結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料性能無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)

1、3 結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料性能無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)3.1 概述結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料主要包括規(guī)格化鋸材（規(guī)格材）和重組型木質(zhì)結(jié)構(gòu)材，除了集成材、結(jié)構(gòu)用人造板、單板層積材 (LVL) 、單板條層積材 (PSL)、大片刨花層積木 (LSL) 、定向結(jié)構(gòu)刨花板 (OSB)等素材以外，還有一些復(fù)合制品，如木質(zhì)工字梁、三角桁架等。這些規(guī)格化的結(jié)構(gòu)材，一般被用在梁、墻體、柱體、屋頂桁架等部位，作為建筑的受力構(gòu)件使用。木質(zhì)材料的性能要求主要包括：物理性能、力學(xué)性能、耐久性（老化性能）、表面特性等。物理性能包括含水率、密度、吸水率等。力學(xué)性能包括彎曲強(qiáng)度、彈性模量、順紋抗拉強(qiáng)度、橫紋抗拉強(qiáng)度、膠合質(zhì)量、沖擊韌性、握螺釘力等。木材作

2、為一種歷史悠久的天然材料，一直以來(lái)在各個(gè)行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。但是，木材的材性是各向異性，在其生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)形成各種缺陷，各向異性和缺陷使木材的使用受到了一定的影響，因此需要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)才能應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。木材的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能在不破壞木材使用價(jià)值的基礎(chǔ)上做到對(duì)木材的使用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，因而成為了一種重要的檢測(cè)技術(shù)。對(duì)于作為結(jié)構(gòu)用材的木材而言，無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)力分等技術(shù)則是使木材達(dá)到最佳使用效果的十分關(guān)鍵的技術(shù)。因此，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在結(jié)構(gòu)材的合理使用中起到了舉足輕重的地位。結(jié)構(gòu)用集成材、結(jié)構(gòu)用人造板、單板層積材(LVL) 、定向結(jié)構(gòu)刨花板 (OSB) 等都是以木材為基礎(chǔ)經(jīng)過(guò)加工成形的木質(zhì)材料。這些材

3、料正成為當(dāng)前木結(jié)構(gòu)建筑中的主要應(yīng)用材料。這些材料在使用前，都有進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)和缺陷檢測(cè)的需要和必要性。木質(zhì)材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一門(mén)新興的、綜合性的非破壞性檢測(cè)技術(shù)，可在不破壞木質(zhì)材料的本身形狀、原有結(jié)構(gòu)和原有力學(xué)狀態(tài)的前提下，利用當(dāng)今的物理方法和手段快速測(cè)量出木質(zhì)材料的尺寸、規(guī)格、表面形狀和基本物理力學(xué)性能。 國(guó)外的木質(zhì)材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)早在 20 世紀(jì) 50 年代就開(kāi)始研究。我國(guó)在木質(zhì)材料無(wú)損檢測(cè)方面的研究起步比較晚，從 20 世紀(jì) 70 年代末開(kāi)始應(yīng)用 X 射線檢測(cè)方法對(duì)木材缺陷檢測(cè)進(jìn)行了試驗(yàn)性研究，而應(yīng)力分等技術(shù)在近十幾年逐步開(kāi)始發(fā)展。 木質(zhì)材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是建立在多學(xué)科基礎(chǔ)上的，在木質(zhì)材

4、料的監(jiān)控保護(hù)和生產(chǎn)加工中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，促使木質(zhì)材料傳統(tǒng)測(cè)試方法發(fā)生根本的變革，使木質(zhì)材料的質(zhì)量控制和管理達(dá)到一個(gè)新的水平，為木質(zhì)材料生產(chǎn)過(guò)程的工藝控制和自動(dòng)化準(zhǔn)備了必不可少的條件。采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)的木質(zhì)材料物理力學(xué)性能主要包括：彈性模量、靜曲強(qiáng)度和結(jié)合強(qiáng)度（這兩個(gè)指標(biāo)一般是需要破壞試件的）、密度以及含水率等。目前，對(duì)木質(zhì)材料的物理力學(xué)性能進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的主要方法如表1-1 所示。表1-1木質(zhì)材料力學(xué)性能無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要方法機(jī)械應(yīng)力檢測(cè)檢測(cè)原理采用機(jī)械方法施加恒定變形( 或載荷 ) 于被測(cè)試樣上，測(cè)得相應(yīng)的載荷 ( 或變形 ) ，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)算出試樣的彈性模量，并推測(cè)靜曲強(qiáng)度。通過(guò)施

