林业科学  2007, Vol. 43 Issue (11): 93-97   PDF    
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杨学春, 王立海.
Yang Xuechun, Wang Lihai.
原木内部腐朽应力波二维图像的获取与分析
Gain and Analysis of Two-Dimensional Images of Interior Decay of Logs with Stress Wave Method
林业科学, 2007, 43(11): 93-97.
Scientia Silvae Sinicae, 2007, 43(11): 93-97.

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收稿日期:2006-08-22

作者相关文章

杨学春
王立海

原木内部腐朽应力波二维图像的获取与分析
杨学春, 王立海     
东北林业大学 哈尔滨 150040
摘要: 应用Arbotom应力波检测系统, 对东北林区3个针叶树种(云杉、冷杉、落叶松)和9个阔叶树种(白桦、色木、椴木、杨木、水曲柳、核桃楸、榆木、铁木和柞木)的原木内部腐朽进行检测, 并对原木内部腐朽面积的实际估算值和检测估算值进行比较分析。结果表明:Arbotom应力波无损检测系统可以获取原木内部腐朽的二维图像, 但检测准确率较低, 建议采用多点测量和改进应力波测试仪器, 以提高检测准确率。
关键词:原木    内部腐朽    应力波    二维图像    
Gain and Analysis of Two-Dimensional Images of Interior Decay of Logs with Stress Wave Method
Yang Xuechun, Wang Lihai     
Northeast Forestry University Harbin 150040
Abstract: The accurate measurement of log interior decays is the basis of reasonable bucking.With the non-destructive testingtechnology of stress wave, the interior decay of logs was measured for three kinds of conifer species such as Picea asperata, Abiesfabric, Larix gmelinii and nine broadleaved trees, such as Betula platyphylla, Acer mono, Tilia tuan, Populus pseudosimonii, Fraxinus mandshurica, Juglans mandshurica, Ulmus pumila, Ostrya japonica, Quercus mongolica in northeast forest regions.Then we made a comparative analysis between the actual value and the observed value of the interior decayed areas of the logs.The test result indicated that the two-dimensional images of the interior decay from logs could be got with the non-destructive testtechnology of stress wave, but the measuring accuracy is low.Thus we suggest that "multi-spots" survey method and improvedArbotom stress wave measuring instrument should be used in order to increase the measuring accuracy.
Key words: logs    interior decay    stress wave    two-dimensional image    

原木缺陷有内部腐朽、节子(隐含节)、裂纹、孔洞、树脂囊等,其中内部腐朽是重要的原木缺陷之一。在林区造材过程中,原木内部腐朽尺寸直接影响原木的等级,如一等锯切用原木,要求大头心腐面积不得超过检尺径断面面积的1%,二等不超过16%(中华人民共和国标准,2006)。在我国林区,原木内部腐朽的程度是靠量材员的经验来判断的,其判断的准确率非常低,墩根去腐(墩根去腐部分木材在整个原木中占相当大的比例)不是一次下锯所能解决的,且作业时间长,造成大量的木材损失。因此,如何用一种先进的方法来提高原木内部腐朽判断的准确率,进行合理造材,提高原木出材率,进而提高木材经济效益,是我国林业研究人员当前要研究的重要内容之一。

国内外研究人员用应力波无损检测技术检测木材缺陷,取得了较好的成果。如通过人造孔洞的数量和位置对应力波传播参数的影响,验证应力波无损检测技术可以判断木材内部缺陷(钟建有等,1997杨学春,2004);通过应力波在木材中传播时间或传播速度的变化来预测木材缺陷的情况(Ross et al., 1994;1999; Kristin et al., 19951996Koichi et al., 1998孟瑞华等,2000Lee et al., 2003);应用应力波技术检测木制古建筑的内部缺陷(腐朽等)(段新芳等,2005)。

本文应用Arbotom应力波无损检测系统,对我国东北林区主要树种原木内部腐朽进行试验,获取二维应力波图像,并对图像数据进行简单分析。

1 材料与方法 1.1 试验材料

选用的针叶树种有云杉(Picea asperata)、冷杉(Abies fabric)、落叶松(Larix gmelinii)3个树种,选用的阔叶树种有白桦(Betula platyphylla)、色木(Acer mono)、椴木(Tilia tuan)、杨木(Popu lus pseudosimonii)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、核桃楸(Juglans mandshurica)、榆木(Ulmus pumila)、铁木(Ostrya japonica)和柞木(Quercus mongolica)9个树种,其生长地点为黑龙江省方正林业局和带岭林业局,如表 1所示。试验地点选择在方正林业局贮木场和东北林业大学工程技术学院无损检测实验室,在室内进行。

表 1 原木样本数据表 Tab.1 Basic data of log samples
1.2 试验仪器

所采用的仪器有应力波测试系统(德国)、皮尺、数码相机和含水率测定仪(意大利)。其中Arbotom应力波测试系统由Arbotom分析软件、6个传感器、Arbo tom控制器(Arbotom power)、小锤以及相应的附属部件。原木内部腐朽应力波测试系统如图 1所示。

