不同含水率下利用电阻与应力波断层成像定量检测木材腐朽

岳小泉, 王立海, 刘泽旭, 王兴龙, 荣宾宾

(1.东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.福建农林大学交通与土木工程学院，福建 福州 350002)



不同含水率下利用电阻与应力波断层成像定量检测木材腐朽

岳小泉1,2, 王立海1, 刘泽旭1, 王兴龙1, 荣宾宾1

(1.东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.福建农林大学交通与土木工程学院，福建 福州 350002)

通过对不同含水率的山杨原木试件进行检测，分析了含水率对腐朽和健康木材电阻与应力波传播速度的影响，及其对2种检测技术误差率的影响.结果表明：(1)随着含水率的提高，原木试件健康和腐朽区域的电阻均先减小后趋于平稳，但相同含水率下，腐朽区域木材电阻低于健康木材；(2)采用电阻断层成像仪检测腐朽缺陷面积的误差率随含水率的提高有差异(最大误差率为37.83%，最小误差率为2.48%)，含水率在36.13%～81.79%时误差较小，腐朽缺陷检测较接近真实值；(3)应力波传播速度随着木材含水率的提高先降低后趋于平稳.应力波二维图像检测腐朽缺陷面积的准确率随着含水率的变化也有差异，最大误差率为52.61%，最小误差率为17.78%，腐朽缺陷检测准确性比较高的含水率为20.23%～71.58%；(4)通过2种方法测试腐朽缺陷面积的对比研究，结果表明电阻断层成像的腐朽缺陷识别优于应力波二维图像.

含水率; 电阻; 应力波; 无损检测

木材在生长、生产、储存和使用中都可能发生腐朽.木材被腐朽菌感染后，其细胞壁的纤维素、半纤维素和木质素会被分解，从而导致糟烂和解体，影响其使用价值[1-2].因此研究木材腐朽的检测，对于防治木材腐朽、提高木材利用率具有重要意义.

电阻法是一种无损检测技术，被应用于地质勘查、医疗检查等领域[3].腐朽不仅会造成木材成分和结构的改变，也会对木材的电阻造成影响[4].因此，将电阻法应用于木材检测，特别是立木腐朽检测，可以检测出活立木的早期腐朽，从而尽早对立木进行处理，减少木材腐朽造成的损失.1972年Skutt et al[5-6]通过研究木材的电阻了解立木的腐朽情况.Shigo et al[7-9]分别将针式探测法、四点检测法和断层成像法应用于立木腐朽的检测，并取得了较好的成果.Nicholas et al[10]将声波层析成像和电阻抗成像EIT相结合检测和量化活立木内部的腐朽程度.国内学者[11-14]也对健康木材电阻与含水率之间的关系进行研究.

应力波能检测出木质材料的力学性能和内部缺陷，是目前较常用的木材无损检测技术之一[15-17].研究表明，不同的含水率会不同程度地影响木材应力波的传播速度；随着含水率的下降，应力波传播速度增加[18-19].同时，研究[20-22]还表明，当木材的含水率在纤维饱和点以下时，木材应力波的传播速度增加较快；但是，如果木材的含水率高于纤维饱和点，应力波的传播速度增加缓慢.

对于腐朽木材含水率与电阻关系的研究较少.鉴于此，本文基于原木试样含水率的变化，分析电阻断层成像(ERT)及应力波对原木腐朽缺陷检测效果的影响，以期更精确检测立木内部的腐朽情况.

1　材料与方法

1.1材料与设备

选取约φ312 mm×300 mm山杨原木圆盘为试样，圆盘靠近中心位置有直径20～50 mm的深褐色腐朽，气干重为1.995～2.925 kg.

树木电阻抗断层成像仪(PICUS Tree Tronic型)为德国Argus公司产品；应力波树木断层测试仪(Arbotom型)为德国Rinntech公司产品；鼓风干燥机(101-3A型)为天津市泰斯特仪器有限公司产品；电子分析天平(FA2001N型)为郑州时代仪器设备有限公司产品.

1.2含水率的控制和测定

室温下取试件称其气干重，然后置于水中浸泡；分别称量试样测试前、后的质量，取两者的平均值作为原木试样的湿材质量，记为m.试验时间为22 d，前10 d每隔24 h取出称重，后12 d每隔48 d取出称重;试验结束后将试件放置于鼓风干燥机中干燥至恒重，并用电子秤称重,记为试件绝干重m0.木材腐朽后的含水率M的计算如下式：

(1)

式中，M表示试件的含水率；m表示试件测试时的质量；m0表示试件的绝干质量.

1.3电阻值的测定

在圆盘试件上等距离布置12个传感器，传感器通过镀锌钉与木质紧密结合；传感器1布置处做个记号，顺时针布置其余传感器并编号；将对应序号的电极夹在镀锌钉上，此时电极不供电，连接好电极后开机进行断层电阻测试.为减少误差，测试2次，观察仪器上显示的电流柱状图，如果2次有差异，必须进行第3次测试，然后记录输出文件名以备后续分析.

