基于應(yīng)力波與X射線二維CT圖像原木內(nèi)部腐朽無(wú)損檢測(cè)

孫天用，王立海，2

(1.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040;2.黑龍江省森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與微生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱150040)

木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是在20世紀(jì)60年代后逐步興起的對(duì)木材性質(zhì)進(jìn)行非破壞性檢測(cè)的技術(shù)，因?yàn)椴粫?huì)對(duì)木材造成損害而得到廣泛的應(yīng)用。隨著電子、光學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前應(yīng)用到木材性質(zhì)檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已達(dá)幾十種，如射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、核磁共振檢測(cè)、微波檢測(cè)、機(jī)械應(yīng)力檢測(cè)及聲發(fā)射檢測(cè)等［1－5］。

各種木材無(wú)損檢測(cè)方法都有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，有的方法檢測(cè)精度高，有的方法獲得的信息多，還有的方法檢測(cè)效率高等。為了更好地運(yùn)用這些木材無(wú)損檢測(cè)方法，找出它們的優(yōu)缺點(diǎn)，有必要對(duì)它們檢測(cè)木材內(nèi)部缺陷進(jìn)行試驗(yàn)和評(píng)價(jià)。本文使用應(yīng)力波和X射線二維CT成像技術(shù)對(duì)紅松、冷杉和楓樺原木內(nèi)部腐朽進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)材料、儀器和方法

試驗(yàn)材料是紅松、冷杉和楓樺原木各一個(gè)，儀器為Arbotom應(yīng)力波檢測(cè)儀和DUT05X射線無(wú)損探傷儀。

應(yīng)力波檢測(cè)在原木周圍均勻布置了10或12個(gè)測(cè)點(diǎn) (徑級(jí)較大的紅松和冷杉采用12個(gè)測(cè)點(diǎn)，徑級(jí)較小的楓樺采用10個(gè)測(cè)點(diǎn))［6－8］，每次檢測(cè)后把原木試樣放在實(shí)驗(yàn)室中自然風(fēng)干，含水率每下降5%用應(yīng)力波檢測(cè)儀對(duì)原木作一次檢測(cè)，一共檢測(cè)4次。第四次檢測(cè)完畢，在相同含水率下，使用X射線無(wú)損探傷儀對(duì)3個(gè)原木做一次檢測(cè)。然后分別對(duì)兩種方法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力波的檢測(cè)結(jié)果與分析

3 個(gè)原木的基本信息見(jiàn)表1。

表1 紅松、冷杉和楓樺原木的基本信息Tab.1 Basic information of Korean Pine，Abies and Betula

每種儀器檢測(cè)腐朽面積的準(zhǔn)確度定義為φ=1－|測(cè)得腐朽面積－實(shí)際腐朽面積|/實(shí)際腐朽面積×100%，φ值越大，表明測(cè)得腐朽面積越接近于實(shí)際腐朽面積，檢測(cè)效果越佳。3個(gè)原木試樣中，紅松是完全空心的，冷杉是空洞中尚殘存一些朽木，楓樺沒(méi)有空洞，但心部也已經(jīng)腐朽。

2 .1 .1 應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果

應(yīng)力波對(duì)3個(gè)樹(shù)種原木的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2～表4，檢測(cè)圖像如圖1～圖3所示。

表2 紅松試樣的應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Testing results of Korean Pine specimen by stress wave

表3 冷杉試樣的應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Testing results of Abies specimen by stress wave

表4 楓樺試樣的應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Testing results of Betula specimen by stress wave

圖1 紅松試樣的應(yīng)力波檢測(cè)圖像Fig.1 Stress wave testing images of Korean pine

圖2 冷杉試樣的應(yīng)力波檢測(cè)圖像Fig.2 Stress wave testing images of Abies

圖3 楓樺試樣的應(yīng)力波檢測(cè)圖像Fig.3 Stress wave testing images of Betula

2 .1 .2 檢測(cè)結(jié)果分析

(1)檢測(cè)圖像的準(zhǔn)確度φ和顯示腐朽區(qū)域形狀的準(zhǔn)確性。紅松試樣在4個(gè)含水率下的檢測(cè)準(zhǔn)確度φ都很高，達(dá)到了0.95以上。但是獲得的4幅圖像中腐朽區(qū)域的形狀相差很大 (如圖1所示)。在第一和第三個(gè)含水率下的圖像腐朽區(qū)域形狀與實(shí)際相差很大，而在第二和第四個(gè)含水率下的形狀與實(shí)際比較接近。

