結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料性能無損檢測與評價

1、3 結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料性能無損檢測與評價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)性能包括彎曲強度、彈性模量、順紋抗拉強度、橫紋抗拉強度、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，一直以來在各個行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。但是，木材的材性是各向異性，在其生長過程中會形成各種缺陷，各向異性和缺陷使木材的使用受到了一定的影響，因此需要對其進行檢測才能應(yīng)用到各個領(lǐng)域當(dāng)中。木材的無損檢測技術(shù)能在不破壞木材使用價值的基礎(chǔ)上做到對木材的使用性能進行評價，因而成為了一種重要的檢測技術(shù)。對于作為結(jié)構(gòu)用材的木材而言，無損檢測中的應(yīng)力分等技術(shù)則是使木材達到最佳使用效果的十分關(guān)鍵的技術(shù)。因此，無損檢測技術(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，都有進行力學(xué)性能檢測和缺陷檢測的需要和必要性。木質(zhì)材料無損檢測技術(shù)是一門新興的、綜合性的非破壞性檢測技術(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。 國外的木質(zhì)材料無損檢測技術(shù)早在 20 世紀(jì) 50 年代就開始研究。我國在木質(zhì)材料無損檢測方面的研究起步比較晚，從 20 世紀(jì) 70 年代末開始應(yīng)用 X 射線檢測方法對木材缺陷檢測進行了試驗性研究，而應(yīng)力分等技術(shù)在近十幾年逐步開始發(fā)展。 木質(zhì)材料無損檢測技術(shù)是建立在多學(xué)科基礎(chǔ)上的，在木質(zhì)材

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

5、加外力使試樣產(chǎn)生橫向振動之后，通過傳感器測取試樣的自振動檢測由振動頻率，計算出試樣的彈性模量。檢測通過試樣的縱向應(yīng)力波的速度，結(jié)合試樣的密度，確定出試樣沖擊應(yīng)力波檢測的彈性模量，對靜曲強度及結(jié)合強度等也可進行有效的預(yù)測。以射線透射木質(zhì)材料，用射線接收傳感器直接測量窄小圍透過試樣射線檢測前后射線強度的變化，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。通過測定超聲波經(jīng)過試樣預(yù)定距離的傳播時間計算平均波速，然后超聲波檢測可利用波速和密度計算試樣的彈性模量。當(dāng)發(fā)射天線發(fā)射的微波遇到被測木材基體并透射時，將由于水分子微波檢測的強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，即可測定出木材的含水率。木材按強度性能劃分成幾個等級，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、開裂、和腐朽等木材缺陷，在目測觀察的目測分等基礎(chǔ)上預(yù)測木材等級的方法。機械分等由機械連續(xù)測量木材的變形，計算木材的靜彈性模量，并根據(jù)木材變形從彈性模量和強度的關(guān)系，推測木材的強度值。由木材的振動特性得出固有頻率，計算木材的動彈性模根據(jù)振動特性量，并根據(jù)與強度的關(guān)系，推測木

7、材的強度值。木質(zhì)材料無損檢測與木材應(yīng)力分等都是木質(zhì)材料合理利用的有效技術(shù)手段。對于木材彈性模量的檢測已成為當(dāng)前先進的木材分等技術(shù)的基礎(chǔ)，木材力學(xué)強度在線檢測的主要依據(jù)幾乎都是通過測定木材的彈性模量 , 再根據(jù)已知的彈性模量與強度之間的關(guān)系來實現(xiàn)木材的自動分等。利用木材彈性模量的自動檢測來實現(xiàn)對木材強度自動分級的連續(xù)化生產(chǎn) , 最典型的是利用機械應(yīng)力分級 (Machine Stress Rating:MSR)技術(shù)對結(jié)構(gòu)規(guī)格材進行分等。機械應(yīng)力分級技術(shù)在北美應(yīng)用的相對較多 , 在實際應(yīng)用中 , 它是結(jié)合人對木材表面的可見缺陷的觀察實現(xiàn)生產(chǎn)的。 另外，規(guī)格材機械應(yīng)力分等技術(shù)已被一些公司應(yīng)用到對單板層

