基于应力波与X射线二维CT图像原木内部腐朽无损检测

孙天用，王立海，2

(1.东北林业大学工程技术学院，哈尔滨150040;2.黑龙江省森林持续经营与微生物工程重点实验室东北林业大学，哈尔滨150040)

木材无损检测技术是在20世纪60年代后逐步兴起的对木材性质进行非破坏性检测的技术，因为不会对木材造成损害而得到广泛的应用。随着电子、光学和计算机技术的不断发展，目前应用到木材性质检测的无损检测技术已达几十种，如射线检测、超声波检测、核磁共振检测、微波检测、机械应力检测及声发射检测等［1－5］。

各种木材无损检测方法都有一定的优缺点，有的方法检测精度高，有的方法获得的信息多，还有的方法检测效率高等。为了更好地运用这些木材无损检测方法，找出它们的优缺点，有必要对它们检测木材内部缺陷进行试验和评价。本文使用应力波和X射线二维CT成像技术对红松、冷杉和枫桦原木内部腐朽进行检测，并对检测结果进行总结和评价。

1 试验材料、仪器和方法

试验材料是红松、冷杉和枫桦原木各一个，仪器为Arbotom应力波检测仪和DUT05X射线无损探伤仪。

应力波检测在原木周围均匀布置了10或12个测点 (径级较大的红松和冷杉采用12个测点，径级较小的枫桦采用10个测点)［6－8］，每次检测后把原木试样放在实验室中自然风干，含水率每下降5%用应力波检测仪对原木作一次检测，一共检测4次。第四次检测完毕，在相同含水率下，使用X射线无损探伤仪对3个原木做一次检测。然后分别对两种方法的检测结果进行总结和评价。

2 试验结果及分析

2.1 应力波的检测结果与分析

3 个原木的基本信息见表1。

表1 红松、冷杉和枫桦原木的基本信息Tab.1 Basic information of Korean Pine，Abies and Betula

每种仪器检测腐朽面积的准确度定义为φ=1－|测得腐朽面积－实际腐朽面积|/实际腐朽面积×100%，φ值越大，表明测得腐朽面积越接近于实际腐朽面积，检测效果越佳。3个原木试样中，红松是完全空心的，冷杉是空洞中尚残存一些朽木，枫桦没有空洞，但心部也已经腐朽。

2 .1 .1 应力波检测结果

应力波对3个树种原木的检测结果见表2～表4，检测图像如图1～图3所示。

表2 红松试样的应力波检测结果Tab.2 Testing results of Korean Pine specimen by stress wave

表3 冷杉试样的应力波检测结果Tab.3 Testing results of Abies specimen by stress wave

表4 枫桦试样的应力波检测结果Tab.4 Testing results of Betula specimen by stress wave

图1 红松试样的应力波检测图像Fig.1 Stress wave testing images of Korean pine

图2 冷杉试样的应力波检测图像Fig.2 Stress wave testing images of Abies

图3 枫桦试样的应力波检测图像Fig.3 Stress wave testing images of Betula

2 .1 .2 检测结果分析

(1)检测图像的准确度φ和显示腐朽区域形状的准确性。红松试样在4个含水率下的检测准确度φ都很高，达到了0.95以上。但是获得的4幅图像中腐朽区域的形状相差很大 (如图1所示)。在第一和第三个含水率下的图像腐朽区域形状与实际相差很大，而在第二和第四个含水率下的形状与实际比较接近。

冷杉试样的检测准确度φ比红松的低一些，但也达到了0.7以上 (如图2所示)。含水率为39.3%时φ值最大，表明检测效果最好，这不仅跟含水率有关，试验时仪器的状况、操作者的操作水平和计算腐朽面积时的读数误差都会对检测结果造成影响。不同图像中腐朽区域的形状相差很大，含水率为29.2%时的图像中腐朽区域的形状与实际最为接近，含水率为39.3%时的图像也与实际较符合，其余两个图像与实际情况相差较大。

枫桦试样仅在第一个含水率下测得的准确度φ较低，可能与仪器误差有关，后面的3次测量φ值都比较高。在获得的4幅图像里，腐朽区域的形状都和实际形状相差很大，在第一个含水率下测得的图像稍好一些，与实际腐朽形状有一定程度的类似(如图3所示)。

综合以上3个树种原木的检测结果可知，应力波二维CT图像检测原木内部腐朽面积的准确度φ较高，平均水平可达0.7以上，而对腐朽区域形状的显示不够准确，时好时坏。可见应力波二维CT成像技术在图形模拟方面还需改进。