冷杉試樣的檢測(cè)準(zhǔn)確度φ比紅松的低一些，但也達(dá)到了0.7以上 (如圖2所示)。含水率為39.3%時(shí)φ值最大，表明檢測(cè)效果最好，這不僅跟含水率有關(guān)，試驗(yàn)時(shí)儀器的狀況、操作者的操作水平和計(jì)算腐朽面積時(shí)的讀數(shù)誤差都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響。不同圖像中腐朽區(qū)域的形狀相差很大，含水率為29.2%時(shí)的圖像中腐朽區(qū)域的形狀與實(shí)際最為接近，含水率為39.3%時(shí)的圖像也與實(shí)際較符合，其余兩個(gè)圖像與實(shí)際情況相差較大。

楓樺試樣僅在第一個(gè)含水率下測(cè)得的準(zhǔn)確度φ較低，可能與儀器誤差有關(guān)，后面的3次測(cè)量φ值都比較高。在獲得的4幅圖像里，腐朽區(qū)域的形狀都和實(shí)際形狀相差很大，在第一個(gè)含水率下測(cè)得的圖像稍好一些，與實(shí)際腐朽形狀有一定程度的類似(如圖3所示)。

綜合以上3個(gè)樹(shù)種原木的檢測(cè)結(jié)果可知，應(yīng)力波二維CT圖像檢測(cè)原木內(nèi)部腐朽面積的準(zhǔn)確度φ較高，平均水平可達(dá)0.7以上，而對(duì)腐朽區(qū)域形狀的顯示不夠準(zhǔn)確，時(shí)好時(shí)壞。可見(jiàn)應(yīng)力波二維CT成像技術(shù)在圖形模擬方面還需改進(jìn)。

(2)對(duì)不同腐朽程度的辨別能力。在應(yīng)力波測(cè)得的圖像里，有腐朽的區(qū)域顏色較深，沒(méi)有腐朽的區(qū)域顏色較淺。從實(shí)驗(yàn)獲得的圖像來(lái)看，不管是紅松和冷杉那樣形成空洞的嚴(yán)重腐朽，還是楓樺那樣的輕微腐朽，在圖像中顯示的顏色都較深 (如圖1～圖3所示)，沒(méi)有明顯的差別，所以不能據(jù)此辨別出腐朽的嚴(yán)重程度。

(3)腐朽面積的確定。應(yīng)力波檢測(cè)得到的圖像是經(jīng)過(guò)量化處理以柵格形式顯示的，圖像中顏色深的區(qū)域?yàn)槿毕輩^(qū)域，通過(guò)圖像尺寸和柵格數(shù)目可以計(jì)算出單個(gè)柵格的面積，然后數(shù)出顏色深的區(qū)域里柵格的數(shù)目N就可以算出腐朽區(qū)域的面積了。盡管達(dá)到了較高的準(zhǔn)確度，但是這種方法效率很低。

2.2 X射線的檢測(cè)結(jié)果與分析

2 .2 .1 X射線檢測(cè)結(jié)果

3 個(gè)原木試樣的X射線檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5所示。

表5 3個(gè)原木試樣的X射線檢測(cè)結(jié)果Tab.5 Testing results of three log specimens by X-ray

圖4 部分X射線檢測(cè)圖像Fig.4 Part of X-ray testing images

2 .2 .2 檢測(cè)結(jié)果分析

(1)檢測(cè)圖像的準(zhǔn)確度φ和顯示腐朽區(qū)域形狀的準(zhǔn)確性。對(duì)紅松、冷杉和楓樺3個(gè)樹(shù)種原木的檢測(cè)準(zhǔn)確度都比較高，分別為0.955、0.885和0.882。檢測(cè)圖像清晰，圖像中腐朽區(qū)域的形狀也與實(shí)際較吻合，如圖4所示。

