木材應(yīng)力波斷層成像

浙江農(nóng)林大學(xué)研發(fā)了木材應(yīng)力波斷層成像儀在第十三屆“挑戰(zhàn)杯”交通銀行全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽決賽中獲獎(jiǎng)。該項(xiàng)技術(shù)接軌國際，采用二維顯像，能讓人一眼看到木材內(nèi)部的圖像。
　　
　　應(yīng)力波傳播可對(duì)樹木進(jìn)行無損檢測(cè)
　　
　　采用應(yīng)力波傳播時(shí)間為原理對(duì)樹木內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測(cè)，可以獲得樹木橫切面內(nèi)部的二維或三維圖像，從圖像中發(fā)現(xiàn)木材內(nèi)部健康與腐朽情況以及腐朽的程度大小，從而獲取古樹或其他測(cè)量對(duì)象的健康狀態(tài)。
　　
　　木材中應(yīng)力波傳播是直接與木材物理和力學(xué)性能有關(guān)的動(dòng)態(tài)過程。應(yīng)力波法檢測(cè)木質(zhì)材料的原理是利用木質(zhì)材料受撞擊后，在其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械波的傳播，并根據(jù)木質(zhì)材料的彈性模量E、應(yīng)力波速度C和木質(zhì)材料密度P之間存在的關(guān)系：E=C2p，通過測(cè)量應(yīng)力波傳播速度確定木質(zhì)材料的彈性模量,最終估算出木質(zhì)材料的力學(xué)強(qiáng)度。
　　
　　應(yīng)力波檢測(cè)內(nèi)窺鏡法屬于機(jī)械波行為,對(duì)人體無危害,該工業(yè)內(nèi)窺鏡不受被測(cè)木材形狀和尺寸的限制，在傳感器和被測(cè)木材之間不須用耦合劑，且攜帶方便，被廣泛應(yīng)用于立木品質(zhì)評(píng)價(jià)、木結(jié)構(gòu)建筑部件現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)窺鏡檢測(cè)及各種木制品的力學(xué)性能評(píng)估。
　　
　　不用砍樹就知道樹木好壞
　　
　　一棵生長的大樹，樹干里有沒有空，有經(jīng)驗(yàn)的師傅用手敲敲聽聽聲音，或許能夠鑒別出來。但還是會(huì)存在失策的情況。就像林場(chǎng)砍樹下來做材料，就時(shí)常碰到砍下來的樹空洞無用，白砍了。
　　
　　負(fù)責(zé)研發(fā)木材應(yīng)力波斷層成像儀的李光輝教授介紹說，該儀器主要利用脈沖錘撞擊樹木，使其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波的傳播，在此期間，與脈沖錘聯(lián)結(jié)在一起的木材應(yīng)力波斷層成像儀中，會(huì)自動(dòng)利用傳感器輸出信號(hào)，經(jīng)過模擬電路處理后輸出至數(shù)字處理電路，然后數(shù)字處理電路對(duì)前級(jí)輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，得到應(yīng)力波傳播時(shí)間的波形圖，并通過木材應(yīng)力波斷層成像儀的顯示器顯示。使用者可以通過測(cè)量應(yīng)力波的傳播時(shí)間和傳播速度的變化，并計(jì)算木材彈性模量等參數(shù)，通過比正常的同類樹種相關(guān)數(shù)據(jù)，來判斷木材內(nèi)部有無缺陷。
　　
　　“用我們的儀器，砍樹前測(cè)一測(cè)就知道了。”浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院學(xué)生王麗霞說，只需要在樹上釘一些釘子支撐傳感器，就可能通過敲擊后產(chǎn)生的應(yīng)力波，洞悉樹木里的情況。“根據(jù)傳感器傳回來的速度，電腦上能夠顯示圖像。傳回來的速度越慢，電腦上顯示紅色、黃色的可能性就越大，因?yàn)檫@兩種顏色是代表樹木都有問題，其中紅色表示問題最嚴(yán)重，如果顯示綠色就表明樹木內(nèi)部是好的。”
　　
　　一代儀器曾在故宮使用過
　　
　　“我們的儀器，不僅可以用在還在生長的樹木身上，還能夠用在古建筑的木材檢測(cè)中。兩三年前的一代儀器，還在北京故宮檢測(cè)過立柱，幫助管理單位發(fā)現(xiàn)問題，提前保養(yǎng)。”說起自己參與研發(fā)的儀器，王麗霞一臉自豪。
　　
　　這份自豪不是沒有理由的。“在此之前，木材研究領(lǐng)域雖然也有紅外線檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、核磁共振檢測(cè)法等，但是因?yàn)樵O(shè)備昂貴、復(fù)雜而難以推廣，我們開發(fā)的產(chǎn)品最大特點(diǎn)是既不破壞材料的原有特性，又能在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)獲得檢測(cè)結(jié)果。此外，我們的儀器還有在傳感器與被測(cè)木材之間不需任何的耦合劑；使用方便，不受木材尺寸和形狀的影響；不對(duì)人體造成危害等優(yōu)點(diǎn)，和國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比成本低得多。”
