木材无损检测技术的应用研究综述

王凤清 徐利龙

(绥阳林业局，黑龙江 绥阳 157212)

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。木材无损检测技术最初于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，现代科学技术的迅速发展为木材无损检测技术提供了新的理论和物质基础，使木材检测技术得到了飞速发展，运用于木材无损检测的方法也由最初的几种增加到几十种，而且可检测范围也涵盖了原木、木制品及活立木的物理力学性质、化学性质、内部缺陷和生长特性等，在众多的木材检测方法中，发展最成熟，应用最广泛的方法主要有：X射线检测、应力波检测、超声检测等。

1 木材无损检测的国内外研究进展

1.1 X射线检测

1.1.1 基本原理

X射线的特点是具有很强的穿透性，能够穿透可见光不能穿透的物体，而且在穿透物体的同时将和被检测物体发生复杂的物理和化学作用，如果被检测物体的组成不均匀或存在缺陷，就会引起透射射线强度的变化，那么利用感光胶片来体现出射线强度的变化，就可以对被测物体性质进行检测。

1.1.2 国内外研究现状

早在上世纪60年代木材检测技术刚刚兴起时，法国林业科学家就利用X射线检测技术对木材的密度进行了预测，Schajer[1]于2001年使用X射线对木材的弯曲强度及内部的节子和位置进行了研究，研究表明，利用X射线检测技术能够对内部节子和位置进行准确定位，同时能够预测木材的弯曲强度，相关系数可达0.82；日本东京大学应用X射线检测技术结合CT成像技术研制出一种便携式检测木材年轮的装置，利用该装置可以快速、准确地检测木材的密度、年轮数及年轮宽度。

许文台[2]于1979年应用X射线检测技术对落叶松、杉木、水曲柳等树种的密度进行了研究，同时研究了木材密度、晚材率与年轮宽度之间的联系。冯星球等[3]利用X射线检测技术研制出一套木制品在线检测装置，利用该装置可测量刨花板和纤维板厚度方向的密度分布值。吴海军[4]应用X射线检测技术对细木工板缺陷进行研究，并对缺陷进行了成像处理，研究表明X射线成像方法能够将细木工板胶接处的情况清晰呈现。李永生[5]对X射线检测木材缺陷成像技术进行了研究，运用模糊分析对图像进行去噪处理，处理后的图像清晰度明显增加，对木材内部缺陷的检测效果明显。

1.2 应力波检测

1.2.1 基本原理

应力波检测技术的基本原理是给木材或木制品施加一定的机械应力，被测物体在受应力作用时就会在内部产生相应的应力波传播，由于木材内部的缺陷或品质的变化，波的传播时间就会不同，通过一定的装置或手段收集波的传播时间及根据木材动弹性模量E、应力波传播速度V及木材的密度ρ之间的关系E=ρV2就能对被测物的相关性质进行预测。

1.2.2 国内外研究现状

Ross[6]等于1962年最早利用应力波检测技术对红橡树立木腐朽部位进行检测。1994年ward[7]等人用应力波技术对厚度为30mm、长度为150～230mm的板材进行检测，结果表明应力波在有缺陷的板材中的传播时间比在正常板材中的传播时间要长，通过传播时间的不同就可以判断木材内部是否有缺陷，检测准确率高达93%。2004年Brashaw[8]采用应力波检测技术和信号分析方法对干、湿两种状态下板材应力波传播速度进行研究，结果表明，应力波在生板材中的传播速度与板材干燥后的传播速度具有较强的线性关系。

1996年钟建友[9]等人研究了人造孔洞对应力波传播速度的影响，实验中选用花旗松、美国西部铁杉、中密度纤维板作为试样，研究表明木材钻孔后，应力波传播速度有所降低，但与钻孔位置关系不明显。2004年王立海[10]等人系统地对应力波在原木中的传播理论进行了初步研究，并对部分原木内部腐朽严重的试件进行了应力波二维图像成像研究。2007年张希栋[11]等研究了在应力波检测技术中不同传感器数量、不同树种不同含水率及不同敲击力度等对应力波传播速度及成像的影响。2008年王洋[12]等人研究了应力波在冻结状态白桦活立木中传播速度，研究表明，冻结状态下的径向传播速度明显高于常温情况，同时含水率对纵向传播速度有较大影响，二者成负相关。2010年游翔飞[13]对应力波检测木材缺陷中实现的二维图像进行处理及信息提取，最终实现了原木内部腐朽三维结构形状的重现。