5、加外力使試樣產(chǎn)生橫向振動(dòng)之后，通過(guò)傳感器測(cè)取試樣的自振動(dòng)檢測(cè)由振動(dòng)頻率，計(jì)算出試樣的彈性模量。檢測(cè)通過(guò)試樣的縱向應(yīng)力波的速度，結(jié)合試樣的密度，確定出試樣沖擊應(yīng)力波檢測(cè)的彈性模量，對(duì)靜曲強(qiáng)度及結(jié)合強(qiáng)度等也可進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。以射線透射木質(zhì)材料，用射線接收傳感器直接測(cè)量窄小圍透過(guò)試樣射線檢測(cè)前后射線強(qiáng)度的變化，根據(jù)射線衰減率以及試樣的平均吸收系數(shù)推算 出木材的密度。通過(guò)測(cè)定超聲波經(jīng)過(guò)試樣預(yù)定距離的傳播時(shí)間計(jì)算平均波速，然后超聲波檢測(cè)可利用波速和密度計(jì)算試樣的彈性模量。當(dāng)發(fā)射天線發(fā)射的微波遇到被測(cè)木材基體并透射時(shí)，將由于水分子微波檢測(cè)的強(qiáng)烈吸收作用而使透射功率發(fā)生變化，根據(jù)接收天線接收到的微波的功率變

6、化與含水率之間的關(guān)系，即可測(cè)定出木材的含水率。木材按強(qiáng)度性能劃分成幾個(gè)等級(jí)，稱為應(yīng)力分等。規(guī)格材的應(yīng)力分等是 70 年代木材行業(yè)的重要研究成果之一，它是合理利用木材，提高木材利用率的有效措施。表1-2為主要的 規(guī)格材應(yīng)力分等方法（郝金城，1994）。表 1-2 規(guī)格材 應(yīng)力分等方法主要方法分等原理主要根據(jù)木材表面的節(jié)子、紋理、開(kāi)裂、和腐朽等木材缺陷，在目測(cè)觀察的目測(cè)分等基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)木材等級(jí)的方法。機(jī)械分等由機(jī)械連續(xù)測(cè)量木材的變形，計(jì)算木材的靜彈性模量，并根據(jù)木材變形從彈性模量和強(qiáng)度的關(guān)系，推測(cè)木材的強(qiáng)度值。由木材的振動(dòng)特性得出固有頻率，計(jì)算木材的動(dòng)彈性模根據(jù)振動(dòng)特性量，并根據(jù)與強(qiáng)度的關(guān)系，推測(cè)木

7、材的強(qiáng)度值。木質(zhì)材料無(wú)損檢測(cè)與木材應(yīng)力分等都是木質(zhì)材料合理利用的有效技術(shù)手段。對(duì)于木材彈性模量的檢測(cè)已成為當(dāng)前先進(jìn)的木材分等技術(shù)的基礎(chǔ)，木材力學(xué)強(qiáng)度在線檢測(cè)的主要依據(jù)幾乎都是通過(guò)測(cè)定木材的彈性模量 , 再根據(jù)已知的彈性模量與強(qiáng)度之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)木材的自動(dòng)分等。利用木材彈性模量的自動(dòng)檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)木材強(qiáng)度自動(dòng)分級(jí)的連續(xù)化生產(chǎn) , 最典型的是利用機(jī)械應(yīng)力分級(jí) (Machine Stress Rating:MSR)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)規(guī)格材進(jìn)行分等。機(jī)械應(yīng)力分級(jí)技術(shù)在北美應(yīng)用的相對(duì)較多 , 在實(shí)際應(yīng)用中 , 它是結(jié)合人對(duì)木材表面的可見(jiàn)缺陷的觀察實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的。 另外，規(guī)格材機(jī)械應(yīng)力分等技術(shù)已被一些公司應(yīng)用到對(duì)單板層

8、積材 (LVL) 的強(qiáng)度分級(jí)上。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)木材、木質(zhì)材料力學(xué)性質(zhì)和材料表面及部的缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，是木材和木質(zhì)材料傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)的一次深刻革命。它建立在多學(xué)科的高技術(shù)基礎(chǔ)之上，可使成材和人造板等木質(zhì)材料的質(zhì)量控制得到跨越性的提高，并為其生產(chǎn)過(guò)程的工藝窯和自動(dòng)化提供必備的條件。木質(zhì)材料的在線無(wú)損檢測(cè)及應(yīng)力分等，能改變傳統(tǒng)分等方法的分等效率低、分等誤差大等缺陷，有快速準(zhǔn)確地對(duì)成材和人造板等木質(zhì)材按應(yīng)力或強(qiáng)度水平進(jìn)行區(qū)分、劃等，提高材料的利用水平，同時(shí)也避免了因分等不準(zhǔn)造成材料的超值使用所帶來(lái)的事故隱患。特別是對(duì)一些原本必須用破壞的方法才能檢測(cè)的材料性質(zhì)，利用木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)則將更加顯現(xiàn)其

9、優(yōu)越性。面對(duì)森森資源不足、森林質(zhì)量也不高的現(xiàn)狀，如何合理利用、保護(hù)、發(fā)展、增加資源，是緩解我國(guó)木材供需矛盾的根本措施。對(duì)立木生長(zhǎng)特性進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控可控制和促進(jìn)木材量和質(zhì)的提高，制材前的形狀、規(guī)格和缺陷等的無(wú)損檢測(cè)可提高成材和人造板的質(zhì)量控制水平，防止木材和人造板的人為浪費(fèi)，間接節(jié)省了木材資源；采用在線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可節(jié)約鋸材，即相對(duì)增加鋸材使用量，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益；木質(zhì)材料在線無(wú)損檢測(cè)可提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；還可提高分級(jí)質(zhì)量、節(jié)省前后工序的備料場(chǎng)地，使整個(gè)生產(chǎn)線更加暢通，提高了整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。另外，木材按力學(xué)性能分級(jí)、分等后進(jìn)行干燥，干燥時(shí)應(yīng)力性質(zhì)趨同，有利于干燥