图 1 原木内部腐朽应力波测试系统 Fig. 1 Stress wave testing system for inner decay of logs
1.3 试验步骤

摆放好原木试件,用皮尺测量所测树种原木水平截面的圆周大小;在截面圆周选定6个测点,并做标记;将钢钉按标记位置钉入树中(穿透树皮);将6个传感器按照传感器序号顺时针依次挂到钢钉上;将6个传感器互相连接,传感器1与应力波测试设备相连,应力波测试设备与笔记本电脑相连;打开笔记本电脑并运行Arbotom软件系统,测量传感器之间的距离,并输入计算机中(表 2);打开应力波测试设备主控开关,用小锤依次敲击每个传感器上的振动棒(shock bolt),每个传感器敲击5~10次;获得应力波在每个传感器之间的传播速度和传播时间,结果以矩阵形式输出或存档,如表 34所示(以水曲柳为例)(杨学春,2004);对速度和时间进行Arbotom软件分析,获取原木断面二维图像;关闭主控开关,依次取下传感器,重复上述步骤,对每个树种原木做1次,直至做完所有树种原木;每做1次试验,用数码相机拍照原木腐朽的实际形状。

表 2 原木内部腐朽测试数据表 Tab.2 Testing data of logs with inner decay
表 3 传感器之间的应力波传播时间(水曲柳) Tab.3 Transmission time between sensors (Fraxinus mandshurica)
表 4 传感器之间的应力波传播速度(水曲柳) Tab.4 Transmission velocity between sensors (Fraxinus mandshurica)
2 结果与分析

检测原木内部腐朽试验在室内进行,检测的树种有落叶松、冷杉、云杉、白桦、色木、椴木、杨木、水曲柳、核桃楸、榆木、铁木和柞木12个。所有试验树种原木的检测结果均与原木实际的形状进行对比。检测结果和实际原木形状比较如图 2所示。

图 2 检测结果和实际原木形状比较 Fig. 2 Comparison of observed results and actual log shape A.冷杉A. fabric; B.云杉P. asperata; C.核桃楸J. mandshurica; D.色木A. mono; E.杨木Ⅰ P. pseudosimonii Ⅰ; F.杨木Ⅱ P. pseudosimonii Ⅱ; G.柞木Q. mongolica; H.水曲柳F. mandshurica; I.白桦B. platyphylla; J.榆木U. pumila; K.铁木Q. japonica; L.椴木T. tuan; M.落叶松L. gmelinii.

根据检测的结果可以得出:Arbotom应力波测试系统可以判断原木内部是否腐朽,能够测出不同树种原木内部腐朽的大致形状,且能够给出原木内部腐朽的二维图像,对于形状不规则的树种原木,布置传感器时应考虑原木的形状,否则会产生不同结果, 如杨木(图 2EF),将传感器布置在凹点和凸点位置时,检测结果发生了变化。这是由于传感器布置在凸点,传感器传播路径经过凹点时,传递介质发生变化(如可能经过原木的表皮外围)所造成的。

3 原木内部腐朽面积估算与比较

本文借助于ERDAS IMAGEING软件的矢量模块,对12个树种原木内部腐朽面积的实际值和测量值进行估算,利用估算值对Arbotom应力波测试系统的测试精度进行简单分析。估算的各树种原木内部腐朽面积的实际值与测量值如表 5所示。从表 5可以看出,用应力波测试仪确定的原木内部腐朽区域面积和原木截面面积的比值,与实际原木内部腐朽区域面积与原木截面面积的比值之差绝对值小于5%的有3个树种原木,绝对值大于5%的有9个树种原木。表 5中差值的正负,表明Arbotom应力波测试系统对于不同的树种,所给出的腐朽面积有的偏大(负值),有的偏小(偏小)。

表 5 原木内部腐朽面积测量值与实际值的比较 Tab.5 Comparison of testing value and actual value of inner decay of diff erent logs
4 结束语

应用Arbotom应力波测试系统对12个树种原木内部腐朽进行检测试验,可以得出,Arbotom应力波测试系统可以判定不同树种(如针叶树和阔叶树)原木内部腐朽,并初步给出原木内部腐朽的二维图像,但测量值与实际值的符合程度比较低。建议增加传感器的数量进行多点测量或用有限的传感器进行移位-叠加测量,可提高腐朽面积测量的精度。

用Arbotom应力波测试系统,测量原木试件的一个截面,从布置传感器到数据存储结束,大约需要8~15 min,检测效率较低。建议将数据处理仪器和测试仪器组合到一起,形成一个仪器,既可以测试,又可以数据处理,这样便于提高检测效率。

参考文献(References)
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杨学春.2004.基于应力波原木内部腐朽检测理论及试验的研究.东北林业大学博士学位论文
杨学春, 王立海. 2005. 红松木材结构缺陷对应力波传播参数的影响. 东北林业大学学报, 33(1): 30-31.
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