8、積材 (LVL) 的強度分級上。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對木材、木質(zhì)材料力學(xué)性質(zhì)和材料表面及部的缺陷進行無損檢測，是木材和木質(zhì)材料傳統(tǒng)測試技術(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)過程的工藝窯和自動化提供必備的條件。木質(zhì)材料的在線無損檢測及應(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)確地對成材和人造板等木質(zhì)材按應(yīng)力或強度水平進行區(qū)分、劃等，提高材料的利用水平，同時也避免了因分等不準(zhǔn)造成材料的超值使用所帶來的事故隱患。特別是對一些原本必須用破壞的方法才能檢測的材料性質(zhì)，利用木材無損檢測技術(shù)則將更加顯現(xiàn)其

9、優(yōu)越性。面對森森資源不足、森林質(zhì)量也不高的現(xiàn)狀，如何合理利用、保護、發(fā)展、增加資源，是緩解我國木材供需矛盾的根本措施。對立木生長特性進行無損檢測系統(tǒng)監(jiān)控可控制和促進木材量和質(zhì)的提高，制材前的形狀、規(guī)格和缺陷等的無損檢測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，間接節(jié)省了木材資源；采用在線無損檢測技術(shù)可節(jié)約鋸材，即相對增加鋸材使用量，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益；木質(zhì)材料在線無損檢測可提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；還可提高分級質(zhì)量、節(jié)省前后工序的備料場地，使整個生產(chǎn)線更加暢通，提高了整個生產(chǎn)線的自動化程度。另外，木材按力學(xué)性能分級、分等后進行干燥，干燥時應(yīng)力性質(zhì)趨同，有利于干燥

10、過程的控制，可使傳統(tǒng)的含水率和時間控制基準(zhǔn)向應(yīng)力控制基準(zhǔn)過渡，進而縮短干燥時間，提高干燥質(zhì)量，減少成本，提高效益。3.2 力學(xué)性能測試原始方法此節(jié)容為本章的有機組成部分，請給予保留，不要刪除或移動中心點單載荷彎曲測定法（三點彎曲測試法）圖 1 為中心點單載荷彎曲測定法示意圖。木質(zhì)材料試件被簡支在兩端，一個載荷施加在試件中間點并垂直于試件。測定載荷大小和試件中間點的變形量。試件彎曲彈性模量 (MOE) 可以通過下面方程式計算得到。MOEPL348I式中：P載荷（ N）,L兩支承間距（ m），I慣性距（ m4），試件中間點變形（m）。圖 1中心點單載荷彎曲測定法示意圖雙載荷測定法（四點彎曲測試法）

11、圖 2 為雙載荷測定法示意圖。這種方法唯一與前面方法的不同點是，用相距兩端點相等距離的兩個相等載荷代替原來的一個載荷。試件的彎曲彈性模量可以用下面方程式計算得到。MOEPa(3L24a2 )48I式中： a載荷距端點的距離（m）。圖 2雙載荷測定法示意圖這兩種測定方法，兩端支承的設(shè)計和制作是實現(xiàn)精確測量的關(guān)鍵之一。理想狀況是兩端支承剛度無窮大，沒有任何縱向位移發(fā)生。另外，測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)動一定角度。3.3 橫向振動及縱向應(yīng)力波無損評價方法橫向振動無損檢測技術(shù)橫向振動可以用來進行木質(zhì)材料的無損檢測。為說明這種方法的基本原理，可以將橫

12、向振動簡化為一個懸掛在彈簧下面的重物所做的振動，如圖3 所示。在圖中，重物M 通過一個彈簧被懸掛在一個絕對剛性支承下面，彈簧的剛度為K ，彈簧重量可以忽略。振動過程中的阻尼可以簡化為一個阻尼器D。當(dāng)一個交變載荷 P0 sin t 作用在重物上，則重物 M 的振動可以用下面方程表示。Md 2 xDdxKx P0 sin t(1)dt 2dt圖 3重物彈性振動模型（左）和橫向振動梁（右）通過求解這個方程式 (1)，可以得到系統(tǒng)的K 和 D。對簡支梁振動系統(tǒng)來講，K 就是振動梁的彈性模量。當(dāng)振動梁被簡支在其兩個振動節(jié)點時，有下面求解彈性模量（ MOE）成立。f r2WL3MOE(2)12.65Ig當(dāng)