1.3 超声波检测

1.3.1 基本原理

超声波检测木材的原理主要是超声波在介质传播过程中会发生衰减和散射，而当木材中存在缺陷或木制品品质发生变化时超声波的传播就将产生反射、折射和波型转换，通过接收反射的超声波在仪器内部的电路处理，根据波形的变化特征就能判断木材内部的缺陷位置、形状及品质变化。

1.3.2 国内外研究现状

1984年Bucur[14]等利用超声波测量了北美6个树种木质材料的弹性性能及刚度；Istvan[15]等人运用了超声波波形的傅立叶变换和频谱分析技术，对超声波在阿伯拉橡胶树木棒中的传播做了研究；Wilcox[16]等利用超声波检测对木材结构中的腐朽缺陷做了准确的预测；Sandoz[17]等在野外实地利用超声波对木梁强度做了精确的评估；Niemz[18]等研究了刨花板的超声波传播速度，认为抗弯弹性模量与超声波传播速度之间有着密切相关性，同时在研究中发现胶粘剂的含量和刨花板密度对超声波传播速度有着重要影响。

戴澄月[19]等采用超声波脉冲首波等幅法，测试了红松、兴安落叶松、水曲柳和紫椴4种干材的顺纹和横纹超声速度及超声弹性模量，并分析了超声参数与木材顺纹抗压强度和抗弯强度的相关性。嵇伟兵[20]等以杉木板材为样品，利用超声波测试仪对其动态弹性模量进行无损检测，其相关系数达到0.95；于文勇[21]通过一发多收超声波检测法，分别对无任何缺陷的木材试样和孔洞直径大小不同的木材试样进行检测结果的对比，找出有利于木材横纹方向孔洞检测的参数，实现了在木材横纹方向上的孔洞检测；林文树[22]等通过超声波传播参数和木材弹性模量的相应变化来确定木材内部是否存在缺陷，并得出在孔洞较小时,无孔洞波形图与带有孔洞波形图相差不大,但随着木材内部缺陷程度的增加,波形的变化非常明显；江京辉[23]等利用超声波无损检测法获得人工林杉木足尺规格材的动态弹性模量；刘铁男[24]应用计算机层析算法对木材超声波进行处理，获得了木材内部缺陷的超声波二维图像。

2 木材无损检测技术存在的问题及发展方向

2.1 木材无损检测技术中存在的问题

对于现代林业来说，对木材及木制品实施必要的检测技术可以提高木材利用率、繁荣木材交易市场，使木材能够材尽其用，适材适用。而从国内外林业研究人员的研究成果发现，虽然检测方法多种多样，而且结合了当今科技的最新研究成果，但是对于木材检测这一特殊的问题上，还存在诸多问题，如：对于X射线检测技术来说，检测结果需要通过胶片成像来体现，这无疑就增加了检测时间和检测成本，不适用于大批量检测，而且由于仪器的原因，不适合于在线检测与野外检测；对于应力波检测技术来说，虽然具有操作简单、方便的优点，但是施加机械应力的大小和位置，被测物的状态等都会对最后的检测结果的准确性造成影响；对于超声波检测技术来说，在检测过程中需要用到耦合剂，这就增加了检测成本及检测时间，不适合野外检测。对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所在。

2.2 木材无损检测技术的发展方向

2.2.1 便携式木材性质检测系统

由于木材分布及木材生产的特殊性，经常需要进行实地检测及野外检测等，所以要求木材无损检测系统具有携带方便、操作简单、检测简单快速、成本低廉的优点。

2.2.2 木材联合化检测

由于目前应用于木材无损检测技术比较多，都各具特点又各有局限性，而在今后的木材检测技术研究中应结合各自的优点，采用多种方法联合检测，根据被检测木材的形式及特性采用不同的联合检测方式，这样能够提高检测系统精度和识别的准确性，在一定程度上还能够降低成本。

