木材密度检测方法研究现状与发展

孙燕良，张厚江，朱 磊，闫海诚

(北京林业大学工学院，北京100)

木材密度是反映木材性能的关键指标，不仅可以用来评估木材的质量，根据它的变异性和变化规律能够判断木材其它性能的变化，反映树木的生长规律，而且能够为林业方面其他学科的研究提供研究方法，是研究木材材性利用与木材培育相关性的常用指标［1］。木材密度与木材力学性能如弹性模量、抗弯强度和抗压强度等有着密切的联系。通过对木材密度的检测能够很好的预测木材其他性能指标，而对木材材性较准确的预测与评估，不仅能够加速材质改良和遗传改良的过程，为人工林的培育提供理论依据，而且能够为木材的高效利用提供科学依据，满足了我国森林资源匮乏，木材综合利用率低的客观需求，实现优材优用、劣材优用的目的。同时能够为我国古建筑腐朽、缺陷的快速无损检测提供重要手段，解决我国古建筑修缮和维护的重要难题。本文通过对传统称重法、基于机械力密度检测法和基于射线密度检测法检测原理的总结归纳，着重介绍了后两种检测方法在木材密度检测中的应用情况。

1 传统称重法

传统的木材密度测量方法最基本的是称重法，即在原木上取材，加工成标准试件，通过直接测量体积、重量来计算木材密度。这种方法虽然测量准确，但操作过程复杂，耗时比较长，对木材也有一定的损坏，大大降低了木材的使用价值，影响了木材的后续加工利用，同时研究空间也不是很大。目前出现了一些新的检测方法，也能快速地、无损地评测出木材的密度。

2 基于机械力密度检测法

2.1 利用Pilodyn间接测木材密度

Pilodyn是国外针对活立木基本密度检测研制的一种手持式测量仪，是一种间接测定木材基本密度等材性指标的无损检测仪器，利用它可替代传统取木芯检测方法对活立木的密度进行快速、无损检测［2］。它主要用于检测树木及木质结构的损坏情况，批量取样时木材密度的快速检测以及估算材质性状的遗传参数，进行木材材性比较等。利用Pilodyn进行木材密度评测不仅能够提高林木选择的效率，加快材性选择的速度，同时能够为材性选择提供依据，进行大量基因型材性测定。

Pilodyn的检测机理是将一个金属探针以原先设置好的能量射入木材中，探针射入木材的深度就是要探测的值。探测值与木材密度有着密切的联系，射入深度越深，则木材密度越小，反之，则密度越大。通过对木材表面Pilodyn探测值的测定，利用事先统计好的Pilodyn探测值与对应树种密度之间的经验公式，就可以评测出该树种的密度［3］。

探测量过程中，由于Pilodyn探测值在从地面起1.3 m处与整株树木的木材密度有较强相关关系，且探测值容易得到，普遍认为在树木1.3 m处进行Pilodyn探测是最佳位置，探测次数应最少进行2次，当2次误差较大时，再进行第3次探测，以误差较小的2次探测平均值作为Pilodvn对木材密度的估计值。不同树种不同方向以及同一株树不同方向的径向生长速度可能不同，有可能导致木材密度发生变异，从而使得木材Pilodyn探测值与实际值产生差异，所以在探测同一株树径向方向上木材密度时，不同的探测方向也应作为一个影响因素;研究不同单株或者群体间差异时，应固定在同一个方向进行探测。不同直径Pilodyn探测冲击力的抗晃动能力也是不同的，所以树木直径也应作为Pilodyn探测值的影响因子考虑在内［4］。

国内相关学者也探索了利用Pilodyn测定木材基本密度的可行性。茹广欣等［5］利用Polidyn对青海云杉的基本密度进行了测量。通过建立青海云杉Pilodyn探测值与木材基本密度的回归模型，他们得出结论:利用Polidyn探测值与木材密度的相关性不仅能够测量青海云杉活立木径向方向外侧部分的木材基本密度，同时也能够预测整个径向方向上整株木材的基本密度。而且在朝向上密度也有所不同，南向的探测值小于北向的，即南向的密度大一些。

殷亚方等［6］以我国人工林中4种阔叶树种为实验对象，通过建立立木Pilodyn探测值在去树皮前后和由生长锥锥芯得到的基本密度的经验公式，研究了利用Pilodyn检测立木木材密度的可行性。他们得出结论:在去除树皮之前，这几种树种的Pilodyn探测值在南北向上差异均不显著;利用这种去除树皮的方式，可以提高运用Pilodyn评测立木外侧及整个径向基本密度的精度，证明了运用Pilodyn可以评估一些立木的基本密度。但是该探测仪的缺点是所得到的关系式不适用于各个树种，在测定不同的树种时，需要重新验证Pilodyn探测值与该树种木材基本密度的相关关系。