13、振動梁被簡支在其兩個端點時，有下面求解彈性模量（MOE ）成立。fr2WL3MOE(3)2.46Ig在上面兩個求解彈性模量（MOE ）的計算式中：MOE 動態(tài)彈性模量（ Pa）fr 響應(yīng)頻率（ Hz）W 梁的重量（ Kg ）L 梁的長度（ m）I 梁的慣性距（ m4）2對方程式 (1)求解，可以同時得到另一個代表部摩擦或阻尼的阻尼器D 的參數(shù)。對數(shù)振動衰減量是一個反映部振動阻尼的參數(shù)，在自由振動情況下，可表示為下式。1ln A1(4)n 1AnA 1 和 A n 分別是兩個相距 n-1 個振動循環(huán)的振幅。如圖4a 所示圖 4梁的橫向振動：(a) 自由振動曲線(b) 受迫振動下的共振響應(yīng)在自由振

14、動情況下，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 時的共振點兩側(cè)頻率差，fr = 響應(yīng)頻率Ar 共振點處的振幅（圖4b）。響應(yīng)品質(zhì)（ Sharpness of resonance） Q 經(jīng)常被用來阻尼大小。Q 的定義為：fr(6)Qf當(dāng)采用半功率點法（ half-power point method），即 A0.707Ar 時，式 (5)可轉(zhuǎn)變?yōu)椋篺(7)f r聯(lián)立 (6)、(7)兩式，有Q應(yīng)力波無損檢測技術(shù)應(yīng)力波作為木質(zhì)材料無損檢測的一種手段，近年來被逐漸重視并應(yīng)用起來。作為無損檢測參數(shù)的主要是應(yīng)力波傳播速度和衰減率。為說明應(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，一個壓縮波產(chǎn)生。這個壓縮波開始向前移動，波前沿材料單元被激勵，波后沿材料單元恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)。波長或波前沿和后沿間距，由錘子與圓棒端面接觸時間和波傳播速度決定。壓縮波以不變速度沿圓棒長度方向移動，但單個材料單元點只在波經(jīng)過它的時候有一個很小的移動。在波移動到圓棒另一個端面后，將被反射并成為一個力波向反方向移動（圖6）。波的移動速度與敲擊力大小無關(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，但單個材料單元的移動值隨著每次波的通過而減小，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材料單元點的運動情況，會發(fā)現(xiàn)其運動為一個個波長相等但幅值逐漸減小的一組正弦脈沖（圖7）。圖 7單個材料單元點運動與時間關(guān)系測量儀可以通過傳感器測得脈沖波在圓棒中的移動時間，在知道圓棒的長度尺寸后，波的傳播速度可以由下式計算得到。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 后通過下面算式得到。MOEC 2波的衰減率可以在測得不同脈沖的幅值后，通過算式(4)計算得到。值得注意的是，依據(jù)這個算式得到的應(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？多位研究者在進行相關(guān)實驗研究后，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表述木質(zhì)材料應(yīng)力波傳播特性的。一個非常流行的應(yīng)力波無損檢測技術(shù)是簡單地測定應(yīng)力波在木質(zhì)材料中的傳播時間，并通過計算得到應(yīng)力波傳播速度，如圖8 所示。在這個時間測量系統(tǒng)中，機械性沖擊產(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，用來感知波的通過。波在兩個傳感器間的傳播時間被記錄，并進而可以計算波的傳播速度。圖 8 用來測定應(yīng)力波在木質(zhì)材料中傳播時間的系統(tǒng)表 1 為應(yīng)力波在一