　　
　　新一代的木材應(yīng)力波斷層成像儀，技術(shù)上面已經(jīng)與國際接軌了，都是采用二維顯像，能讓人一眼看到木材內(nèi)部的圖像。但是，價(jià)格卻是國外產(chǎn)品的零頭。“德國產(chǎn)的儀器售價(jià)20多萬，匈牙利的儀器售價(jià)達(dá)到30萬，我們的價(jià)格才3萬左右，功效都差不多。”現(xiàn)在，省林業(yè)廳已經(jīng)使用浙農(nóng)林大學(xué)研發(fā)的木材應(yīng)力波斷層成像儀。
　　
　　國內(nèi)外進(jìn)展
　　
　　早在1950年,國際上就開始研究利用應(yīng)力波技術(shù)評(píng)價(jià)木材性質(zhì)。20世紀(jì)60年代，國外科研者發(fā)現(xiàn)由于木材缺陷的存在影響到木材強(qiáng)度,沖擊波的傳播時(shí)間會(huì)受到影響，通過檢測(cè)時(shí)間的差別可以判斷材料的性質(zhì)。但內(nèi)窺鏡由于受材料尺寸和當(dāng)時(shí)度量技術(shù)條件的限制，這個(gè)時(shí)間差值很難檢測(cè)。此外，彈性模量值與速度的具體關(guān)系也無法得知。直到1988年，在Ross和Pellerin的研究中，木材的彈性模量、應(yīng)力波速度和木質(zhì)材料密度三者之間的關(guān)系才被明確為E=C2p／g。從此，通過測(cè)量應(yīng)力波速度確定木材的彈性模量。進(jìn)而對(duì)木材性質(zhì)的評(píng)價(jià)得以實(shí)現(xiàn)。
　　
　　此后的數(shù)年,國外學(xué)者利用統(tǒng)計(jì)分析的方法，通過對(duì)大量的木材進(jìn)行無損檢測(cè)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)和分析各種測(cè)量參數(shù)，評(píng)價(jià)木材彈性模量、拉伸強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)。北京德朗研究人員進(jìn)一步驗(yàn)證了應(yīng)力波方法在木材缺陷檢測(cè)的可行性，并探索了其在木材無損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用風(fēng)潮。
　　
　　1995年,王志同志利用應(yīng)力波無損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)中密度纖維板的彈性模量，這是國內(nèi)首次報(bào)道采用應(yīng)力波方法檢測(cè)木質(zhì)材料。結(jié)果表明，應(yīng)力波無損檢測(cè)法測(cè)定的中密度纖維板彎曲彈性模量有足夠精確的保證，測(cè)試數(shù)據(jù)具有較高的精度與重復(fù)精度，從而為實(shí)現(xiàn)中國中密度纖維板生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量的在線自動(dòng)化控制奠定了基礎(chǔ)。
　　
　　近年來，許多學(xué)者進(jìn)行了大量基于應(yīng)力波法的木材無損檢測(cè)研究，在應(yīng)力波傳播模型建立和應(yīng)力波信號(hào)采集系統(tǒng)的開發(fā)等方面取得了一定的成果，在實(shí)際應(yīng)用方面更為突出。尚大軍等閻基于應(yīng)力波檢測(cè)方法，利用Pilodyn內(nèi)窺鏡檢測(cè)設(shè)備對(duì)西藏部分古建筑腐朽和蟲蛀木構(gòu)件進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)．通過對(duì)木構(gòu)件腐朽和蟲蛀程度的定量、定性對(duì)比，論證了應(yīng)力波內(nèi)窺鏡檢測(cè)法用于古建筑木構(gòu)件的腐朽和蟲蛀程度檢測(cè)的可行性。同年,段新芳等圓就應(yīng)力波技術(shù)檢測(cè)古建筑木構(gòu)件殘余彈性模量進(jìn)行了初步研究,結(jié)果表明應(yīng)力波無損檢測(cè)可以有效地測(cè)定殘余木構(gòu)件的力學(xué)強(qiáng)度,且不同種類木構(gòu)件彈性模量保持率與其承重作用大小相關(guān)。朱景樂等概述了，應(yīng)力波設(shè)備Pilodyn內(nèi)窺鏡在林木遺傳改良應(yīng)用中的研究進(jìn)展，肯定了應(yīng)力波無損檢測(cè)在林木材性改良選擇中的重要作用。李華等人創(chuàng)新地將三維應(yīng)力波斷層掃描儀和阻力儀聯(lián)合應(yīng)用于古建筑木結(jié)構(gòu)的勘查中，得到了更為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。

多少年的老傳統(tǒng)，如今有心之士變成科技創(chuàng)新，真是應(yīng)了那句老話：“實(shí)踐出真知，功夫不負(fù)有心人”。