(2)对不同腐朽程度的辨别能力。在应力波测得的图像里，有腐朽的区域颜色较深，没有腐朽的区域颜色较浅。从实验获得的图像来看，不管是红松和冷杉那样形成空洞的严重腐朽，还是枫桦那样的轻微腐朽，在图像中显示的颜色都较深 (如图1～图3所示)，没有明显的差别，所以不能据此辨别出腐朽的严重程度。

(3)腐朽面积的确定。应力波检测得到的图像是经过量化处理以栅格形式显示的，图像中颜色深的区域为缺陷区域，通过图像尺寸和栅格数目可以计算出单个栅格的面积，然后数出颜色深的区域里栅格的数目N就可以算出腐朽区域的面积了。尽管达到了较高的准确度，但是这种方法效率很低。

2.2 X射线的检测结果与分析

2 .2 .1 X射线检测结果

3 个原木试样的X射线检测结果见表5所示。

表5 3个原木试样的X射线检测结果Tab.5 Testing results of three log specimens by X-ray

图4 部分X射线检测图像Fig.4 Part of X-ray testing images

2 .2 .2 检测结果分析

(1)检测图像的准确度φ和显示腐朽区域形状的准确性。对红松、冷杉和枫桦3个树种原木的检测准确度都比较高，分别为0.955、0.885和0.882。检测图像清晰，图像中腐朽区域的形状也与实际较吻合，如图4所示。

(2)对不同腐朽程度的辨别能力。在X射线测得的图像里，没有腐朽的区域颜色深，亮度低，有腐朽的区域颜色浅，亮度高。从实验获得的图像来看，腐朽的越严重，腐朽区域的颜色越浅，亮度越高。空洞区域是纯白色的，亮度最高 (如图4所示)。因此可以据此分辨出腐朽的严重程度。

(3)腐朽面积的确定。利用X射线测得的二维CT图像可以确定腐朽面积，方法如下:

①首先通过颜色的深浅明暗确定哪些区域是腐朽区域，然后用几何方法计算出腐朽区域的图上面积Sp。②在图像上找两个明显的点，量出它们之间的图上距离Lp，然后在原木上找到这两点，量出它们之间的实际距离Lr，则可以计算出比例尺μ=Lr/Lp。③腐朽区域计算面积Sc=Sp×μ2。

实验结果表明，这种确定腐朽面积的方法迅速而准确。

3 结论和展望

3.1 结论

本文同时使用了应力波和X射线两种方法对原木内部腐朽进行检测，结果表明:应力波和X射线二维CT图像都能检测出原木内部腐朽，显示出腐朽的区域，而且能利用图像计算出腐朽区域的面积。两种方法计算出的腐朽区域的面积准确度φ都较高，但是应力波二维CT图像在其他许多方面逊于X射线二维CT图像:应力波二维CT图像对腐朽区域形状的显示不够准确，不能根据图像辨别出腐朽的严重程度，利用图像确定腐朽面积效率很低;X射线二维CT图像对腐朽区域形状的显示与实际较吻合，可以根据图像辨别出腐朽的严重程度，利用图像确定腐朽面积效率高。但是X射线仪器笨重不便携，而应力波检测仪轻快便携。

3.2 展望

随着电子、光学和计算机技术的不断发展，各种木材无损检测技术都日趋完善。除了应力波和X射线可以成像外，还有许多种可以成像的技术，如超声波断层扫描、电阻成像检测、地探雷达和红外成像等［7］，对于这些检测技术用于木材内部腐朽无损检测还需进一步研究。

［1］杨 洋，申世杰.木材无损检测技术研究历史、现状和展望［J］.科技导报，2010，28(14):113 －117.

［2］王立海，杨学春，徐凯宏.木材无损检测技术的研究现状与进展［J］.森林工程，2001，17(6):1 －3.

［3］杨学春，王立海.红松木材结构缺陷对应力波传播参数的影响［J］.东北林业大学学报，2005，33(1):30 －31.

［4］梁善庆，蔡智勇，王喜平，等.北美木材无损检测技术的研究与应用［J］.木材工业，2008，22(3):5 －8.

［5］姜忠华，申世杰，翟志文，等.木材无损检测的现状与发展趋势［J］.林业机械与木工设备，2010，38(2):4 －7.

［6］王立海，徐华东，闫在兴，等.传感器的数量与分布对应力波检测原木缺陷效果的影响［J］.林业科学，2008，44(5):115 －121.

［7］孟令联，赵钟声，刘一星.木材无损检测技术及其应用与展望［J］.林业机械与木工设备，2001，29(9):4 －7.

［8］杨慧敏，王立海.立木与原木内部腐朽二维成像检测技术研究进展［J］.林业科学，2010，46(7):170 －175.