18、些不同樹種木材中，單位長度（ 1 米）上的傳播時間。可以看到，應(yīng)力波在平行纖維方向上傳播所用時間短，而在垂直纖維方向上傳播所用時間長。兩者相差較大。表 1 應(yīng)力波在一些木材中的單位長度上傳播時間木材種類樺木 (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 (white ash)南方松 (southern pine)西特喀云杉 (sitka spruce)3.4 聲發(fā)射評價含水率應(yīng)力波單位長度傳播時間（ 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 ）研究是針對木材和木質(zhì)復(fù)合材料無損檢測的。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)射無損檢測技術(shù)用于木質(zhì)復(fù)合材料源自1960 年代。聲發(fā)射無損檢測技術(shù)首先被用于纖維復(fù)合材料的檢測。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)檢測其部的裂紋缺陷。對金屬材料來講，部裂紋缺陷的檢測采用x 射線技術(shù)是個有效的方法。虛弱（或被虛弱）的材料在低應(yīng)力水平下會發(fā)出AE 信號。圖 9 顯示一個檢測材料部聲發(fā)射應(yīng)力或應(yīng)變波的事例。一個應(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處，AE 傳感器對應(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。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。材料部的單個裂紋破壞，可引起單個或多個AE 反映。當(dāng)一個應(yīng)力信號到達傳感器處并引起一個可感知的輸出，則相當(dāng)于一個信號“沖擊”。圖 9 聲發(fā)射傳感器在材料表面檢測應(yīng)力或應(yīng)變波圖 10 顯示了典型的

21、 AE 信號波形。為消除噪聲的影響，設(shè)定一個底限電壓值。在大部分應(yīng)用場合，底限值設(shè)為稍微高于周圍的噪聲值。在圖中，標(biāo)示了兩個重要的AE信號參數(shù)，一個是信號持續(xù)時間，一個是信號峰值。信號持續(xù)時間為AE 信號由開始超越底限值到最后一次超越底限值持續(xù)的時間。信號峰值指最大尖峰的峰值。許多報告總結(jié)了 AE 信號參數(shù)代表的意義，如高的峰值代表纖維斷裂，而短的持續(xù)時間代表基體材料開裂。在 AE 信號分析處理中，有關(guān)開裂點（信號源）的判斷是一個非常有挑戰(zhàn)性的工作。當(dāng)然，在分析處理中假設(shè)信號在傳遞過程中沒有被其它意外信號干擾。在一些工作中，信號跨越底限值的次數(shù)被記錄。后來，跨越底限值的次數(shù)被用來評價AE 信號

22、的活躍性。某些報告也談到劍峰出現(xiàn)時間，即從首次跨越底限值到出現(xiàn)最大峰值的時間。小的峰值出現(xiàn)時間意味著傳感器距離斷裂點近。另外，斷裂點距離傳感器近，通常表現(xiàn)為 AE 信號峰值高，信號持續(xù)時間長。圖 10一個典型的AE 信號最簡單的確定裂紋出現(xiàn)位置的方法是根據(jù)信號到達不同位置傳感器的時間差。在知道信號在材料中傳遞速度的情況下，時間可以轉(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量材料的密度。利用一系列傳感器，可以測得木質(zhì)材料截面和長度方向的密度分度。節(jié)子的密度較周圍區(qū)域大，所以能測量其位置與尺寸，甚至能繪出其形狀（Bostr?m， 1999）。這

23、種 檢測方法 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了2× 4 的南方黃松。儀器給出了無缺陷材的特性與節(jié)子的尺寸與位置。并分別使用單探頭與探頭掃描儀估計的彎曲強度。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。同時還使用了 抗彎剛度來估計彎曲強度，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)對原木和單板層積材（ Laminated Veneer Lumber, 即 LVL ）的檢測實例。前者的目的是檢測原木部的缺陷，這對制材