10、過(guò)程的控制，可使傳統(tǒng)的含水率和時(shí)間控制基準(zhǔn)向應(yīng)力控制基準(zhǔn)過(guò)渡，進(jìn)而縮短干燥時(shí)間，提高干燥質(zhì)量，減少成本，提高效益。3.2 力學(xué)性能測(cè)試原始方法此節(jié)容為本章的有機(jī)組成部分，請(qǐng)給予保留，不要?jiǎng)h除或移動(dòng)中心點(diǎn)單載荷彎曲測(cè)定法（三點(diǎn)彎曲測(cè)試法）圖 1 為中心點(diǎn)單載荷彎曲測(cè)定法示意圖。木質(zhì)材料試件被簡(jiǎn)支在兩端，一個(gè)載荷施加在試件中間點(diǎn)并垂直于試件。測(cè)定載荷大小和試件中間點(diǎn)的變形量。試件彎曲彈性模量 (MOE) 可以通過(guò)下面方程式計(jì)算得到。MOEPL348I式中：P載荷（ N）,L兩支承間距（ m），I慣性距（ m4），試件中間點(diǎn)變形（m）。圖 1中心點(diǎn)單載荷彎曲測(cè)定法示意圖雙載荷測(cè)定法（四點(diǎn)彎曲測(cè)試法）

11、圖 2 為雙載荷測(cè)定法示意圖。這種方法唯一與前面方法的不同點(diǎn)是，用相距兩端點(diǎn)相等距離的兩個(gè)相等載荷代替原來(lái)的一個(gè)載荷。試件的彎曲彈性模量可以用下面方程式計(jì)算得到。MOEPa(3L24a2 )48I式中： a載荷距端點(diǎn)的距離（m）。圖 2雙載荷測(cè)定法示意圖這兩種測(cè)定方法，兩端支承的設(shè)計(jì)和制作是實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的關(guān)鍵之一。理想狀況是兩端支承剛度無(wú)窮大，沒(méi)有任何縱向位移發(fā)生。另外，測(cè)試中試件的水平位移不能被兩端支承限制，而且支承應(yīng)當(dāng)能夠隨試件表面的彎曲變形而轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。3.3 橫向振動(dòng)及縱向應(yīng)力波無(wú)損評(píng)價(jià)方法橫向振動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)橫向振動(dòng)可以用來(lái)進(jìn)行木質(zhì)材料的無(wú)損檢測(cè)。為說(shuō)明這種方法的基本原理，可以將橫

12、向振動(dòng)簡(jiǎn)化為一個(gè)懸掛在彈簧下面的重物所做的振動(dòng)，如圖3 所示。在圖中，重物M 通過(guò)一個(gè)彈簧被懸掛在一個(gè)絕對(duì)剛性支承下面，彈簧的剛度為K ，彈簧重量可以忽略。振動(dòng)過(guò)程中的阻尼可以簡(jiǎn)化為一個(gè)阻尼器D。當(dāng)一個(gè)交變載荷 P0 sin t 作用在重物上，則重物 M 的振動(dòng)可以用下面方程表示。Md 2 xDdxKx P0 sin t(1)dt 2dt圖 3重物彈性振動(dòng)模型（左）和橫向振動(dòng)梁（右）通過(guò)求解這個(gè)方程式 (1)，可以得到系統(tǒng)的K 和 D。對(duì)簡(jiǎn)支梁振動(dòng)系統(tǒng)來(lái)講，K 就是振動(dòng)梁的彈性模量。當(dāng)振動(dòng)梁被簡(jiǎn)支在其兩個(gè)振動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，有下面求解彈性模量（ MOE）成立。f r2WL3MOE(2)12.65Ig當(dāng)

13、振動(dòng)梁被簡(jiǎn)支在其兩個(gè)端點(diǎn)時(shí)，有下面求解彈性模量（MOE ）成立。fr2WL3MOE(3)2.46Ig在上面兩個(gè)求解彈性模量（MOE ）的計(jì)算式中：MOE 動(dòng)態(tài)彈性模量（ Pa）fr 響應(yīng)頻率（ Hz）W 梁的重量（ Kg ）L 梁的長(zhǎng)度（ m）I 梁的慣性距（ m4）2對(duì)方程式 (1)求解，可以同時(shí)得到另一個(gè)代表部摩擦或阻尼的阻尼器D 的參數(shù)。對(duì)數(shù)振動(dòng)衰減量是一個(gè)反映部振動(dòng)阻尼的參數(shù)，在自由振動(dòng)情況下，可表示為下式。1ln A1(4)n 1AnA 1 和 A n 分別是兩個(gè)相距 n-1 個(gè)振動(dòng)循環(huán)的振幅。如圖4a 所示圖 4梁的橫向振動(dòng)：(a) 自由振動(dòng)曲線(b) 受迫振動(dòng)下的共振響應(yīng)在自由振

