60
福建分析测试Fujian Analysis &Testing 2012，21（1）
无损检测在木材应用中的现状及发展趋势
刘培炎
（福建省产品质量检验研究院，福建
摘
福州350002）
要：无损检测技术在木材检测中的地位日益重要，本文主要从应力波检测、超声波检测、X 射线检测和机械应力
检测四个方面介绍了无损检测在木材中的应用，阐述了其基本原理和特点，概述了发展历史和研究现状，并展望了未来研究方向及工作重点。
关键词：木材；无损检测；木材无损检测
中图分类号：TP391文献标识码：A 文章编号：1009-8143（2012）00-0060-03
Advances in non-destructive testing for wood application
Liu Peiyan
（Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality ，Fuzhou 350002，China ）
Abstract ：Non-destructive testing plays an important role in wood detection. The article mainly shows the stress wave, ultrasonic, X-ray and mechanical stress these 4non-destructive testing methods and principles, While overview of the development history and the future research.
Keywords ：wood ；non-destructive testing ；wood non-destructive testing
木材无损检测主要用于木材及其制品质量评
1木材无损检测的简述
无损检测（Non-destructive Testing 简称NDT ）是物理力学性质和化指不破坏被测试件原有的形状、
学性质等，采用适当的检验手段, 对其性能性质进行检测和评价的方法。近年来，把先进的电子、计算机和射线等技术与木材所具有的特殊特性相结合而进行的非破坏性检验的技术手段被称之为木材无损检测。
木材所具有的特殊结构，如其构造具有多孔层次性、各向异性等特性及生物特性使得木材性、
无损检测与其他材料如金属材料等相比具有独特性也有困难性。木材无损检测是一门非破坏性的新兴检测技术, 20世纪50年代开始研究，到了20世日本等国家兴起，近几十年纪60年代后期在欧美、
多种研究方法被鉴借到木材无损检测上，发展相当迅速。
价和木材生长等方面的检测。欧美和日本等国家在木材无损检测方面取得了重要研究成果，如把超声射线、微波和计算机等技术应用于木材物理力波、
学性能、生长特性及木材缺陷等方面的检测, 加快了木材检测的步伐。20世纪70年代末我国开始利用X 射线受木材缺陷影响其传播进行木材无损检测研究；20世纪80年代后期, 开始利用多种研究方法对木材及其制品物理力学性质、木材生长特性等进行了无损检测的初步研究。随着一些先进技术如电子、射线和计算机技术等的不断进步, 到目前为止木材及其制品方面无损检测技术的在国内应用已有几十种。目前我国尚处于跟随发达国家步伐阶段, 虽某些研究处于国际领先水平, 但有待于研究者探索新的方法并不断突破原有技术。
2木材无损检测的方法研究
收稿日期：2011-11-3
作者简介：刘培炎（1962～），男，高级工程师，从事产品质量检验工作。Email:[email protected]
2012，21（1）刘培炎：无损检测在木材应用中的现状及发展趋势
61
普通的木材物理性质、力学性质检验主要用检验仪器及试验机测量木材及其制品的外形规格等，一般为破坏性试验。普通方法检测木材及其制品需检验不但要的实验周期长, 对环境等条件要求严格，
破坏木材结构而且取样要求等造成了严重的浪费。无损检测技术检测木材及其制品与普通方法相比较有很多优点:一方面能不破坏木材及其制品原有形状和结构，检测后可以继续利用，另一方面能快速测量木材及其制品的尺寸、规格和基本物理力学性能等不但节约了检测时间还提高了检测效率。利用当今先进的物理方法和手段能使木材检测技术方便快捷，又有利于我国林产工业的发展，我们主要分析常用的几种检测技术，加大人们对木材无损检测的认识。2.12.1.1
国内外研究历史及现状
