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木材无损检测技术应用的现状及发展趋势

2013年6月28日 0:00:00


1木材无损检测的简述 
        无损检测(Non-destructive Testing简称NDT)是指采用适当的测量手段,在不破坏被测物体原有的形状和物理、化学、力学性质的前提下,对其性能指标进行快速、有效的检测和评价。木材无损检测技术是指通过当今先进的电子、光学和计算机等技术结合木材本身的特性对木材性质进行非破坏性检测的技术。
        木材是天然生物材料,对木材无损检测具有独特性也具有困难。木材无损检测技术是一门新兴的、综合性的木材非破坏性检测技术, 从20世纪50年代开始发展起来, 20世纪60年代后期在欧美、日本等发达国家兴起, 用于原木的分等及木制品的质量评价,近十几年也得到迅速发展。
        在木材无损检测方面,国外发达国家把超声波、射线、微波等无损检测技术应用到木材物理性质、生长特性、力学性质及木材缺陷等检测方面,已经取得一定的成绩。我国在20世纪70年代末开始应用X射线检测方法对木材缺陷检测进行了试验性研究; 20世纪80年代末,对木材物理性质、生长特性等进行了无损检测的初步研究。随着电子、光学和计算机技术的不断发展,目前应用到木材性质检测的无损检测技术,如射线检测、超声波检测、核磁共振检测、微波检测、机械应力检测及声发射检测等,已达几十种。
2国内外几种木材无损检测方法研究状况
        传统的木材物理、力学性质检测大都采用检测仪器或力学试验机对规定尺寸的木材试样进行测量或破坏性试验来记录其尺寸、规格、表面形状或所能承受的最大载荷。这种方法检测时间长、条件苛刻、稳定性和重现性差, 且不适于非破坏、在线性快速检测。无损检测木材或木质材料在不破坏木材及木质材料本身形状、原有结构和原有运动状态的前提下, 利用当今的物理方法和手段快速测量出木材及木质材料的尺寸、规格、表面形状和基本物理力学性能,木材无损检测技术的利用有利于提高我国林业经济的发展。当前最常用的木材无损检测有: 应力波检测、超声波检测、X射线检测、机械应力检测。
2.1应力波检测研究
         20世纪60年代国外研究人员发现应力波在木材中传播会受到木材内部缺陷的影响,通过检测应力波的传播时间可以判断木材的性质。Ross等[1]于1988年就研究得出木材的弹性模量E与应力波速度v和木质材料密度ρ有关,三者之间的关系为E=v2ρ。1994年,Ross等[2-3]利用应力波技术对厚度为30mm、长度为150~230mm的板材进行检测,通过传播时间的差异可以判断木材是否有缺陷。Wagner等[4]用应力波技术研究美国花旗松弹性模量和应力波传播速度关系,用回归分析方法得出应力波纵向速度与动弹性模量的相关系数R2= 0.466 ,而应力波横向速度与动弹性模量的相关系数R2=0.591。
2005年,东北林业大学的林文树等[5]进行了超声波与应力波在木材内部缺陷检测中的对比研究,发现木材密度、孔洞大小及数量对两种波传播参数及动态弹性模量都有不同程度的影响。
2.2超声波检测研究
        超声波技术在20世纪70年代末得到发展,80年代中期应用于木材检测。1996年Olivito[6]发现在纤维饱和点以下,波速随木材含水率的增加而减小;在纤维饱和点以上,波速在平行纹理方向的变化不大。当含水率小于18%时,声波衰减无变化;高于此值,衰减则随含水率增加而增大。Wang等[7]通过波速和衰减,检测胶合板节子和开裂情况,并认为垂直纹理方向的传播方式能有效地检测节子和裂纹宽度,但裂纹的数量无法检测;在平行纹理方向,仅对节子的检测有效。Tiitta等[8]采用贝叶斯(Bayes)理论,K-近邻方法(K-Nearest Neighbor) 和神经网络方法(Neural Network) ,对超声波检测腐朽进行研究,收集了腐朽材检测中波速、衰减、波型、频率信号,并对采样单一信号和采样多信号进行了比较。分析结果发现3种方法都能很好地检测腐朽情况,其中神经网络检测小面积腐朽的有效性达到79% ,Bayes理论和K-近邻法也分别为79%和75%。
        我国从20世纪80年代对木材的超声波检测技术进行研究,李华和刘秀英[9]用超声波检测仪对大钟寺博物馆钟架进行了无损检测,通过测定钟架木材的弹性模量,对钟架木结构力学强度的变化做出评估,为超声波应用于古建筑木结构的无损检测提供了科学依据。
2.3 X射线检测研究