14、動(dòng)情況下，可表示為下式。f1(5)f r( Ar / A)21式中：f 響應(yīng)曲線上在振幅為A 時(shí)的共振點(diǎn)兩側(cè)頻率差，fr = 響應(yīng)頻率Ar 共振點(diǎn)處的振幅（圖4b）。響應(yīng)品質(zhì)（ Sharpness of resonance） Q 經(jīng)常被用來(lái)阻尼大小。Q 的定義為：fr(6)Qf當(dāng)采用半功率點(diǎn)法（ half-power point method），即 A0.707Ar 時(shí)，式 (5)可轉(zhuǎn)變?yōu)椋篺(7)f r聯(lián)立 (6)、(7)兩式，有Q應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)力波作為木質(zhì)材料無(wú)損檢測(cè)的一種手段，近年來(lái)被逐漸重視并應(yīng)用起來(lái)。作為無(wú)損檢測(cè)參數(shù)的主要是應(yīng)力波傳播速度和衰減率。為說(shuō)明應(yīng)力波技術(shù)，考慮在各向同

15、性粘彈性材料棒中傳播的一維波理論（如圖5 所示）。在圓棒一端被敲擊后，一個(gè)壓縮波產(chǎn)生。這個(gè)壓縮波開(kāi)始向前移動(dòng)，波前沿材料單元被激勵(lì)，波后沿材料單元恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)。波長(zhǎng)或波前沿和后沿間距，由錘子與圓棒端面接觸時(shí)間和波傳播速度決定。壓縮波以不變速度沿圓棒長(zhǎng)度方向移動(dòng)，但單個(gè)材料單元點(diǎn)只在波經(jīng)過(guò)它的時(shí)候有一個(gè)很小的移動(dòng)。在波移動(dòng)到圓棒另一個(gè)端面后，將被反射并成為一個(gè)力波向反方向移動(dòng)（圖6）。波的移動(dòng)速度與敲擊力大小無(wú)關(guān)。圖 5各向同性粘彈性材料棒中傳播的一維波圖 6正方向的壓縮波和反方向的力波波的能量隨著其傳播而消散，所以盡管波速保持一定，但單個(gè)材料單元的移動(dòng)值隨著每次波的通過(guò)而減小，直至圓棒部所有材

16、料單元趨于靜止。監(jiān)視靠近端部某一截面上一個(gè)材料單元點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，會(huì)發(fā)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)為一個(gè)個(gè)波長(zhǎng)相等但幅值逐漸減小的一組正弦脈沖（圖7）。圖 7單個(gè)材料單元點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與時(shí)間關(guān)系測(cè)量?jī)x可以通過(guò)傳感器測(cè)得脈沖波在圓棒中的移動(dòng)時(shí)間，在知道圓棒的長(zhǎng)度尺寸后，波的傳播速度可以由下式計(jì)算得到。C2 Lt圓棒彈性模量可以在得知應(yīng)力波速度C 和材料密度 后通過(guò)下面算式得到。MOEC 2波的衰減率可以在測(cè)得不同脈沖的幅值后，通過(guò)算式(4)計(jì)算得到。值得注意的是，依據(jù)這個(gè)算式得到的應(yīng)力波衰減率與所用激振系統(tǒng)的特性高度相關(guān)。因此，不同研究者在使用不同形式激振系統(tǒng)情況下得到的數(shù)值沒(méi)有直接可比性。雖然如此，研究結(jié)果顯示應(yīng)力波的衰減

17、率提供了許多有用的關(guān)于木質(zhì)測(cè)量的性能信息。木質(zhì)材料不是各向同性材料，那么根據(jù)在各向同性圓棒中得到的應(yīng)力波傳播理論是否能適用于木質(zhì)材料哪？多位研究者在進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究后，發(fā)現(xiàn)在各向同性圓棒中的一維應(yīng)力波傳播理論是可以用來(lái)表述木質(zhì)材料應(yīng)力波傳播特性的。一個(gè)非常流行的應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是簡(jiǎn)單地測(cè)定應(yīng)力波在木質(zhì)材料中的傳播時(shí)間，并通過(guò)計(jì)算得到應(yīng)力波傳播速度，如圖8 所示。在這個(gè)時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)中，機(jī)械性沖擊產(chǎn)生縱向應(yīng)力波波。壓電傳感器被放置在試件上不同位置處，用來(lái)感知波的通過(guò)。波在兩個(gè)傳感器間的傳播時(shí)間被記錄，并進(jìn)而可以計(jì)算波的傳播速度。圖 8 用來(lái)測(cè)定應(yīng)力波在木質(zhì)材料中傳播時(shí)間的系統(tǒng)表 1 為應(yīng)力波在一

18、些不同樹(shù)種木材中，單位長(zhǎng)度（ 1 米）上的傳播時(shí)間。可以看到，應(yīng)力波在平行纖維方向上傳播所用時(shí)間短，而在垂直纖維方向上傳播所用時(shí)間長(zhǎng)。兩者相差較大。表 1 應(yīng)力波在一些木材中的單位長(zhǎng)度上傳播時(shí)間木材種類(lèi)樺木 (birch)黃 (yellow poplar)黑櫻桃 (black cherry)紅橡木 (red oak)花旗松 (Douglas fir)糖楓 (sugar maple)白蠟樹(shù) (white ash)南方松 (southern pine)西特喀云杉 (sitka spruce)3.4 聲發(fā)射評(píng)價(jià)含水率應(yīng)力波單位長(zhǎng)度傳播時(shí)間（ s/m）（）平行纖維方向垂直纖維方向4-6213-1747

