木材无损检测的现状与发展趋势

木材无损检测的现状与发展趋势
姜忠华，申世杰※，翟志文，许小芳（北京林业大学材料科学与技术学院，北京100083）
摘要：概述了无损检测的定义以及木材无损检测的特殊性，重点介绍了多种木材无损检测方法的基本原理、特点及国内外研究现状，并从设备便捷化、成像技术、人工神经网络、联合检测等四个方面阐述了木材无损检测技术的发展趋势。

关键词：无损检测；成像技术；人工神经网络；联合检测中图分类号：TP391.4
文献标识码：A
文章编号：1001-4462（2010）02-0004-04
The Present Situation and Development Trend of Non-destructive
Testing of Wood
JIANG Zhong-hua,
SHEN Shi-jie ※,
ZHAI Zhi-wen,
XU Xiao-fang
（College of Material Science and Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China ）
Abstract ：The definition of non-destructive testing and the special nature of non-destructive testing of wood are outlined.Great importance is attached to the basic principles ，characteristics and research situation at home and abroad of various non-destructive testing methods of wood,and the development trend of non-destructive testing technology of wood is stated in terms of device convenience,imaging techniques ，artificial neural networks and joint inspection ．Key words ：non-destructive testing ；imaging techniques ；artificial neural networks ；joint inspection
1无损检测概述
无损检测是以不损害被检验对象的使用性能为前
提，应用多种物理原理和化学现象，对材料进行有效的检测，借以评价它们的完整性、连续性、安全可靠性及某些物理性能。

木材无损检测技术从20世纪50年代开始发展，早期的研究者们致力于木材分等及层积材材料质量评估的技术研究，逐渐形成了一个假说，此假说基于材料的基本性能之上，为建立无损检测参数与木材静态机械性能的关系服务。

这个假说于1959年由Jayne 首先提出，他认为，木材能量的贮存与释放可通过
一系列静态和动态技术作无损测量，并由决定这种材料机械作用的相同机构控制，因此，通过统计回归分析方法可得到材料机械性能与弹性力学作用之间的数学关系。

1977年，
Kaiserlik 与Pellerin 又把假说推进了一步，即用应力波技术（纵向振动）测量木材的抗拉强度，试件采用无节材，且允许含有不同程度的斜纹理。

2
无损检测方法及国内外研究现状
2.1应力波检测
2.1.1
应力波检测的基本原理及特点
应力波检测的基本原理是当木材的一端受到机械
作用（如敲击）时，木材内部就会产生相应的应力波传播，通过特定的设备和装置测定应力波传播的时间来判断木材的性质。

木材的动弹性模量E 与应力波传播速度V 及木材的密度ρ之间存在着如下关系：E＝ρ·V 2。

收稿日期：2009－09－26
基金项目：国家标准制定项目“结构用集成材国家标准”
（20050322－T －432）
※
通讯作者：申世杰（1957-），男，北京林业大学材料科学
与技术学院教授，硕士生导师
第38卷第2期林业机械与木工设备
Vo138No.22010年2月
FORESTRY MACHINERY &WOODWORKING EQUIPMENT
Feb.
2010
与其他无损检测技术相比，应力波无损检测技术具有其独特优势。

具体为应力波的传播距离远，传播的能量大，抗干扰能力较强，不需任何藕合剂和任何特殊条件，对人体无害，安全可靠，设备小巧，携带方便，对环境适应性强。

2.1.2国内外研究现状
国外研究人员早在20世纪60年代就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。

Robert J.Ross等［1］在2005年对剥皮后的花旗松进行检测，结论是应力波检测的剥皮后木材动态弹性模量可以很好地预测原木的动态、静态弹性模量，但与原木的抗弯、抗压弹性模量的关系不显著。

我国木材领域的应力波无损检测技术起步较晚，虽然时间不长，但也取得了很多研究成果。

2005年，东北林业大学的林文树等［2］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振动法检测
2.2.1振动法检测的基本原理及特点
振动测试就是通过传感器、放大器以及显示、记录、分析等仪器设备，测量物体在外界激励下动态响应的方法，其目的是了解测试对象的动态特性，如固有频率、固有振型、阻尼等特性参数，为更好应用测试对象提供服务。

振动法广泛应用于人造板、锯材及集成材制品的力学性能检测，该方法操作简便，快速，尤其在结合了传感器、电子学、信号分析、快速傅利叶变换（FFT）、现代结构振动理论以及电子计算机技术等各学术成果后，形成了自身的一套理论和方法。

2.2.2国内外研究现状
振动法无损检测早期主要应用于机械工程和工程结构领域。

自20世纪50年代起，国外木材科学研究者才开始对木质材料的振动特性与其力学性能的关系进行研究。

L.Brancheriau等［3］在2002年对利用木材固有频率测定木材弹性模量的基础理论进行了总结，对比了各种理论及其解法，从理论角度阐述了振动法测定弹性模量的可行性。