应力波检测的国内外应用研究情况应力波是应力和应变扰动的传播形式，在可变形固体介质中机械扰动表现为质点速度的变化和相应的应力、应变状态的变化。应力、应变状态的变化以波的方式传播，称为应力波。应力波的敏感性使得其在木材中传播会受到木材内部缺陷的影响，检测应力波的传播时间变化能够判断木材的内部情况，20世纪60年代国外学者利用这一性质检测木材，也是早期的应力波在木材中应用。
1988年ROSS J R 等[1]采用应力波检测方法研究出木材的弹性模量、应力波速度和木材密度存在为应力波在木材中的无损检测提的关系为E=v2ρ，
3]供了研究关系式。1994年, ROSS J R 等[2，利用应力
合板的垂直纹理方向能检测出节子和裂纹宽度；沿着平行纹理只能检验出节子。同年Tiitta 等[8]利用超声波检测对木材腐朽进行研究，并比较采样单一信号和多信号。
我国的学者对木材的超声波检测技术的研究开始于在20世纪80年代。李华和刘秀英[9]等在2003年对北京大钟寺博物馆木结构钟架用超声波检测仪进行了检测，评估了钟架木结构的力学性质变化情况，无损检测被应用到古建筑保护中，也为古建筑的保护提供了检测方法。2.1.3
X 射线检测的国内外应用研究情况1963年法国首先利用X 射线对木材的密度进行检测。2000年Oja 等[10]于利用X 射线和CT 成像技术建立起挪威云杉节子与密度的模型，并得到模型与破坏强度和弹性模量三者之间的相关性。2003年Kelley 等[11]运用先进的近红外光谱（NIR ）技术研究了火炬松不同高度及不同径向化学成分和物理力学性质，将数学中的多元统计运用到研究中并预测出木材中的一些成分的含量。
国内冯星球等[12]采用X 射线检测人造板（纤维板和刨花板）密度, 得出厚度方向上密度梯度的平均X 射线检测原木的无损检测值和最大值。2007年，
方法被孙丽萍等[13]提出，为X 射线在原木中的应用打下了基础。2.1.4
机械应力检测的国内外研究进展情况机械应力分等方法对规格材进行分等早在1963年被采用，机械应力分等能够提高木材的利用率[14]。美国最早的分等方法只是用来评价木板材的到了20世纪70刚度, 随着研究的不断发展和深入，
年代建立起木材刚度与木材强度之间的关系。我国的规格材分等发展较晚，在国内推进规格材分等有利于我国木材行业的发展。2.22.2.1
无损检测方法原理简介应力波检测法的检测原理
应力波检测法是由于物体受撞击后产生冲击应力波, 并在物质内传播。木材应力波测试法是建立在被测木材的速度与其密度及弹性模量的之间关系的测试技术。冲击应力波检测法不受外形和规格的限制, 传感器便于携带，可以被广泛地用到检测立木的缺陷和木材及其制品的物理力学上。2.2.2
超声波检测法的检测原理
木材超声波检测指超声波产生声脉冲，使声脉
波技术, 根据应力波在板材间传播时间的差异性辨Wagner 等[4]运用应别木材是否存在缺陷。2003年，
力波技术并用回归分析的方法研究美国花旗松，得出应力波传播速度和弹性模量之间的关系并建立起应力波速度与动态弹性模量之间的相关性。
2005年国内林文树等[5]发现超声波与应力波均孔洞大小及数量等影响，判断出木材受木材密度、
的内部缺陷，也对比两种波受到的影响程度，但存在一定的相关性。2.1.2
超声波检测的国内外应用研究情况超声波检测技术在80年代中期被引用到木材及其制品检测中。Olivito [6]在1996年发现超声波速度在纤维饱和点以下和纤维饱和点以上时的速度变化。2001年Wang J 等[7]发现超声波波速在沿着胶
62
福建分析测试技术交流2012，21（1）
冲进入到木材及其制品中并经过不断地穿透、反射、衰减, 被传感器收集, 得到不同信号参数再经过处理后, 能预测木材及其制品的性质的方法。超声波的声速与木材的密度、超声弹性模量之间建立起来的关系式为E=C2ρ，通过测量超声波速度能得出木材及其制品的弹性模量, 并能根据超声波传播在时间上的差异, 检测木材及其制品中存在的缺陷。2.2.3
X 射线检测法的检测原理
X 射线检测的主要的射线是x 、γ和中子射线等。射线透射木材及及其制品时因为被吸走一部分, 从而使其强度衰减, 窄小范围内透过试样前后的射线被接受传感器接受显示强度变化的方法就是X 射线检测法。以射线衰减率及木材平均吸收系数研究木材及其制品的密度及缺陷等。2.2.4
机械应力检测法的检测原理
木材机械应力检测法采用施以恒定力于木材及其制品上，得出相应的变形，由相关运算系统得出木材及其制品的强度和弹性模量，能够在线对木材及其制品的应力进行分析。对木材的分等实现产业化。
[1]ROSS R J, PELLERIN R F. NDE of wood-based composites with longitudinal stress wave 1988, 38（5）:39-45.