19、15-6764-6194-174715-6764-6207-184689-6204-6226-177646-57110-11203850-59712256-19412252-1979200-17010170在過(guò)去幾十年里，有相當(dāng)數(shù)量的聲發(fā)射（Acoustic Emission, AE ）研究是針對(duì)木材和木質(zhì)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)的。聲發(fā)射的產(chǎn)生是源于材料部的應(yīng)力釋放，傳感聲發(fā)射信號(hào)通常要用壓電晶體傳感器，且壓電晶體傳感器要設(shè)置在材料表面。聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)技術(shù)用于木質(zhì)復(fù)合材料源自1960 年代。聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)技術(shù)首先被用于纖維復(fù)合材料的檢測(cè)。纖維復(fù)合材料具有許多與木質(zhì)材料相似的性質(zhì)，和木質(zhì)材料一樣，需要

20、特別技術(shù)檢測(cè)其部的裂紋缺陷。對(duì)金屬材料來(lái)講，部裂紋缺陷的檢測(cè)采用x 射線技術(shù)是個(gè)有效的方法。虛弱（或被虛弱）的材料在低應(yīng)力水平下會(huì)發(fā)出AE 信號(hào)。圖 9 顯示一個(gè)檢測(cè)材料部聲發(fā)射應(yīng)力或應(yīng)變波的事例。一個(gè)應(yīng)力或應(yīng)變波從材料部裂紋產(chǎn)生傳至材料表面。在材料表面的某些點(diǎn)處，AE 傳感器對(duì)應(yīng)力變形產(chǎn)生反映，傳感器部的壓電晶體元件將產(chǎn)生電荷信號(hào)。如果傳感器是共振型傳感器，則輸出將主要集中在壓電晶體元件的共振頻率處。材料部的單個(gè)裂紋破壞，可引起單個(gè)或多個(gè)AE 反映。當(dāng)一個(gè)應(yīng)力信號(hào)到達(dá)傳感器處并引起一個(gè)可感知的輸出，則相當(dāng)于一個(gè)信號(hào)“沖擊”。圖 9 聲發(fā)射傳感器在材料表面檢測(cè)應(yīng)力或應(yīng)變波圖 10 顯示了典型的

21、 AE 信號(hào)波形。為消除噪聲的影響，設(shè)定一個(gè)底限電壓值。在大部分應(yīng)用場(chǎng)合，底限值設(shè)為稍微高于周?chē)脑肼曋?。在圖中，標(biāo)示了兩個(gè)重要的AE信號(hào)參數(shù)，一個(gè)是信號(hào)持續(xù)時(shí)間，一個(gè)是信號(hào)峰值。信號(hào)持續(xù)時(shí)間為AE 信號(hào)由開(kāi)始超越底限值到最后一次超越底限值持續(xù)的時(shí)間。信號(hào)峰值指最大尖峰的峰值。許多報(bào)告總結(jié)了 AE 信號(hào)參數(shù)代表的意義，如高的峰值代表纖維斷裂，而短的持續(xù)時(shí)間代表基體材料開(kāi)裂。在 AE 信號(hào)分析處理中，有關(guān)開(kāi)裂點(diǎn)（信號(hào)源）的判斷是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的工作。當(dāng)然，在分析處理中假設(shè)信號(hào)在傳遞過(guò)程中沒(méi)有被其它意外信號(hào)干擾。在一些工作中，信號(hào)跨越底限值的次數(shù)被記錄。后來(lái)，跨越底限值的次數(shù)被用來(lái)評(píng)價(jià)AE 信號(hào)

22、的活躍性。某些報(bào)告也談到劍峰出現(xiàn)時(shí)間，即從首次跨越底限值到出現(xiàn)最大峰值的時(shí)間。小的峰值出現(xiàn)時(shí)間意味著傳感器距離斷裂點(diǎn)近。另外，斷裂點(diǎn)距離傳感器近，通常表現(xiàn)為 AE 信號(hào)峰值高，信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。圖 10一個(gè)典型的AE 信號(hào)最簡(jiǎn)單的確定裂紋出現(xiàn)位置的方法是根據(jù)信號(hào)到達(dá)不同位置傳感器的時(shí)間差。在知道信號(hào)在材料中傳遞速度的情況下，時(shí)間可以轉(zhuǎn)換成距離，然后根據(jù)不同傳感器的方位，確定裂紋位置。3.5 射線法利用 X 射線或伽瑪射線都能測(cè)量材料的密度。利用一系列傳感器，可以測(cè)得木質(zhì)材料截面和長(zhǎng)度方向的密度分度。節(jié)子的密度較周?chē)鷧^(qū)域大，所以能測(cè)量其位置與尺寸，甚至能繪出其形狀（Bostr?m， 1999）。這