我国从20世纪80年代开始在木材领域进行振动法无损检测的研究。

2005年，中国林业科学研究院木材工业研究所和加拿大国家林产品研究院合作，探讨利用横向振动方法预测大尺寸板材抗弯弹性性质的可行性［4］。

研究表明，横向振动方法能够快速准确地预测大尺寸规格材的静态抗弯弹性性质，是一种具有发展潜力的无损检测评估技术。

2.3机械应力检测（MSR）
2.3.1机械应力检测的基本原理及特点
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。

机械应力检测可用于锯材的分等，这些锯材主要用于结构用锯材、集成材层板及工字梁、桁架工程制品的部件制作上。

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。

2.3.2国内外研究现状
1963年，美国北部木材贸易业务就已经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［5］。

最初，这种无损测试试验是评估每块板材的刚度。

经过多年的发展，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。

我国的规格材分等刚刚起步，目前还没有正式施行的机械应力分等方法标准和可以生产机械分等规格材的工厂。

2.4射线检测
2.4.1射线检测的基本原理及特点
射线检测是利用不同物质对射线吸收能力不同的原理，以射线透射木材及人造板，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，根据射线衰减率及试样的平均吸收系数推算出木材及人造板的相关参数，根据这些参数与力学性能的关系即可判别质量的好坏。

根据射线波长的不同，将射线检测分为X射线检测、γ射线检测、红外线检测、核磁共振及微波检测。

2.4.2国内外研究现状
姜忠华，等：木材无损检测的现状与发展趋势5第2期
早在1963年法国林业研究中心就利用X射线检测木材的密度。

2003年Kelley等［6］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（相关系数0.80以上）。

2007年，孙丽萍等［7］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。

3无损检测技术的发展趋势
随着无损检测技术、计算机技术和人工神经网络技术的迅速发展，木材无损检测技术将向智能化、小型化、自动化、联合化方向发展，主要表现在如下几个方面。

3.1便携式无损检测设备的开发
由于受木材结构、木材分布以及木材生产季节性等条件的制约，需要开发出具有便携性、灵活性和简单性的无损检测设备，这样不仅降低了人力和物力成本，也达到了在线快速检测的目的，给生产和研究带来方便。

3.2成像技术在木材无损检测中的应用
采用成像技术可以检测木材表面的缺陷，且可在一定程度上检测到木材内部的空洞、腐朽等。

具体的成像技术方法有微波法、X射线法和计算机断层扫描（Computed Tomography，简称CT）法等等。

2005年，Erol等［8］为提高CT检测原木缺陷的能力研究了IntelliPost模型系统。

该系统由两个模型组成：①学习模型，先由工作人员操作仪器识别原木缺陷，然后系统建立缺陷识别图像规则；②操作模型，根据第一阶段建立的识别规则，自动识别原木缺陷，该系统可应用于不同树种、不同等级的原木检测中。

2005年,徐兆军等［9］利用神经网络识别欧洲白蜡（Fraxinus excelsior）原木CT图像中的各种木材缺陷。

他们利用神经网络的高智能性识别树皮、节子、腐朽和无疵木材。

虽然对于细小裂纹还不能准确识别，但通过计算机快速、自动识别图像中的各种缺陷，可实现最优化的锯切方案。

成像技术是检测木材内部缺陷最有前景的技术之一，它提供的木材内部缺陷信息，不仅有利于了解木材的各种物理性能，还有利于木材的加工利用。

3.3基于人工神经网络（ANN）的木材无损检测技术的
发展
人工神经网络是在对生物神经系统的结构和功能进行数学抽象、简化和模仿而逐步发展起来的一种新
型信息处理和计算系统，其是由大量的简单处理单元（又称神经元）之间彼此按某种方式相互连接而形成的复杂网络系统。

近年来，随着人工神经网络的发展，它也越来越多地应用于木材科学领域中。

2001年，M.E.Tiitta等［10］研究了应用贝叶斯方法（Bayes）、K近邻法（K-nearest neighbor，KNN）及神经网络分类器方法分析声-超声波法（AU）检测木材中腐朽的有效性，用超声波传播进行检测，获得传播速度、声衰减、波形及频率等单一及多重AU信号。

国内有孙建平、王逢瑚等［11］在2004年探讨了小波分析、人工神经元网络、小波神经网络在木质材料缺陷无损检测研究中的应用，同时从理论上分析了木质复合材料无损检测中常用的时域波形参数分析方法、傅里叶变换分析方法和小波分析方法三种处理振动信号方法的优缺点，提出进行木质复合材料的振动无损检测时，不同的检测目的应选择相应的振动信号处理方法。