2.2 基于螺丝拔出力的木材密度检测

螺丝拔出力测定仪是由Fakopp enterprise设计一种便携式检测装置。该仪器主要由螺丝拔出装置(带力传感器)、显示单元、改锥、特定的螺丝(直径一般是3mm、4mm、5mm，长度是15mm和18mm)等部分组成。螺丝拔出力是检测木质材料力学性能、密度和剪切模量的一个重要指标。在木质横梁上选择一个有代表性的位置，通过测定其拔出螺钉时所需的力能够为评价木材结构提供有用的信息。具体方法是用改锥将螺丝垂直于木材表面拧入木材中到一定深度时，运用拔出装置将螺丝拔出，在拔出过程中通过传感器，在显示单元会记录拔出时的最大阻力，通过这个阻力值来判断木材的力学性能。由于在拔出过程中主要发生的是剪切形变，所以拔出时的最大阻力和剪切模量有很高的相关性。实验证明拔出螺丝时的最大阻力与木材密度也有着良好的线性关系，相关程度非常高，通过此方法，可以实现对木材微密度的间接评估［7］。

2.3 基于微钻力的木材密度检测

由德国研制的木材微钻阻力仪是用于探测树木或木材内部结构的仪器，通过小型电机将钻针以恒定速率钻入木材内部，在此过程中会产生相应的阻力，阻力的大小反映出木材密度的变化，利用计算机采集测量过程中的阻力参数，显示出阻力曲线图像，根据阻力曲线，结合所学木材学知识可以判断早晚材密度、年轮数以及木材内部腐朽、空洞和生长情况等［8］。微钻阻力仪主要由主机、探针、功能包、热感式打印机、闪存、连接电缆和DECOM软件组成。其在树木方面主要应用于检测一些危险树木的腐朽及缺陷，评估树木年生长率和质量。在木材方面主要应用于木材结构腐朽和空洞的检测以及木材质量的评估。利用微钻阻力仪进行木材检测的优点是可以快速探测树木和木材内部情况、操作简单、精度和分辨率高、对树木基本没有损坏。

运用自带软件DECOM对测量过程中形成的阻力图进行分析，利用Excel等软件对数据进行处理，通过建立阻力值与密度值之间的关系可以评测木材密度。在试验过程，要经常清理钻头部位的木屑，以免木屑进入到电机中致使电机烧毁。实验中电源电压要确保在24.5V以上的有效电压，否则得到数据将为无效数据。同时钻的深度要大于30mm，否则数据将不会在电脑中显示。Fikret Isik等［9］利用微钻阻力仪对木材密度进行了研究，他们得出结论:阻力值与密度值之间有良好的线性关系，微钻阻力仪可以用于木材密度的检测。

3 基于射线密度检测法

随着检测技术的发展，木材密度已经向木材微密度测定发展。木材微密度测定是一种比较精密的木材材性测定技术，利用射线在辐照不同密度物质时衰减程度不同的原理，在相对比较狭小的范围内测定木材的密度，通过逐点测量，能够较为精细地显示出不同部位木材密度的变异情况［10］。射线检测技术是检测木材微密度常用的方法，它是利用射线穿过被测样品的强度衰减，检测其内部结构不连续性的技术。穿过样品的射线，由于强度不同在X射线胶片上的感光程度也不同，由此生成内部不连续的图象［11］。目前此项技术已逐渐成熟，很多学者对它进行了研究。

3.1 利用CT扫描技术进行木材密度检测

木材密度射线检测法是一种非接触式的检测方法，具有精度高、性能稳定和快速作用等特点。常用的射线有X、β、γ和中子射线，其中X射线使用最为普遍。国外的相关专家先后探索了X射线在木材无损检测方面的应用，研制开发出了相应的木材微密度测试系统。我国林业研究人员也在这方面做了一些研究，阮锡根等［12］基于X射线测木材密度理论的研究，将X射线衍射仪改装成直接扫描式X射线木材密度计，该仪器利用微机控制，具有高效、快速、一机多用等特点，可用于木材密度组成的测定，并能够在屏幕上显示图谱和进行计算。在此基础上，潘慧新等［13］针对直接扫描式X射线木材密度计在测量1mm薄样片时精度和分辨率低等缺点研制了单色软X射线木材密度计，在灵敏度和精密度上该仪器都有所提高，并且具有可多次测量叠加和木材质量吸收系数大等特点。

计算机断层扫描技术 (CT)是在常规X射线检测技术的基础上发展起来的，早期主要应用于医学领域，是由神经放射诊断学家在利用CT扫描为脑瘤患者进行检查时发现的，检查结果清晰地显示出了脑瘤的位置、形状和大小。后期这项技术被广泛使用于工业和其他领域，挪威学者 (1985)曾成功用计算机断层扫描技术 (CT)分析了岩石钻芯样本的断层扫描图片，我国学者杨更社 (1997)利用X-CT技术研究了岩石损伤并取得了一些成果。林业方面我国学者王厚立等利用X-CT技术检测木材缺陷也取得了很好的效果［14］。英国EMI公司率先研制出了第一台医疗射线CT装置，并称为计算机辅助层析成像扫接器。这种仪器由X光线断层扫描装置、微型电子计算机和电视显示装置组成，可以对人体各部位进行检查，发现病症。美国于20世纪70年代末期主要针对大型固体火箭发动机和小型精密工件研制了专门应用工业的CT系统。