23、種 檢測(cè)方法 的正確性取決于傳感器的數(shù)量。Schajer（2001）使用 X 射線多探頭密度掃描儀檢測(cè)了2× 4 的南方黃松。儀器給出了無(wú)缺陷材的特性與節(jié)子的尺寸與位置。并分別使用單探頭與探頭掃描儀估計(jì)的彎曲強(qiáng)度。單探頭系統(tǒng)得到的 R2 值為 0.65，而三探頭系統(tǒng)的 R2 值為 0.73。同時(shí)還使用了 抗彎剛度來(lái)估計(jì)彎曲強(qiáng)度，其 R2 值只有 0.53。圖 11 和圖 12 是加拿大科學(xué)家利用 Computer Tomography (CT) 技術(shù)對(duì)原木和單板層積材（ Laminated Veneer Lumber, 即 LVL ）的檢測(cè)實(shí)例。前者的目的是檢測(cè)原木部的缺陷，這對(duì)制材

24、過(guò)程中正確確定刀具位置有非常重要的參考作用。后者目的是檢測(cè)單板層積材的部粘接質(zhì)量。 CT 技術(shù)是檢測(cè)木質(zhì)材料部質(zhì)量的非常好的方法，目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段。如何降低設(shè)備成本、提高生產(chǎn)率、減小操作現(xiàn)場(chǎng)射線污染是正在努力主要方向。圖 11CT 技術(shù)用于原木部缺陷的檢測(cè)圖 12CT 技術(shù)用于LVL 部粘接質(zhì)量檢測(cè)3.6 鉆孔探測(cè) 法這種簡(jiǎn)單鉆削式檢測(cè)法經(jīng)常被用于使用中的木結(jié)構(gòu)檢測(cè)，評(píng)價(jià)木質(zhì)構(gòu)件的健康狀況。這種檢測(cè)方法的根本依據(jù)是，當(dāng)木質(zhì)材料的結(jié)實(shí)狀況下降時(shí)，木質(zhì)材料會(huì)變軟，鉆頭前進(jìn)時(shí)的阻力會(huì)變小。鉆頭和生長(zhǎng)錐是兩種經(jīng)常使用的用于探測(cè)木材部缺陷的工具。兩種技術(shù)都是探測(cè)木材部缺陷（腐朽、空洞等）的出現(xiàn)，以

25、及部缺陷出現(xiàn)后，剩余部分的厚度。鉆頭和生長(zhǎng)錐在許多方面性質(zhì)相同。鉆頭通常采用電鉆驅(qū)動(dòng)或手曲柄驅(qū)動(dòng)，鉆頭直徑一般為9.519mm。電鉆速度快，但手曲柄鉆為檢測(cè)者提供更多的時(shí)間觀察鉆削阻力，感覺(jué)部缺陷部分的存在。一般情況下，當(dāng)檢測(cè)者發(fā)現(xiàn)鉆頭進(jìn)入變得很容易，說(shuō)明部有腐朽或空洞存在。最近幾年，一種新的鉆孔探測(cè)技術(shù)微鉆阻力 探測(cè)技術(shù)逐漸流行起來(lái)（圖13）。這種技術(shù)的檢測(cè)裝置已經(jīng)商業(yè)化。這種裝置起始于樹(shù)木學(xué)家和樹(shù)木技師檢測(cè)古樹(shù)和景觀樹(shù)木部的腐朽和空洞情況?，F(xiàn)在也被用來(lái)檢測(cè)木梁、木立柱、木電線桿等的部腐朽、空洞和白蟻。如圖14 和圖 15 所示。Measurement ofmicro needle dril

26、l resistance圖 13 微鉆阻力探測(cè)技術(shù)圖 14 木建筑檢測(cè)圖 15木質(zhì)電線桿檢測(cè)微鉆阻力 探測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)鉆削過(guò)程中的阻抗力。鉆針頭部直徑3 mm，鉆身直徑1.5mm。鉆削過(guò)程中，鉆針向前進(jìn)給速度一定，因而檢測(cè)者可以得知缺陷區(qū)域的具體位置和尺寸。這種儀器輸出一種曲線，用來(lái)表示在整個(gè)鉆削路徑上鉆削阻力的相對(duì)值。這個(gè)曲線可以直接被打印，也可以被下載到計(jì)算機(jī)中。實(shí)木區(qū)域阻力水平高，空洞區(qū)域阻力水平為零。用戶可以檢測(cè)出輕度、中度和重度的腐朽缺陷。檢測(cè)到白蟻穴時(shí)會(huì)呈現(xiàn)這樣特征：由實(shí)木的高阻力，突然變得無(wú)阻力。生長(zhǎng)錐經(jīng)常被用于檢測(cè)樹(shù)木的年齡。在用于木材的檢測(cè)時(shí)，可以提供木材腐朽和空洞等缺陷信息 (

