木材應力波斷層成像

浙江農林大學研發了木材應力波斷層成像儀在第十三屆“挑戰杯”交通銀行全國大學生課外學術科技作品競賽決賽中獲獎。該項技術接軌國際，采用二維顯像，能讓人一眼看到木材內部的圖像。
　　
　　應力波傳播可對樹木進行無損檢測
　　
　　采用應力波傳播時間為原理對樹木內部結構進行無損檢測，可以獲得樹木橫切面內部的二維或三維圖像，從圖像中發現木材內部健康與腐朽情況以及腐朽的程度大小，從而獲取古樹或其他測量對象的健康狀態。
　　
　　木材中應力波傳播是直接與木材物理和力學性能有關的動態過程。應力波法檢測木質材料的原理是利用木質材料受撞擊后，在其內部產生機械波的傳播，并根據木質材料的彈性模量E、應力波速度C和木質材料密度P之間存在的關系：E=C2p，通過測量應力波傳播速度確定木質材料的彈性模量,最終估算出木質材料的力學強度。
　　
　　應力波檢測內窺鏡法屬于機械波行為,對人體無危害,該工業內窺鏡不受被測木材形狀和尺寸的限制，在傳感器和被測木材之間不須用耦合劑，且攜帶方便，被廣泛應用于立木品質評價、木結構建筑部件現場內窺鏡檢測及各種木制品的力學性能評估。
　　
　　不用砍樹就知道樹木好壞
　　
　　一棵生長的大樹，樹干里有沒有空，有經驗的師傅用手敲敲聽聽聲音，或許能夠鑒別出來。但還是會存在失策的情況。就像林場砍樹下來做材料，就時常碰到砍下來的樹空洞無用，白砍了。
　　
　　負責研發木材應力波斷層成像儀的李光輝教授介紹說，該儀器主要利用脈沖錘撞擊樹木，使其內部產生應力波的傳播，在此期間，與脈沖錘聯結在一起的木材應力波斷層成像儀中，會自動利用傳感器輸出信號，經過模擬電路處理后輸出至數字處理電路，然后數字處理電路對前級輸出的信號進行處理，得到應力波傳播時間的波形圖，并通過木材應力波斷層成像儀的顯示器顯示。使用者可以通過測量應力波的傳播時間和傳播速度的變化，并計算木材彈性模量等參數，通過比正常的同類樹種相關數據，來判斷木材內部有無缺陷。
　　
　　“用我們的儀器，砍樹前測一測就知道了。”浙江農林大學信息工程學院學生王麗霞說，只需要在樹上釘一些釘子支撐傳感器，就可能通過敲擊后產生的應力波，洞悉樹木里的情況。“根據傳感器傳回來的速度，電腦上能夠顯示圖像。傳回來的速度越慢，電腦上顯示紅色、黃色的可能性就越大，因為這兩種顏色是代表樹木都有問題，其中紅色表示問題最嚴重，如果顯示綠色就表明樹木內部是好的。”
　　
　　一代儀器曾在故宮使用過
　　
　　“我們的儀器，不僅可以用在還在生長的樹木身上，還能夠用在古建筑的木材檢測中。兩三年前的一代儀器，還在北京故宮檢測過立柱，幫助管理單位發現問題，提前保養。”說起自己參與研發的儀器，王麗霞一臉自豪。
　　
　　這份自豪不是沒有理由的。“在此之前，木材研究領域雖然也有紅外線檢測法、超聲波檢測法、核磁共振檢測法等，但是因為設備昂貴、復雜而難以推廣，我們開發的產品最大特點是既不破壞材料的原有特性，又能在短時間內連續獲得檢測結果。此外，我們的儀器還有在傳感器與被測木材之間不需任何的耦合劑；使用方便，不受木材尺寸和形狀的影響；不對人體造成危害等優點，和國內外同類產品相比成本低得多。”
　　
　　新一代的木材應力波斷層成像儀，技術上面已經與國際接軌了，都是采用二維顯像，能讓人一眼看到木材內部的圖像。但是，價格卻是國外產品的零頭。“德國產的儀器售價20多萬，匈牙利的儀器售價達到30萬，我們的價格才3萬左右，功效都差不多。”現在，省林業廳已經使用浙農林大學研發的木材應力波斷層成像儀。
　　
　　國內外進展
　　
　　早在1950年,國際上就開始研究利用應力波技術評價木材性質。20世紀60年代，國外科研者發現由于木材缺陷的存在影響到木材強度,沖擊波的傳播時間會受到影響，通過檢測時間的差別可以判斷材料的性質。但內窺鏡由于受材料尺寸和當時度量技術條件的限制，這個時間差值很難檢測。此外，彈性模量值與速度的具體關系也無法得知。直到1988年，在Ross和Pellerin的研究中，木材的彈性模量、應力波速度和木質材料密度三者之間的關系才被明確為E=C2p／g。從此，通過測量應力波速度確定木材的彈性模量。進而對木材性質的評價得以實現。
　　
　　此后的數年,國外學者利用統計分析的方法，通過對大量的木材進行無損檢測試驗，統計和分析各種測量參數，評價木材彈性模量、拉伸強度等物理力學性質。北京德朗研究人員進一步驗證了應力波方法在木材缺陷檢測的可行性，并探索了其在木材無損檢測領域的應用風潮。
　　
　　1995年,王志同志利用應力波無損檢測技術檢測中密度纖維板的彈性模量，這是國內首次報道采用應力波方法檢測木質材料。結果表明，應力波無損檢測法測定的中密度纖維板彎曲彈性模量有足夠精確的保證，測試數據具有較高的精度與重復精度，從而為實現中國中密度纖維板生產線產品質量的在線自動化控制奠定了基礎。
　　
　　近年來，許多學者進行了大量基于應力波法的木材無損檢測研究，在應力波傳播模型建立和應力波信號采集系統的開發等方面取得了一定的成果，在實際應用方面更為突出。尚大軍等閻基于應力波檢測方法，利用Pilodyn內窺鏡檢測設備對西藏部分古建筑腐朽和蟲蛀木構件進行了現場無損檢測．通過對木構件腐朽和蟲蛀程度的定量、定性對比，論證了應力波內窺鏡檢測法用于古建筑木構件的腐朽和蟲蛀程度檢測的可行性。同年,段新芳等圓就應力波技術檢測古建筑木構件殘余彈性模量進行了初步研究,結果表明應力波無損檢測可以有效地測定殘余木構件的力學強度,且不同種類木構件彈性模量保持率與其承重作用大小相關。朱景樂等概述了，應力波設備Pilodyn內窺鏡在林木遺傳改良應用中的研究進展，肯定了應力波無損檢測在林木材性改良選擇中的重要作用。李華等人創新地將三維應力波斷層掃描儀和阻力儀聯合應用于古建筑木結構的勘查中，得到了更為準確的評價結果。

多少年的老傳統，如今有心之士變成科技創新，真是應了那句老話：“實踐出真知，功夫不負有心人”。