浙高校研发木材应力波断层成像仪 可对树木无损检测

中国教育装备采购网2013-10-22 10:27围观216次我要分享

  编者按:近日,浙江农林大学研发了木材应力波断层成像仪在第十三届“挑战杯”交通银行全国大学生课外学术科技作品竞赛决赛中获奖。该项技术接轨国际,采用二维显像,能让人一眼看到木材内部的图像。

  应力波传播可对树木进行无损检测

  采用应力波传播时间为原理对树木内部结构进行无损检测,可以获得树木横切面内部的二维或三维图像,从图像中发现木材内部健康与腐朽情况以及腐朽的程度大小,从而获取古树或其他测量对象的健康状态。

  木材中应力波传播是直接与木材物理和力学性能有关的动态过程。应力波法检测木质材料的原理是利用木质材料受撞击后,在其内部产生机械波的传播,并根据木质材料的弹性模量E、应力波速度C和木质材料密度P之间存在的关系:E=C2p,通过测量应力波传播速度确定木质材料的弹性模量,最终估算出木质材料的力学强度。

  应力波检测内窥镜法属于机械波行为,对人体无危害,该工业内窥镜不受被测木材形状和尺寸的限制,在传感器和被测木材之间不须用耦合剂,且携带方便,被广泛应用于立木品质评价、木结构建筑部件现场内窥镜检测及各种木制品的力学性能评估。

  不用砍树就知道树木好坏

  一棵生长的大树,树干里有没有空,有经验的师傅用手敲敲听听声音,或许能够鉴别出来。但还是会存在失策的情况。就像林场砍树下来做材料,就时常碰到砍下来的树空洞无用,白砍了。

  负责研发木材应力波断层成像仪的李光辉教授介绍说,该仪器主要利用脉冲锤撞击树木,使其内部产生应力波的传播,在此期间,与脉冲锤联结在一起的木材应力波断层成像仪中,会自动利用传感器输出信号,经过模拟电路处理后输出至数字处理电路,然后数字处理电路对前级输出的信号进行处理,得到应力波传播时间的波形图,并通过木材应力波断层成像仪的显示器显示。使用者可以通过测量应力波的传播时间和传播速度的变化,并计算木材弹性模量等参数,通过比正常的同类树种相关数据,来判断木材内部有无缺陷。

  “用我们的仪器,砍树前测一测就知道了。”浙江农林大学信息工程学院学生王丽霞说,只需要在树上钉一些钉子支撑传感器,就可能通过敲击后产生的应力波,洞悉树木里的情况。“根据传感器传回来的速度,电脑上能够显示图像。传回来的速度越慢,电脑上显示红色、黄色的可能性就越大,因为这两种颜色是代表树木都有问题,其中红色表示问题最严重,如果显示绿色就表明树木内部是好的。”

  一代仪器曾在故宫使用过

  “我们的仪器,不仅可以用在还在生长的树木身上,还能够用在古建筑的木材检测中。两三年前的一代仪器,还在北京故宫检测过立柱,帮助管理单位发现问题,提前保养。”说起自己参与研发的仪器,王丽霞一脸自豪。

  这份自豪不是没有理由的。“在此之前,木材研究领域虽然也有红外线检测法、超声波检测法、核磁共振检测法等,但是因为设备昂贵、复杂而难以推广,我们开发的产品最大特点是既不破坏材料的原有特性,又能在短时间内连续获得检测结果。此外,我们的仪器还有在传感器与被测木材之间不需任何的耦合剂;使用方便,不受木材尺寸和形状的影响;不对人体造成危害等优点,和国内外同类产品相比成本低得多。”

  新一代的木材应力波断层成像仪,技术上面已经与国际接轨了,都是采用二维显像,能让人一眼看到木材内部的图像。但是,价格却是国外产品的零头。“德国产的仪器售价20多万,匈牙利的仪器售价达到30万,我们的价格才3万左右,功效都差不多。”现在,省林业厅已经使用浙农林大学研发的木材应力波断层成像仪。

  国内外进展

  早在1950年,国际上就开始研究利用应力波技术评价木材性质。20世纪60年代,国外科研者发现由于木材缺陷的存在影响到木材强度,冲击波的传播时间会受到影响,通过检测时间的差别可以判断材料的性质。但内窥镜由于受材料尺寸和当时度量技术条件的限制,这个时间差值很难检测。此外,弹性模量值与速度的具体关系也无法得知。直到1988年,在Ross和Pellerin的研究中,木材的弹性模量、应力波速度和木质材料密度三者之间的关系才被明确为E=C2p/g。从此,通过测量应力波速度确定木材的弹性模量。进而对木材性质的评价得以实现。

  此后的数年,国外学者利用统计分析的方法,通过对大量的木材进行无损检测试验,统计和分析各种测量参数,评价木材弹性模量、拉伸强度等物理力学性质。北京德朗研究人员进一步验证了应力波方法在木材缺陷检测的可行性,并探索了其在木材无损检测领域的应用风潮。

  1995年,王志同志利用应力波无损检测技术检测中密度纤维板的弹性模量,这是国内首次报道采用应力波方法检测木质材料。结果表明,应力波无损检测法测定的中密度纤维板弯曲弹性模量有足够精确的保证,测试数据具有较高的精度与重复精度,从而为实现中国中密度纤维板生产线产品质量的在线自动化控制奠定了基础。

  近年来,许多学者进行了大量基于应力波法的木材无损检测研究,在应力波传播模型建立和应力波信号采集系统的开发等方面取得了一定的成果,在实际应用方面更为突出。尚大军等阎基于应力波检测方法,利用Pilodyn内窥镜检测设备对西藏部分古建筑腐朽和虫蛀木构件进行了现场无损检测.通过对木构件腐朽和虫蛀程度的定量、定性对比,论证了应力波内窥镜检测法用于古建筑木构件的腐朽和虫蛀程度检测的可行性。同年,段新芳等圆就应力波技术检测古建筑木构件残余弹性模量进行了初步研究,结果表明应力波无损检测可以有效地测定残余木构件的力学强度,且不同种类木构件弹性模量保持率与其承重作用大小相关。朱景乐等概述了,应力波设备Pilodyn内窥镜在林木遗传改良应用中的研究进展,肯定了应力波无损检测在林木材性改良选择中的重要作用。李华等人创新地将三维应力波断层扫描仪和阻力仪联合应用于古建筑木结构的勘查中,得到了更为准确的评价结果。

来源:中国化工仪器网

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