27、如圖 16 所示 )。鉆得的木芯經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢測(cè)可找到木材部是否有腐朽存在證據(jù)。另外，木芯可以用來(lái)獲得木質(zhì)結(jié)構(gòu)件上，精確的防腐劑滲透深度和保持深度。根據(jù)木芯也可以判斷木材的樹(shù)種。為防止水分和昆蟲(chóng)的侵入，鉆削留下的孔要用經(jīng)過(guò)處理的木塞堵住。(a) 鉆取木芯(b) 觀察木芯以發(fā)現(xiàn)腐朽圖 16生長(zhǎng)錐用于木材檢測(cè)錐子或小刀也可作為工具發(fā)現(xiàn)木材近表面腐朽。通常當(dāng)錐子或小刀插入木材部時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)非常軟、或沒(méi)有阻力，同時(shí)有碎片掉落，則說(shuō)明近表面處有腐朽存在。盡管它們是簡(jiǎn)單檢測(cè)工具，但有經(jīng)驗(yàn)的人利用它們可以得到非常多的信息。3.7 木質(zhì)材料無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)設(shè)備經(jīng)過(guò)多年的科學(xué)研究與生產(chǎn)實(shí)踐，多種木質(zhì)材料無(wú)損檢測(cè)儀器和

28、設(shè)備被研制出來(lái)，有些非常成功地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，成為骨干機(jī)型和設(shè)備。此處只介紹常見(jiàn)的當(dāng)前用于生產(chǎn)和科研的儀器設(shè)備。依據(jù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不同，木質(zhì)材料無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)設(shè)備會(huì)有不同的分類(lèi)方法。例如，根據(jù)用途分，可以分為原木檢測(cè)儀器、鋸材（包括板材、方材、規(guī)格材）檢測(cè)設(shè)備、單板檢測(cè)設(shè)備等。根據(jù)檢測(cè)原理分，可以分為彎曲類(lèi)檢測(cè)設(shè)備、應(yīng)力波類(lèi)檢測(cè)設(shè)備、振動(dòng)類(lèi)檢測(cè)設(shè)備、射線類(lèi)檢測(cè)設(shè)備等。原木檢測(cè)儀器原木力學(xué)性能的檢測(cè)是木材應(yīng)用過(guò)程中性能檢測(cè)的第一步。新西蘭Fibre-gen 公司生產(chǎn)的 Director HM200 ，是基于應(yīng)力波原理的檢測(cè)原理彈性模量的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。圖17 是其工作原理簡(jiǎn)圖和使用工作照片。其工作原理是

29、儀器測(cè)量錘擊產(chǎn)生的應(yīng)力波由一端向前到另一端，然后返回到起始端面的時(shí)間。在事先輸入原木長(zhǎng)度的情況下，可以直接得到應(yīng)力波的傳播速度。通常這個(gè)速度越大，代表木材的彈性模量越高。stiffnessdensity x velocity2lengthvelocity = 2 x length / time3.3(a) 工作原理簡(jiǎn)圖(b)工作照片圖 17用于原木檢測(cè)的Director HM200鋸材檢測(cè)設(shè)備和儀器板材應(yīng)力分等設(shè)備Metriguard 是美國(guó)著名的木質(zhì)材料性能無(wú)損檢測(cè)設(shè)備制造公司。它生產(chǎn)的板材應(yīng)力分等設(shè)備在世界很多國(guó)家都有應(yīng)用。圖18 是這種設(shè)備的工作原理簡(jiǎn)圖和照片。它根據(jù)雙向彎曲原理，測(cè)量?jī)?/p>

30、個(gè)彎曲方向上的位移變形和載荷，進(jìn)而自動(dòng)計(jì)算出被測(cè)板材的彈性模量。其最大的優(yōu)點(diǎn)上測(cè)量速度快，其型號(hào)7200HCLT 設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)板材最高914m/min 的高速移動(dòng)在線檢測(cè)。非常適合于大批量生產(chǎn)情況。一些公司也將這種設(shè)備用來(lái)檢測(cè)單板層積材（ LVL ）的彈性模量， 并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分等 。(a) 工作原理圖(b)設(shè)備照片圖 18 Metriguard 公司的板材應(yīng)力分等設(shè)備應(yīng)力波類(lèi)檢測(cè)儀器應(yīng)力波類(lèi)檢測(cè)儀器可以作為生產(chǎn)線的一個(gè)組成部分，安裝在生產(chǎn)線上使用。但相當(dāng)多的情況是制作成便攜式儀器形式來(lái)使用。便攜式應(yīng)力波檢測(cè)儀適于鋸材、原木、活立木、木結(jié)構(gòu)等各處檢測(cè)。目前國(guó)際上比較典型的便攜式應(yīng)力波檢測(cè)儀有

31、兩種：匈牙利生產(chǎn)的 FAKOPP 微秒計(jì)和德國(guó)公司產(chǎn)的IML 微秒計(jì)。這兩種儀器都是測(cè)量應(yīng)力波由一極傳感器傳播到另一極傳感器間的時(shí)間。根據(jù)傳播時(shí)間和兩極間的距離，可以計(jì)算出被測(cè)木質(zhì)材料的彈性模量。圖 19 FAKOPP 微秒計(jì)（左）和IML 微秒計(jì)（右）振動(dòng)類(lèi)檢測(cè)儀器振動(dòng)類(lèi)檢測(cè)儀器主要根據(jù)板材尤其是規(guī)格材在橫向自由振動(dòng)后，其共振頻率與木質(zhì)材料的彈性模量間的定量關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量工作。美國(guó)Metriguard公司生產(chǎn)的 E-Computer在國(guó)際上有非常高的知名度。林業(yè)大學(xué)研制的同類(lèi)儀器WSR-061型也取得了非常好的應(yīng)用效果。圖 20為兩種鋸材應(yīng)力分等儀的照片。圖 20 振動(dòng)式鋸材應(yīng)力分等儀：Me

