王鳳清 徐利龍

(綏陽林業(yè)局，黑龍江 綏陽 157212)

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

1 木材無損檢測的國內(nèi)外研究進展

1.1 X射線檢測

1.1.1 基本原理

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

1.1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

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

許文臺[2]于1979年應(yīng)用X射線檢測技術(shù)對落葉松、杉木、水曲柳等樹種的密度進行了研究，同時研究了木材密度、晚材率與年輪寬度之間的聯(lián)系。馮星球等[3]利用X射線檢測技術(shù)研制出一套木制品在線檢測裝置，利用該裝置可測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射線檢測技術(shù)對細木工板缺陷進行研究，并對缺陷進行了成像處理，研究表明X射線成像方法能夠?qū)⒓毮竟ぐ迥z接處的情況清晰呈現(xiàn)。李永生[5]對X射線檢測木材缺陷成像技術(shù)進行了研究，運用模糊分析對圖像進行去噪處理，處理后的圖像清晰度明顯增加，對木材內(nèi)部缺陷的檢測效果明顯。

1.2 應(yīng)力波檢測

1.2.1 基本原理

應(yīng)力波檢測技術(shù)的基本原理是給木材或木制品施加一定的機械應(yīng)力，被測物體在受應(yīng)力作用時就會在內(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，波的傳播時間就會不同，通過一定的裝置或手段收集波的傳播時間及根據(jù)木材動彈性模量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就能對被測物的相關(guān)性質(zhì)進行預(yù)測。

1.2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Ross[6]等于1962年最早利用應(yīng)力波檢測技術(shù)對紅橡樹立木腐朽部位進行檢測。1994年ward[7]等人用應(yīng)力波技術(shù)對厚度為30mm、長度為150～230mm的板材進行檢測，結(jié)果表明應(yīng)力波在有缺陷的板材中的傳播時間比在正常板材中的傳播時間要長，通過傳播時間的不同就可以判斷木材內(nèi)部是否有缺陷，檢測準確率高達93%。2004年Brashaw[8]采用應(yīng)力波檢測技術(shù)和信號分析方法對干、濕兩種狀態(tài)下板材應(yīng)力波傳播速度進行研究，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的線性關(guān)系。

1996年鐘建友[9]等人研究了人造孔洞對應(yīng)力波傳播速度的影響，實驗中選用花旗松、美國西部鐵杉、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)地對應(yīng)力波在原木中的傳播理論進行了初步研究，并對部分原木內(nèi)部腐朽嚴重的試件進行了應(yīng)力波二維圖像成像研究。2007年張希棟[11]等研究了在應(yīng)力波檢測技術(shù)中不同傳感器數(shù)量、不同樹種不同含水率及不同敲擊力度等對應(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，同時含水率對縱向傳播速度有較大影響，二者成負相關(guān)。2010年游翔飛[13]對應(yīng)力波檢測木材缺陷中實現(xiàn)的二維圖像進行處理及信息提取，最終實現(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

1.3.1 基本原理

超聲波檢測木材的原理主要是超聲波在介質(zhì)傳播過程中會發(fā)生衰減和散射，而當木材中存在缺陷或木制品品質(zhì)發(fā)生變化時超聲波的傳播就將產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換，通過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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1984年Bucur[14]等利用超聲波測量了北美6個樹種木質(zhì)材料的彈性性能及剛度；Istvan[15]等人運用了超聲波波形的傅立葉變換和頻譜分析技術(shù)，對超聲波在阿伯拉橡膠樹木棒中的傳播做了研究；Wilcox[16]等利用超聲波檢測對木材結(jié)構(gòu)中的腐朽缺陷做了準確的預(yù)測；Sandoz[17]等在野外實地利用超聲波對木梁強度做了精確的評估；Niemz[18]等研究了刨花板的超聲波傳播速度，認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，同時在研究中發(fā)現(xiàn)膠粘劑的含量和刨花板密度對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)與木材順紋抗壓強度和抗彎強度的相關(guān)性。嵇偉兵[20]等以杉木板材為樣品，利用超聲波測試儀對其動態(tài)彈性模量進行無損檢測，其相關(guān)系數(shù)達到0.95；于文勇[21]通過一發(fā)多收超聲波檢測法，分別對無任何缺陷的木材試樣和孔洞直徑大小不同的木材試樣進行檢測結(jié)果的對比，找出有利于木材橫紋方向孔洞檢測的參數(shù)，實現(xiàn)了在木材橫紋方向上的孔洞檢測；林文樹[22]等通過超聲波傳播參數(shù)和木材彈性模量的相應(yīng)變化來確定木材內(nèi)部是否存在缺陷，并得出在孔洞較小時,無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]等利用超聲波無損檢測法獲得人工林杉木足尺規(guī)格材的動態(tài)彈性模量；劉鐵男[24]應(yīng)用計算機層析算法對木材超聲波進行處理，獲得了木材內(nèi)部缺陷的超聲波二維圖像。

2 木材無損檢測技術(shù)存在的問題及發(fā)展方向

2.1 木材無損檢測技術(shù)中存在的問題

對于現(xiàn)代林業(yè)來說，對木材及木制品實施必要的檢測技術(shù)可以提高木材利用率、繁榮木材交易市場，使木材能夠材盡其用，適材適用。而從國內(nèi)外林業(yè)研究人員的研究成果發(fā)現(xiàn)，雖然檢測方法多種多樣，而且結(jié)合了當今科技的最新研究成果，但是對于木材檢測這一特殊的問題上，還存在諸多問題，如：對于X射線檢測技術(shù)來說，檢測結(jié)果需要通過膠片成像來體現(xiàn)，這無疑就增加了檢測時間和檢測成本，不適用于大批量檢測，而且由于儀器的原因，不適合于在線檢測與野外檢測；對于應(yīng)力波檢測技術(shù)來說，雖然具有操作簡單、方便的優(yōu)點，但是施加機械應(yīng)力的大小和位置，被測物的狀態(tài)等都會對最后的檢測結(jié)果的準確性造成影響；對于超聲波檢測技術(shù)來說，在檢測過程中需要用到耦合劑，這就增加了檢測成本及檢測時間，不適合野外檢測。對于木材檢測的特殊性，需要檢測方法具有快速、方便、準確、低成本、無損、適合大批量檢測、野外檢測及在線檢測等特點，這也是未來木材檢測發(fā)展趨勢所在。

2.2 木材無損檢測技術(shù)的發(fā)展方向

2.2.1 便攜式木材性質(zhì)檢測系統(tǒng)

由于木材分布及木材生產(chǎn)的特殊性，經(jīng)常需要進行實地檢測及野外檢測等，所以要求木材無損檢測系統(tǒng)具有攜帶方便、操作簡單、檢測簡單快速、成本低廉的優(yōu)點。

2.2.2 木材聯(lián)合化檢測

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

2.2.3 活立木檢測

對活立木進行檢測，可以對活立木的各項指標進行逐項檢測，實時監(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)，進而實現(xiàn)對人工林林木種植的高效培育。同時活立木檢測技術(shù)的發(fā)展，在珍貴古樹、重要木質(zhì)古建筑的保護上也有重要的指導(dǎo)意義。

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