1.4应力波的检测

在圆盘试件外围等距离钉入12枚钢钉，并且使钢钉在一个平面上；然后依顺序将传感器挂在12个钢钉上，使二者保持垂直，用仪器配备的导线将传感器互连，并与应力波测试仪和装有Arbotom软件的笔记本电脑相连接；打开测试仪和Arbotom软件，设置相应参数，用脉冲锤分别轻敲每个传感器.为了减少人为误差，每个传感器轻敲多次，直到所有数据的误差率都不超过3%为止，将数据存盘[23-24].

1.5误差率的计算

为了分析不同含水率下电阻断层成像对腐朽缺陷检测的准确性，设定指标为误差率，用a表示.误差率表示检测出的腐朽缺陷面积(Sj)与实际面积(Sz)相差的程度.令Sj为检测的腐朽缺陷面积，Sz为实际腐朽缺陷的面积，通过对试件照片或检测图像的Auto CAD，用矢量计算法来确定Sj和Sz，可得：

(2)

2　结果与分析

2.1含水率对电阻法检测表征的影响

2.1.1含水率对电阻值的影响在电阻断层成像(ERT)图上对应圆盘试件腐朽区域的位置读出腐朽区域和非腐朽区域各20个点的电阻值，且每次测量选择的点坐标位置相同，得到健康木材和腐朽木材电阻的平均值随含水率的变化趋势(图1).健康区域木材随着含水率的提高电阻减小，当含水率超过80%电阻减小的速度变得缓慢，最后趋于平稳.腐朽区域木材的电阻随含水率的变化规律与健康木材的变化规律基本相同，并且相同含水率下，腐朽木材的电阻明显小于健康木材.

2.1.2含水率对ERT检测腐朽缺陷效果的影响在常温下，随着含水率变化，误差率的变化如图2所示.结果表明，随着含水率的提高，误差率先下降后提高，然后趋于平稳.最大误差率为37.83%，最小误差率为2.48%，误差率较小的部分位于含水率为36.13%～81.79%区间，说明在这个区间得到的电阻成像的二维图像能够反映真实的腐朽缺陷情况.

图1　含水率与电阻值的关系

图2　ERT检测腐朽缺陷的误差率随含水率的变化趋势

2.2含水率对应力波检测表征的影响

2.2.1含水率对应力波传播速度的影响从图3可以看出：试件含水率从17.1%提高到70%左右的过程中，应力波平均传播速度从902 m·s-1下降到571 m·s-1，降低了37%，之后趋于平稳.即随着含水率的提高应力波传播速度降低.

2.2.2含水率对应力波检测腐朽缺陷效果的影响从图4可知，随着含水率的提高，误差率呈先升高后趋于平稳的变化趋势.最大误差率为52.61%，最小误差率为17.78%.含水率高于70%后，检测误差率比较大；含水率为20.23%～71.58%时误差率较小.

图3　应力波传播速度与含水率的关系

图4　应力波检测腐朽缺陷的误差率随含水率的变化趋势

2.3电阻法与应力波检测技术的比较

2.3.1不同含水率下成像效果的对比使用TreeTronic电阻断层成像仪安装的PiCUS软件，输出典型的不同含水率下腐朽木材试件的二维电阻图像(图5).从深红到深蓝相应的电阻值从大到小变化，并在图像最上方标有电阻变化范围指示条，可看出材质情况.因为电阻的变化导致断面图像的变化，所以断面图像的变化直接反映了电阻的变化.为便于比较，本试验设定的最大电阻值为26 000 Ω，最小电阻值为1 800 Ω.

图5　腐朽山杨木材试件的电阻断层成像图

应力波二维图像，采用“红—黄—绿”模式，红色区域是应力波传播速度相对较小的区域，而绿色区域则是传播速度相对较大的区域，中间黄色部分表示处于红色与绿色之间的速度.如果某一区域存在腐朽，根据应力波在木材中的传播原理，其传播速度相对较慢，这一区域就会显示红色；若某一区域不存在腐朽，则应力波传播速度相对较快，这一区域就会显示绿色.因此，断面图的不同栅格颜色的渐变(由绿到黄，由黄到红)可以反映木材内部的材质情况[25].为了便于比较，本试验设定最浅颜色(绿色)对应的应力波波速为1 500 m·s-1，最深颜色(红色)对应的应力波波速为500 m·s-1.不同含水率下的应力波检测图像如图6所示.

图6　腐朽山杨木材试件的应力波二维图像

图7　电阻和应力波检测腐朽误差率的对比Fig.7　Comparison on accuracy of decayed area detection by electrical resistance and stress wave

2.3.2不同含水率下检测腐朽缺陷效果的对比从图7可以看出，常温情况下，含水率低于28.72%时，应力波的误差率较小；含水率高于28.72%时，电阻的误差率总体来说小于应力波的误差率.因此，电阻断层成像的腐朽缺陷识别效果优于应力波二维图像.