32、triguard （左）和林業(yè)大學(xué)（右）單板檢測(cè)設(shè)備Metriguard的單板檢測(cè)設(shè)備 2800 DME型可以實(shí)現(xiàn)單板密度、含水率和彈性模量的在線檢測(cè)。其最高檢測(cè)速度可以達(dá)到130m/min。非常適合工廠化的大批量生產(chǎn)使用。在彈性模量的檢測(cè)中，它采用的是超聲波信號(hào)，檢測(cè)超聲波在其部的傳播速度。圖21是其實(shí)物照片。圖 21 Metriguard 的單板檢測(cè)設(shè)備日本為擴(kuò)大國(guó)產(chǎn)材用途，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)膠合板和單板層積材研制了“單板強(qiáng)度分級(jí)系統(tǒng) ”，用于將木材按強(qiáng)度區(qū)分開(kāi)，利于依強(qiáng)度級(jí)別使用木材，加工成強(qiáng)度更高、差異更小的木材加工和人造板產(chǎn)品。這種單板強(qiáng)度分級(jí)技術(shù)對(duì)木材無(wú)任何損壞。該系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)單板中的縱

33、向超聲波傳遞速度、單板密度，求出單板彎曲彈性模量并依單板強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)。系統(tǒng)以20 30 m/min 的速度，搬運(yùn)厚2 4mm 、寬 9001000mm、長(zhǎng) 1900 2000mm的單板，以 1GPa為單位檢測(cè)單板的彎曲彈性模量。使用該系統(tǒng)分級(jí)的單板生產(chǎn)單板層積材(25mm×910mm× 1820mm)，按照 JAS(日本農(nóng)林標(biāo)準(zhǔn) )規(guī)定的試驗(yàn)方法，進(jìn)行單板層積材的彎曲試驗(yàn)和分析評(píng)價(jià)結(jié)果表明，單板檢測(cè)值與單板層積材的試驗(yàn)值之間有密切的相關(guān)關(guān)系 (平行使用時(shí)： R2 = 0.967，縱向使用時(shí)： R2 = 0.950)。即通過(guò)本系統(tǒng)，可以生產(chǎn)要求彎曲彈性模量的單板層積材，特別是

34、有效利用了國(guó)產(chǎn)柳杉材。使用該系統(tǒng)分級(jí)，彎曲彈性模量強(qiáng)的部分可以作為符合 JAS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)用單板層積材使用，彎曲彈性模量較弱的部分與其他樹(shù)種 (比如落葉松 )混合使用生產(chǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)用單板層積材。該單板強(qiáng)度分級(jí)系統(tǒng)簡(jiǎn)介如下。1)單板強(qiáng)度分級(jí)系統(tǒng)的構(gòu)成單板強(qiáng)度分級(jí)系統(tǒng)由 “單板搬運(yùn)裝置 ”、 “音速檢測(cè)裝置 ”、 “射線密度檢測(cè)裝置 ”、“板厚檢測(cè)裝置 ”組成。采用計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)軟件控制，以 2060 m/min 進(jìn)給速度檢測(cè)單板的彎曲彈性模量。2)彎曲彈性模量的檢測(cè)原理采用彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法可測(cè)定單板的彎曲彈性模量，但是，生產(chǎn)中不可能做這樣的定量檢測(cè)，只可以用其他相關(guān)的可檢測(cè)項(xiàng)目求出單板的彎曲彈性

35、模量，本分級(jí)系統(tǒng)利用以下公式。單板彎曲彈性模量= 單板密度 ×單板音速的平方。密度檢測(cè)：使用 射線密度檢測(cè)儀；通過(guò)穿透被檢測(cè)物的射線透過(guò)量檢測(cè)密度。音速的測(cè)定：音速= 單板長(zhǎng)度 /傳遞時(shí)間?？梢钥闯觯好芏仍礁邚澢鷱椥阅Ａ吭酱螅灰羲僭娇鞆澢鷱椥阅Ａ吭酱?。思考題：1. 常見(jiàn)的木材力學(xué)性能無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有哪些？2. 力學(xué)性能測(cè)試原始方法中，“三點(diǎn)彎曲測(cè)試法”與“四點(diǎn)彎曲測(cè)試法”的區(qū)別是什么？3. 基于橫向振動(dòng)原理的木質(zhì)材料力學(xué)性能無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的原理是什么？4. 應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的理論依據(jù)是什么？5. 微鉆孔檢測(cè)法的基本原理是什么？6. 目前常見(jiàn)的木質(zhì)材料無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)設(shè)備有哪些？試舉例說(shuō)明。參考文獻(xiàn)1 郝金城 . 木材應(yīng)力分等的方法 . 木工機(jī)