(2)對(duì)不同腐朽程度的辨別能力。在X射線測(cè)得的圖像里，沒(méi)有腐朽的區(qū)域顏色深，亮度低，有腐朽的區(qū)域顏色淺，亮度高。從實(shí)驗(yàn)獲得的圖像來(lái)看，腐朽的越嚴(yán)重，腐朽區(qū)域的顏色越淺，亮度越高。空洞區(qū)域是純白色的，亮度最高 (如圖4所示)。因此可以據(jù)此分辨出腐朽的嚴(yán)重程度。

(3)腐朽面積的確定。利用X射線測(cè)得的二維CT圖像可以確定腐朽面積，方法如下:

①首先通過(guò)顏色的深淺明暗確定哪些區(qū)域是腐朽區(qū)域，然后用幾何方法計(jì)算出腐朽區(qū)域的圖上面積Sp。②在圖像上找兩個(gè)明顯的點(diǎn)，量出它們之間的圖上距離Lp，然后在原木上找到這兩點(diǎn)，量出它們之間的實(shí)際距離Lr，則可以計(jì)算出比例尺μ=Lr/Lp。③腐朽區(qū)域計(jì)算面積Sc=Sp×μ2。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種確定腐朽面積的方法迅速而準(zhǔn)確。

3 結(jié)論和展望

3.1 結(jié)論

本文同時(shí)使用了應(yīng)力波和X射線兩種方法對(duì)原木內(nèi)部腐朽進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明:應(yīng)力波和X射線二維CT圖像都能檢測(cè)出原木內(nèi)部腐朽，顯示出腐朽的區(qū)域，而且能利用圖像計(jì)算出腐朽區(qū)域的面積。兩種方法計(jì)算出的腐朽區(qū)域的面積準(zhǔn)確度φ都較高，但是應(yīng)力波二維CT圖像在其他許多方面遜于X射線二維CT圖像:應(yīng)力波二維CT圖像對(duì)腐朽區(qū)域形狀的顯示不夠準(zhǔn)確，不能根據(jù)圖像辨別出腐朽的嚴(yán)重程度，利用圖像確定腐朽面積效率很低;X射線二維CT圖像對(duì)腐朽區(qū)域形狀的顯示與實(shí)際較吻合，可以根據(jù)圖像辨別出腐朽的嚴(yán)重程度，利用圖像確定腐朽面積效率高。但是X射線儀器笨重不便攜，而應(yīng)力波檢測(cè)儀輕快便攜。

3.2 展望

隨著電子、光學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)都日趨完善。除了應(yīng)力波和X射線可以成像外，還有許多種可以成像的技術(shù)，如超聲波斷層掃描、電阻成像檢測(cè)、地探雷達(dá)和紅外成像等［7］，對(duì)于這些檢測(cè)技術(shù)用于木材內(nèi)部腐朽無(wú)損檢測(cè)還需進(jìn)一步研究。

［1］楊 洋，申世杰.木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究歷史、現(xiàn)狀和展望［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2010，28(14):113 －117.

［2］王立海，楊學(xué)春，徐凱宏.木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.森林工程，2001，17(6):1 －3.

［3］楊學(xué)春，王立海.紅松木材結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)應(yīng)力波傳播參數(shù)的影響［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33(1):30 －31.

［4］梁善慶，蔡智勇，王喜平，等.北美木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.木材工業(yè)，2008，22(3):5 －8.

［5］姜忠華，申世杰，翟志文，等.木材無(wú)損檢測(cè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2010，38(2):4 －7.

［6］王立海，徐華東，閆在興，等.傳感器的數(shù)量與分布對(duì)應(yīng)力波檢測(cè)原木缺陷效果的影響［J］.林業(yè)科學(xué)，2008，44(5):115 －121.

［7］孟令聯(lián)，趙鐘聲，劉一星.木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用與展望［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2001，29(9):4 －7.

［8］楊慧敏，王立海.立木與原木內(nèi)部腐朽二維成像檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展［J］.林業(yè)科學(xué)，2010，46(7):170 －175.