2.2.3 活立木检测

对活立木进行检测，可以对活立木的各项指标进行逐项检测，实时监控，从而掌握木材材性的变异性，为制定或修改林木培育和改良的手段提供理论依据，进而实现对人工林林木种植的高效培育。同时活立木检测技术的发展，在珍贵古树、重要木质古建筑的保护上也有重要的指导意义。

[1]SCHAJER G S. Lumber strength grading using X-ray scanning[J].Forest Products Journal,2001,51(1):43～50.

[2]许文台.X射线检测木材实验报告[J].森林工业通讯，1979，(2):15～17.

[3]冯星球,陈焕娣,张立芳.用X射线研究人造板材的密度梯度[J].南京林业大学学报,1995,19(4):62～66.

[4]吴海军.细木板X射线无损检测研究[D].哈尔滨:东北林业大学学位论文，2010.

[5]李永生.基于模糊理论的木材X射线图像分析与处理[D].哈尔滨:东北林业大学学位论文，2010.

[6]ROSS R J, PELLERIN R F. NDE of wood-based composites with longitudinal stress wave[J].Forest Products Journal,1988,38(5):39～45.

[7]WARD A T, ROSS R J, JAMES C. Identifying bacterially infected oak by stress wave nondestructive evaluation[J].Research Paper of Forest Products Laboratory,1994,(512):1～6.

[8]BRASHAW K, WANG X P. Relationship between stress wave velocities of green and dry veneer[J].Forest Products Journal，2004,54(6):85～89.

[9]钟建有,陈载永.应力波非破坏测定法检测木质板材之异方性[J].林产工业，1996,(4):574～585.

[10]王立海,杨学春.红松木结构缺陷对应力波传播参数的影响[J].东北林业大学学报,2005,33(1):30～31.

[11]张希栋.主要测试条件参数对原木孔洞缺陷应力波检测效果的影响[D].哈尔滨:东北林业大学学位论文,2007.

[12]王洋.冻结状态下应力波在立木(原木)中传播速度的研究[D].哈尔滨:东北林业大学学位论文,2009.

[13]游祥飞.基于应力波二维图像原木内部腐朽三维重建的初步研究[D].哈尔滨:东北林业大学学位论文,2010.

[14]BUCUR R S. Testing of poles by using acoustic pulse method[J].Wood Science and Technology,1984,15(4):301～310.

[15]ISTVAN C L. Ultrasonic measurements in wood[J].Materials Evaluation,1996,54(4):514～517.

[16]WILCOX L L, BIERNACKI J M. Classification study for using acoustic-ultrasonics to detect internal decay in glulam beams[J].Wood Science andTechnology,2001,35(2):85～96.

[17]SANDOZ K J．Natural vibration analysis of clear wooden beams, a theoretical Review[J].Wood Science and Technology,2002,36(3):347～365.

[18]NIEMZ A L WANG J, BIERNACKI J M. Nondestructive evaluation of veneer quality using acoustic wave measurements[J].Wood Science and Technology,2001,34(6):505～516.

[19]戴澄月，等.木材强度超声波检测的研究[J].东北林业大学学报,1987,15(2):82～96.

[20]嵇伟兵,马灵飞.利用超声波检测杉木抗弯弹性模量[J].浙江林业科技，2006,26(3):21～24.

[21]于文勇,王立海,杨慧敏，等.超声波木材缺陷检测若干问题的探讨[J].森林工程,2006,22(6):7～9.

[22]林文树,杨慧敏,王立海.超声波与应力波在木材内部缺陷检测中的对比研究[J].林业科技,2005,30(2):39～41.

[23]江京辉,吕建雄,任海青.动态弹性模量用于评估不同等级规格材的研究[J].南京林业大学学报,2008,32(2):63～66.

[24]刘铁男.基于超声波活立木内部腐朽衰减成像的研究[D].哈尔滨:东北林业大学学位论文,2010.