板密度理論和PLC控制系統(tǒng)，黃娜等［20］通過對傳統(tǒng)系統(tǒng)進行了一系列改進研究，實現(xiàn)了對單板密度的實時顯示。

隨著射線檢測技術的不斷發(fā)展，數(shù)字圖象處理技術被廣泛應用于射線撿測。常規(guī)膠片射線照相技術、射線層析檢測和實時成像檢測技術都在采用數(shù)字圖象處理技術。即使是處在研究階段的缺陷識別技術也是在數(shù)字圖象處理技術基礎上發(fā)展起來的?？梢?，數(shù)字圖象處理技術在射線檢測領域發(fā)揮著十分重要的作用。

數(shù)字圖像處理是指將圖像信號轉換成數(shù)字信號并利用計算機對其進行處理的過程。數(shù)字圖像由一個個按矩形排列的圖像元素 (也稱像素點)組成。相同寬度的掃描線經(jīng)過橫向和縱向交叉形成的區(qū)域即為像素點，每個像素點在灰度圖像中對應一個表示該點亮度的整數(shù)值，即灰度。整個圖像就是由一些不同灰度值 (二值圖像中僅為0和1)的像素點陣構成。我們常見的256色，其灰度值為0～255。數(shù)字圖像以像素矩陣存儲的方式，使其直接生成顆粒流數(shù)值模型有了可能。在實際圖像處理過程中還應考慮在不同角度、不同距離拍攝時造成的光線反射差異等［21］。

夏萍等［22］以楊樹為研究對象，利用醫(yī)院放射科設備數(shù)字X射線圖像系統(tǒng)對其進行攝影，并運用自編軟件處理圖像，從樹心到樹皮分段獲得圖像灰度值，通過建立數(shù)字X射線圖像的灰度值與被測物體密度的線性關系來直接測定物體微密度。實驗結果得出:運用此方法測定難以分辨早晚材的楊樹材料比微密度儀更可靠，此方法可用于物體微密度的直接測量。

4 結束語

基于機械力密度檢測法和基于射線密度J檢測法克服了傳統(tǒng)稱重法的不足，能夠在盡量保持木材原有狀態(tài)的情況下實現(xiàn)木材密度的快速檢測，充分提高了原木的使用價值，為快速估算木材力學性能提供了依據(jù)，解決了我國木材綜合利用率低的缺點，通過選取適當?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，能夠進一步提高檢測結果的可靠性。木材密度的快速檢測不僅能夠加速木材選擇的過程，便于大規(guī)模取材，同時也為古建筑的維護和修繕提供了重要手段。通過木材微密度的測定也能夠更精確地反映出木材內部密度的變異，更好的把握木材的遺傳規(guī)律，為木材改良以及人工育林提供了依據(jù)。

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