人工神经网络与木材无损检测技术的结合确保了合理选材、科学用材，可提高木材的利用率和经济价值，有效节约木材资源，保证森林生态环境的可持续发展。

3.4联合检测技术的研究
由于木材无损检测技术比较多，而且每一种技术都存在一定的缺陷，使无损检测所测得的木材强度并不是木材的实际强度，现在的研究者一般是通过用无损检测测得的强度与实际强度（由破坏实验获得）的相关性来预测木材强度的。

使用单一的无损检测法所得到的结果往往不够理想，而利用两种或两种以上的无损检测方法来预测木材的强度可显著地提高强度预测的准确性和精度。

Oja［12］在2005年使用X射线与静态弹性模量测试分别对挪威云杉进行了检测，并根据EN408测得了试件的实际强度，发现X射线测试值与实际强度的相关性（R2=0.44）和静态弹性模量测试值与实际强度的相关性（R2=0.43）相近，而将两者结合相关性明显提高（R2= 0.56）。

2007年，北京林业大学研究生张金菊［13］对芬兰和俄罗斯5个不同地区的挪威云杉和松木分别进行原木无损检测、锯材无损检测、外观检测及破坏性试验测得相应的“等级确定参数值”，最后根据3种分等标准通过建模和统计分析对锯材进行“数字分等”，并比较了各种检测方法以及不同组合方法的相关程度。

4小结
木材无损检测是无损检测技术的一个应用分支，它的存在和发展虽然只有短短的五十多年，但这期间
林业机械与木工设备
6第38卷
国内外相应的研究却很多，成绩斐然。

在木材科学与工程领域，各种无损检测技术也如雨后春笋般出现，得到推广和应用。

如今，机械应力检测（MSR ）设备在企业生产中的应用已经相当普遍。

木材无损检测在很大程度上提高了生产效率，但就目前而言，其精度和准确度还不够理想，需进一步的研究和改进。

寻找一种更有效的检测方法或多种方法的联合检测，是研究者们研究的突破口，也是未来研究的发展方向。

我国的木材无损检测研究滞后，直到近几年相应的研究才慢慢增多，所以在推广和应用方面与国外相比要落后很多，大部分研究成果还处于实验室阶段。

因此，
对于我国研究者来说，在学习和消化国外先进理论和技术的同时，推广和应用相关技术是一项任重而道远的工作。

主要参考文献：
［1］Robert J.Ross ，John I.Zerbe ，Xiping Wang ，David W.Green ，Roy
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中的对比研究［J ］．林业科技，2005（2）．
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态抗弯弹性性质［J ］
．北京林业大学学报，2005，27（5）：107-110．［5］任海青，郭伟，殷亚方．北美规格材机械分等综述［J ］．世界林业研究，
2006，19（3）：66-70．［6］Kelley S.S.，Rials Timothy ，Snell Rebecca ，etc ．Use of near infrared
spectroscopy to measure the chemical and mechanical properties of solid wood ［J ］．Wood Science and Technology ，2003，23（17）：62-65．
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业机械与木工设备，2007，35（10）：54-55．
［8］Erol S.A.，Lynn A.，Schmoldt D.L.，etc ．An interactive machine -learning approach for Defect detection in computed tomography （CT ）images of hardwood logs ［C ］．Proceedings of Scan Technique 2005International Conference ，
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．木材工业，2005，19（4）：15-17．［10］M.E.Tiitta ，F.C.Bell ，J.M.Biemacki ．Classification study for
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［12］Oja J.,Kallsner B.,Grundber G.S.Predicting the strength of sawn
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［13］张金菊．结构用锯材非破坏性检测综合分等技术研究Combigrade
课题第二阶段试验［D ］．北京：北京林业大学，2007．
第一作者简介：姜忠华（1984-），男，北京林业大学材料科学与技术学院硕士研究生。

姜忠华，等：木材无损检测的现状与发展趋势
7
第2期
哈尔滨林机所组织第二届中国林业学术大会分会场
———“现代林业技术装备创新发展”论坛
2009年11月8～9日，第二届中国林业学术大会在广西南宁隆重召开。

哈尔滨林机所组织了分会场———
“现代林业技术装备创新发展”论坛。

来自全国林业系统的高等院校、科研院所、森工集团、林业厅局、中国林业出版社、全国森林工程标准化技术委员会和全国林业机械标准化技术委员会等18个单位的会议代表共65人参加了该分会。

“现代林业技术装备创新发展”论坛共进行了6个特邀报告和7个讲座报告，主要围绕“现代林业技术装
备创新发展”这一主题，对森林作业技术与装备、中国生物质能技术与装备、林业机械标准化、采运与工业生态学等重要议题的现状、与国外林业发达国家的对比、应用中存在的问题及发展趋势进行了广泛、深入地研讨。

气氛热烈，互动效果好。

论坛共收到学术论文39篇，经过学术委员会专家的评审，评出优秀论文一等奖2名，二等奖4名，三等奖6名。

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