        首先利用X射线检测木材的密度的是1963年法国林业研究中心。Oja等[10]于2000年利用X射线对挪威云杉进行扫描,并利用CT成像技术对木材节子与密度建立模型,预测弯曲破坏强度与弹性模量,最终得到模型与破坏强度和弹性模量相关性分别为R2=0.73和0.94。2003年Kelley等[11]结合多元统计分析方法,应用近红外光谱(NIR)技术对火炬松木材在不同径向和高度位置的化学和力学性质进行了较详细地研究,成功预测了木材中的木质素、抽提物、葡萄糖、木糖、甘露糖和半乳糖的含量。
1995年,冯星球等[12]开始利用X射线检测木制品,利用X射线密度计测量刨花板和纤维板厚度方向的密度分布,从而求得密度梯度的平均值和最大值。2007年,孙丽萍等[13]提出了一种采用X射线为检测手段的原木无损检测方法,分析了X射线用于原木无损检测的可行性及原木木材质量吸收系数的变化规律。
2. 4机械应力检测研究
        1963年,美国北部木材贸易业务开始采用机械应力分等方法对规格材进行分等。研究表明,机械应力分等确实能够提高木材的利用率[14]。开始,这种无损检测试验是评估每块板材的刚度。经历不断的发展,到了20世纪70年代,通过规格材的足尺无损测试建立了木材刚度与强度的相互关系。我国的规格材分等才起步,还没有正式施行的机械应力分等方法标准和生产机械分等规格木材的工厂。
3常用的木材无损检测的方法概述
3.1应力波检测原理
        应力波检测法,物质受撞击之后产生冲击应力波,应力波能在物质内传播。应力波测试法是基于应力波通过被测材料的速度与被测材料密度以及弹性模量的物理关系所建立的测试技术。冲击应力波检测法不受被测木材形状和尺寸的限制,在传感器和被测木材之间不需要使用耦合剂,并且携带相对方便,因此被广泛应用于立木缺陷检测及原木、方材、大型规格材的力学性能检测上。
3.2超声波检测基本原理
        超声波检测,超声波产生声脉冲进入被检测材料中,经过穿透、反射、衰减,再被另一端的传感器收集,通过提取不同信号参数并进行处理,进行材料性质预测。超声波的纵波声速C与介质的密度ρ、超声弹性模量E的关系E=C2ρ,在测量出超声波速度后,计算出木材的弹性模量,也可以根据超声波传播时间的差异,测定被测木材的缺陷。
3.3 X射线检测的原理
        X射线检测为非接触类检测。X射线透射木材及木质复合材料时要被吸收一部分,其强度被衰减,用射线接收传感器直接测量窄小范围内透过试样前后射线强度的变化,主要的射线有x、γ和中子射线。根据射线衰减率以及试样的平均吸收系数分析木材及木质复合材料的密度、含水率变化以及缺陷等。射线的衰减率的一般表达式为:I=I0e-μh,式中:I0为入射前强度;I为入射后强度h为木材试件厚度;μ为衰减系数。
3.4机械应力检测的基本原理
        机械应力检测是采用机械方法施加恒定变形(或力)于被测试材上,测得相应的载荷(或变形),由计算机系统计算出试材的弹性模量和抗弯强度,并可用于木材的在线应力分析。
        机械应力检测可快速准确地评价木材的力学强度,使木材分等真正实现了产业化,提高了生产效率。但该方法也有其不足之处,如临界值设定太高会降低高等级锯材的出材率,并且一部分木材会因载荷过大出现微小裂纹,造成微小的破坏;而临界值设定太低又不能保证准确度。
4木材无损检测技术应用发展趋势
        最新的文献记载,日本研究人员[15]通过测量木材生长初期晚材管胞S2层微纤丝倾角预测木材的弹性模量的方法,成功实现了对树木质量的早期评价。可见,木材无损检测相关研究已逐渐从宏观检测向微观检测延伸。因此,利用无损检测技术(如X射线衍射、近红外光谱预测法)测定木材内部的显微结构,并通过分析其成分和结构的变化预测木材力学性能将成为未来的研究热点之一。
        由于木材检测的特殊性, 需要检测方法具有快速、方便、准确、低成本、无损、适合大批量检测、野外检测及在线检测等特点, 这也是未来木材检测发展趋势。同时多方向、多路径的检测方式被采用,设备逐步向小型化、实用性发展。继续探寻林产品无损检测的新原理和新方法,通过借鉴其它材料领域的先进检测技术,提高林产品无损检测技术的先进性和实用性。
        我国在原木检测方面仍然处于视觉评价的初级阶段。因此加强原木分等无损方法的研究,引进原木材质性能检测技术、标准,及各种原木检测评价技术的应用和评价标准,形成适合我国原木分等技术的检测体系。在木材无损检测技术上,我国还处于实验室阶段,有待加大在人造板生产线上的应用,动态地无损检测板坯和产品质量,分析质量缺陷的原因,及时反馈、调节生产工序的参数,最大程度地挖掘生产线的潜力和提高产品质量。
        综上,木材无损检测技术有广阔的应用空间和应用前景,因此,我们应对其深入地研究,不断开辟木材无损检测技术研究新方向,不断开发木材无损检测技术在木材领域中的应用。

 

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