24、過程中正確確定刀具位置有非常重要的參考作用。后者目的是檢測單板層積材的部粘接質(zhì)量。 CT 技術(shù)是檢測木質(zhì)材料部質(zhì)量的非常好的方法，目前仍停留在實驗室階段。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圖 12CT 技術(shù)用于LVL 部粘接質(zhì)量檢測3.6 鉆孔探測 法這種簡單鉆削式檢測法經(jīng)常被用于使用中的木結(jié)構(gòu)檢測，評價木質(zhì)構(gòu)件的健康狀況。這種檢測方法的根本依據(jù)是，當(dāng)木質(zhì)材料的結(jié)實狀況下降時，木質(zhì)材料會變軟，鉆頭前進時的阻力會變小。鉆頭和生長錐是兩種經(jīng)常使用的用于探測木材部缺陷的工具。兩種技術(shù)都是探測木材部缺陷（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。鉆頭和生長錐在許多方面性質(zhì)相同。鉆頭通常采用電鉆驅(qū)動或手曲柄驅(qū)動，鉆頭直徑一般為9.519mm。電鉆速度快，但手曲柄鉆為檢測者提供更多的時間觀察鉆削阻力，感覺部缺陷部分的存在。一般情況下，當(dāng)檢測者發(fā)現(xiàn)鉆頭進入變得很容易，說明部有腐朽或空洞存在。最近幾年，一種新的鉆孔探測技術(shù)微鉆阻力 探測技術(shù)逐漸流行起來（圖13）。這種技術(shù)的檢測裝置已經(jīng)商業(yè)化。這種裝置起始于樹木學(xué)家和樹木技師檢測古樹和景觀樹木部的腐朽和空洞情況?，F(xiàn)在也被用來檢測木梁、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 微鉆阻力探測技術(shù)圖 14 木建筑檢測圖 15木質(zhì)電線桿檢測微鉆阻力 探測系統(tǒng)檢測鉆削過程中的阻抗力。鉆針頭部直徑3 mm，鉆身直徑1.5mm。鉆削過程中，鉆針向前進給速度一定，因而檢測者可以得知缺陷區(qū)域的具體位置和尺寸。這種儀器輸出一種曲線，用來表示在整個鉆削路徑上鉆削阻力的相對值。這個曲線可以直接被打印，也可以被下載到計算機中。實木區(qū)域阻力水平高，空洞區(qū)域阻力水平為零。用戶可以檢測出輕度、中度和重度的腐朽缺陷。檢測到白蟻穴時會呈現(xiàn)這樣特征：由實木的高阻力，突然變得無阻力。生長錐經(jīng)常被用于檢測樹木的年齡。在用于木材的檢測時，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)過仔細檢測可找到木材部是否有腐朽存在證據(jù)。另外，木芯可以用來獲得木質(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種。為防止水分和昆蟲的侵入，鉆削留下的孔要用經(jīng)過處理的木塞堵住。(a) 鉆取木芯(b) 觀察木芯以發(fā)現(xiàn)腐朽圖 16生長錐用于木材檢測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，如果發(fā)現(xiàn)非常軟、或沒有阻力，同時有碎片掉落，則說明近表面處有腐朽存在。盡管它們是簡單檢測工具，但有經(jīng)驗的人利用它們可以得到非常多的信息。3.7 木質(zhì)材料無損檢測與評價設(shè)備經(jīng)過多年的科學(xué)研究與生產(chǎn)實踐，多種木質(zhì)材料無損檢測儀器和

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

29、儀器測量錘擊產(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間。在事先輸入原木長度的情況下，可以直接得到應(yīng)力波的傳播速度。通常這個速度越大，代表木材的彈性模量越高。stiffnessdensity x velocity2lengthvelocity = 2 x length / time3.3(a) 工作原理簡圖(b)工作照片圖 17用于原木檢測的Director HM200鋸材檢測設(shè)備和儀器板材應(yīng)力分等設(shè)備Metriguard 是美國著名的木質(zhì)材料性能無損檢測設(shè)備制造公司。它生產(chǎn)的板材應(yīng)力分等設(shè)備在世界很多國家都有應(yīng)用。圖18 是這種設(shè)備的工作原理簡圖和照片。它根據(jù)雙向彎曲原理，測量兩

30、個彎曲方向上的位移變形和載荷，進而自動計算出被測板材的彈性模量。其最大的優(yōu)點上測量速度快，其型號7200HCLT 設(shè)備，可以實現(xiàn)板材最高914m/min 的高速移動在線檢測。非常適合于大批量生產(chǎn)情況。一些公司也將這種設(shè)備用來檢測單板層積材（ LVL ）的彈性模量， 并對其進行應(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)力波類檢測儀器應(yīng)力波類檢測儀器可以作為生產(chǎn)線的一個組成部分，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使用。便攜式應(yīng)力波檢測儀適于鋸材、原木、活立木、木結(jié)構(gòu)等各處檢測。目前國際上比較典型的便攜式應(yīng)力波檢測儀有