3　讨论

通过采用树木电阻抗断层成像仪和应力波对山杨木材圆盘试件在不同含水率下的检测，对试验获得的电阻值、应力波传播速度、电阻断层成像和应力波二维图像进行分析，得到以下结论.

(1)随着含水率的提高，健康区域木材的电阻逐渐减小直至趋于平稳，腐朽区域木材的电阻随含水率的变化趋势与健康区域木材相同；但是在相同含水率下，腐朽区域木材的电阻低于健康区域木材.这与前人研究结果有一致的地方.Hagrey对树干进行电阻率断层成像分析，发现健康立木的电阻成像从心材到边材随着含水率的增大而变小，并形成一个环状的分布形式[25].吴华桥等[26]采用高密度电阻成像法时空监测树干水分分布，结果表明树干横截面上的电阻率从核心部分到外边缘的韧皮部分有减小的趋势，并且其空间分布呈现一系列的同心圆结构，原因是树木截面内的水分含量沿径向向外有逐渐递增的趋势.本研究中，腐朽区域电阻比健康区域小，原因可能是因为木材发生腐朽后，其中金属离子含量提高导致腐朽木材电阻减小.Blanchette[27]对桦木、美国红松、挪威云杉中的腐朽木材进行能谱分析和光谱分析，发现腐朽木材中钾离子、钙离子等金属离子的含量升高.Ostrofsky et al[28]研究表明不同菌种和不同腐朽时间对红皮云杉中多种金属离子含量有显著的影响 .Oliva et al[29]也通过试验发现，腐朽区域的钾离子、钙离子、镁离子和锰离子的含量显著升高.

(2)应用树木电阻抗断层成像仪(ERT)对于腐朽缺陷的检测，误差率随着含水率的提高有差异，最大误差率为37.83%，最小误差率为2.48%，含水率为36.13%～81.79%时检测值能够反映真实的腐朽情况.

(3)应力波传播速度随着含水率的提高而降低，在含水率达到70%后，趋于平稳.通过应力波二维图像判断腐朽缺陷的准确性不高，最大误差率为52.61%，最小误差率为17.78%，含水率为20.23%～71.58%时检测值能够比较准确反映实际的腐朽缺陷面积.

出现这种状况的原因是当木材细胞壁中的结合水达到饱和时，水分子将以自由水的形式存在于细胞腔中，这时水分对于木材性质的影响不显著.这与前人的研究结果一致.高珊[30]研究表明，木材常温下处于饱和状态，含水率对应力波的传播速度不会产生显著的影响.徐华东等[19]研究了红松木材含水率与应力波传播速度的关系，结果表明当木材含水率在32%以上时，应力波传播速度随含水率的变化下降趋势将变得平缓.

(4)通过2种方法测试腐朽缺陷面积的对比研究，就腐朽缺陷识别来说，电阻断层成像稍优于应力波二维图像.因此在进行木材内部缺陷检测时，应结合实际情况，采用适当的检测方法提高对木材腐朽缺陷的分辨能力.

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(责任编辑:叶济蓉)

Electrical resistance tomography and stress wave tomography to quantitatively detect wood decay under different moisture contents

YUE Xiaoquan1,2, WANG Lihai1, LIU Zexu1, WANG Xinglong1, RONG Binbin1

(1.College of Engineering and Technology, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040, China; 2.College of Transportation and Civil Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 35002, China)

To investigate the effect of moisture content on accuracy of electrical resistance and stress wave of timber,PopulusDavidianatimber samples under different moisture contents were analyzed by electrical resistance tomography (ERT) and stress wave tomography (SWT). Results showed that when moisture content increased the electrical resistance of both healthy and decayed timber samples decreased, and then stayed steady when the moisture contents were over 80%. Electrical resistances of the healthy timber were averagely higher than those of decayed ones. Accuracy of ERT was relatively high when moisture content of timber ranged between 36.13% and 81.79%, with the minimum error ratio being 2.48% (maximum error ratio at 37.83%). Velocity of stress wave reduced and then stayed steady when moisture content increased. Detection by stress wave was relatively accurate when the moisture content ranged between 20.23% and 71.58%, with the minimum error ratio being 17.78% (maximum error ratio at 52.61%). To summarize, ERT was more accurate than SWT in term of decayed area. Nevertheless, moisture content of timber should be taken into consideration when detecting decayed area via ERT.

moisture content; electrical resistance; stress wave; nondestructive testing

2015-11-24

2016-07-12

“948”资助项目(2014-4-78)；福建省教育厅资助项目(JA15155).

岳小泉(1979-)，女，讲师,硕士.研究方向：森林工程.Email：yxqzrh@foxmail.通讯作者王立海(1960-)，男，教授，博士生导师.研究方向：森林工程.Email：lihaiwang@yahoo.com.

S781

A

1671-5470(2016)05-0593-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.05.019