利用X射线穿过样品时，射线强度会有所衰减，而衰减系数与被测样品存在一定的线性关系。利用先进的探测设备，将射线从不同角度穿过样品时，就能够用二维图像反映出被测样品的的某一断层面。因此，CT扫描技术的原理就是:不断的旋转探测设备，对样品连续释放X射线，收集穿过样品后的射线，由于物质属性和结构不同，射线的衰减程度也所不同，利用计算机对收集到的射线信号进行数字处理，将旋转一周得到的图形元素组合起来就形成了该样品的断层扫描图像［15］。CT扫描的特点是运行速度快，缩短了患者检查时间;能够连续快速扫描成像，减少由于呼吸造成的伪影;能够进行多期扫描;能够通过数据采集重建高质量多轴面图像和三维立体图像［16］。

韩书霞等人［17］利用计算机扫描技术探索了木材密度的无损检测方法。她们通过测量并统计各个树种的CT值，CT值反映的是射线透过样品的衰减程度，得出各种原木的CT值范围，根据此范围对CT设备的窗宽与窗位进行设定，利用原木断层的CT值与实际密度值线性关系拟合出可用于实际检测的线性方程，最终实现通过测量树种CT值来检测木材密度的目的。

3.2 基于β射线的单板微密度检测

β射线在木材密度检测应用方面也越来越广泛。由于γ和中子射线对人体辐射作用比较强，防护起来不容易，目前在木材密度检测中还处于实验室应用阶段。而β射线由于射程短，穿透能力相对较弱，容易被屏蔽以及防护简单等特点适用于工业现场使用。工业上应用β射线对单板密度进行在线无损检测以达到提高人造板材的质量的目的。利用β射线进行单板密度检测的原理是以射线透射单板，通过测量透过单板前后的射线强度变化，根据射线的衰减程度以及单板的平均吸收系数来推算单板的微密度［18］。

李丽等［19］以杨木旋切单板成品材为实验对象，研究了利用β射线进行单板密度检测的可行性。实验得出结论:单板密度β射线检测法操作安全，精度高，能够对单板密度进行实时在线无损检测，测量结果可靠，是一种是实用的木材密度测量方法。

结合β射线检测单板密度理论和PLC控制系统，黄娜等［20］通过对传统系统进行了一系列改进研究，实现了对单板密度的实时显示。

随着射线检测技术的不断发展，数字图象处理技术被广泛应用于射线捡测。常规胶片射线照相技术、射线层析检测和实时成像检测技术都在采用数字图象处理技术。即使是处在研究阶段的缺陷识别技术也是在数字图象处理技术基础上发展起来的。可见，数字图象处理技术在射线检测领域发挥着十分重要的作用。

数字图像处理是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。数字图像由一个个按矩形排列的图像元素 (也称像素点)组成。相同宽度的扫描线经过横向和纵向交叉形成的区域即为像素点，每个像素点在灰度图像中对应一个表示该点亮度的整数值，即灰度。整个图像就是由一些不同灰度值 (二值图像中仅为0和1)的像素点阵构成。我们常见的256色，其灰度值为0～255。数字图像以像素矩阵存储的方式，使其直接生成颗粒流数值模型有了可能。在实际图像处理过程中还应考虑在不同角度、不同距离拍摄时造成的光线反射差异等［21］。

夏萍等［22］以杨树为研究对象，利用医院放射科设备数字X射线图像系统对其进行摄影，并运用自编软件处理图像，从树心到树皮分段获得图像灰度值，通过建立数字X射线图像的灰度值与被测物体密度的线性关系来直接测定物体微密度。实验结果得出:运用此方法测定难以分辨早晚材的杨树材料比微密度仪更可靠，此方法可用于物体微密度的直接测量。

4 结束语

基于机械力密度检测法和基于射线密度J检测法克服了传统称重法的不足，能够在尽量保持木材原有状态的情况下实现木材密度的快速检测，充分提高了原木的使用价值，为快速估算木材力学性能提供了依据，解决了我国木材综合利用率低的缺点，通过选取适当的数据处理方法，能够进一步提高检测结果的可靠性。木材密度的快速检测不仅能够加速木材选择的过程，便于大规模取材，同时也为古建筑的维护和修缮提供了重要手段。通过木材微密度的测定也能够更精确地反映出木材内部密度的变异，更好的把握木材的遗传规律，为木材改良以及人工育林提供了依据。

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