31、兩種：匈牙利生產(chǎn)的 FAKOPP 微秒計和德國公司產(chǎn)的IML 微秒計。這兩種儀器都是測量應(yīng)力波由一極傳感器傳播到另一極傳感器間的時間。根據(jù)傳播時間和兩極間的距離，可以計算出被測木質(zhì)材料的彈性模量。圖 19 FAKOPP 微秒計（左）和IML 微秒計（右）振動類檢測儀器振動類檢測儀器主要根據(jù)板材尤其是規(guī)格材在橫向自由振動后，其共振頻率與木質(zhì)材料的彈性模量間的定量關(guān)系來實現(xiàn)測量工作。美國Metriguard公司生產(chǎn)的 E-Computer在國際上有非常高的知名度。林業(yè)大學(xué)研制的同類儀器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）單板檢測設(shè)備Metriguard的單板檢測設(shè)備 2800 DME型可以實現(xiàn)單板密度、含水率和彈性模量的在線檢測。其最高檢測速度可以達到130m/min。非常適合工廠化的大批量生產(chǎn)使用。在彈性模量的檢測中，它采用的是超聲波信號，檢測超聲波在其部的傳播速度。圖21是其實物照片。圖 21 Metriguard 的單板檢測設(shè)備日本為擴大國產(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“單板強度分級系統(tǒng) ”，用于將木材按強度區(qū)分開，利于依強度級別使用木材，加工成強度更高、差異更小的木材加工和人造板產(chǎn)品。這種單板強度分級技術(shù)對木材無任何損壞。該系統(tǒng)通過檢測單板中的縱

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度進行分級。系統(tǒng)以20 30 m/min 的速度，搬運厚2 4mm 、寬 9001000mm、長 1900 2000mm的單板，以 1GPa為單位檢測單板的彎曲彈性模量。使用該系統(tǒng)分級的單板生產(chǎn)單板層積材(25mm×910mm× 1820mm)，按照 JAS(日本農(nóng)林標(biāo)準(zhǔn) )規(guī)定的試驗方法，進行單板層積材的彎曲試驗和分析評價結(jié)果表明，單板檢測值與單板層積材的試驗值之間有密切的相關(guān)關(guān)系 (平行使用時： R2 = 0.967，縱向使用時： R2 = 0.950)。即通過本系統(tǒng)，可以生產(chǎn)要求彎曲彈性模量的單板層積材，特別是

34、有效利用了國產(chǎn)柳杉材。使用該系統(tǒng)分級，彎曲彈性模量強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。該單板強度分級系統(tǒng)簡介如下。1)單板強度分級系統(tǒng)的構(gòu)成單板強度分級系統(tǒng)由 “單板搬運裝置 ”、 “音速檢測裝置 ”、 “射線密度檢測裝置 ”、“板厚檢測裝置 ”組成。采用計算機及計算機軟件控制，以 2060 m/min 進給速度檢測單板的彎曲彈性模量。2)彎曲彈性模量的檢測原理采用彎曲強度試驗方法可測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，只可以用其他相關(guān)的可檢測項目求出單板的彎曲彈性

35、模量，本分級系統(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：使用 射線密度檢測儀；通過穿透被檢測物的射線透過量檢測密度。音速的測定：音速= 單板長度 /傳遞時間?？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. 常見的木材力學(xué)性能無損檢測技術(shù)有哪些？2. 力學(xué)性能測試原始方法中，“三點彎曲測試法”與“四點彎曲測試法”的區(qū)別是什么？3. 基于橫向振動原理的木質(zhì)材料力學(xué)性能無損檢測技術(shù)的原理是什么？4. 應(yīng)力波無損檢測技術(shù)的理論依據(jù)是什么？5. 微鉆孔檢測法的基本原理是什么？6. 目前常見的木質(zhì)材料無損檢測與評價設(shè)備有哪些？試舉例說明。參考文獻1 郝金城 . 木材應(yīng)力分等的方法 . 木工機