[2]ROSS R J,JAM ES C,WARD A T. Identifying bacterially in-fected oak by stress wave nondestructive evaluation [J].Re-search Paper of Forest Products Laboratory, 1994（512）:1-6. [3]ROSS R J,WARD J C, TENWOLDE A. Stress wave nonde-structive evaluation of wetwood [J]. Forest Products Journal, 1994,44（8）:79-83.
[4]WAGNER F G,GORM AN T M ,WU S Y.Assessment of inten-sive stress-wave scanning of Douglas-fir trees for predicting lumber M OE[J].Forest Products Journal,2003,53（3）:36-39. [5]林文树, 杨慧敏, 王立海. 超声波与应力波在木材内部缺陷检测中的对比研究[J].林业科技,2005（2）.
[6]Olivito R S.U.trasonic measurements in wood [J].M aterials E-valuation, 1996（54）:514-517.
[7]Wang J, Biernacke J W, Lam F. Nondest ructive evaluation of veneer quality using acoustic wave measurement [J].Wood Science and Technology, 2001（34）:505-516.
[8]Tiitta M E, Beall F C, Biernacki J M 1Classification study for using acousticult rasonics to detect inernal decay in glulam beams [J].Wood Science and Technology, 2001（35）:85-96. [9]李华, 刘秀英. 大钟寺博物馆钟架的超声波无损检测[J].木材工业,2003,17（2）:33-36.
[10]OJA J,GRUNDBERG S, GRONLUND A. Predicting the
strength of sawn products by X2ray scanning of logs:Apre-）:liminary study [J].Woodand Fiber Science,2000,32（2203-208.
[11]Kelley S. S.,Rials Timothy,Snell Rebecca,etc.Use of near in-frared spectroscopy to measure the chemical and mechanical properties of solid wood ［J ］.Wood Science and Technology, 2003，23（17）:62-65．
[12]冯星球, 陈焕娣, 张立芳. 用X 射线研究人造板材的密度梯
（4）:62-66. 度[J].南京林业大学学报, 1995,19
[13]孙丽萍, 张汝南, 秦怀光.X 射线在原木无损检测中的应用
[J].林业机械与木工设备,2007,35（10）:54-55.
[14]任海青, 郭伟, 殷亚方. 北美规格材机械分等综述[J].世界林
（3）：66-70. 业研究,2006,19
[15]Ishidoh M . Ishiguri F. Iizuka K. The evaluation of modulus of
elasticityat an early stage of growth in Sugi （Cryptomeria japonica ）wood using S2microfibril angle of latewood trachei-ds as a wood quality indicator [J].Journalof the Japan Wood Research Society,2009,55（1）:10-17.
[J].Forest Products Journal,
参考文献
3木材无损检测的发展趋势
根据2009年的研究成果，日本学者[15]就无损检预测出测技术对日本柳杉S 2层微纤丝角进行测量，日本柳杉的弹性模量，并实现了对日本柳杉的早期评价，为日本柳杉的生长提供预测，也为树木微观结构检测提供了参考依据。此前的研究多为宏观检测，未来的研究方向可以考虑从宏观检测和微观检测两方面相结合入手。利用先进的无损检测技术，测定木材的显微结构及结构变化用以预测木材物理力学性能将成为今后研究方向。
木材识别与鉴定一直以来是木材科学与专业的一个难题，目前多采用切片制样的传统方法进行近红外线光谱分识别，虽然目前有DNA 标记技术、析技术和稳定同位素分析技术等，但是依旧需要更多的先进技术植入此方向中。无损检测更多的被引用到木材识别与鉴定中也将会成为未来的发展方向之一。
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福建分析测试Fujian Analysis &Testing 2012，21（1）
无损检测在木材应用中的现状及发展趋势
刘培炎
（福建省产品质量检验研究院，福建
摘
福州350002）
要：无损检测技术在木材检测中的地位日益重要，本文主要从应力波检测、超声波检测、X 射线检测和机械应力
检测四个方面介绍了无损检测在木材中的应用，阐述了其基本原理和特点，概述了发展历史和研究现状，并展望了未来研究方向及工作重点。
关键词：木材；无损检测；木材无损检测
中图分类号：TP391文献标识码：A 文章编号：1009-8143（2012）00-0060-03
Advances in non-destructive testing for wood application
Liu Peiyan
（Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality ，Fuzhou 350002，China ）
Abstract ：Non-destructive testing plays an important role in wood detection. The article mainly shows the stress wave, ultrasonic, X-ray and mechanical stress these 4non-destructive testing methods and principles, While overview of the development history and the future research.
Keywords ：wood ；non-destructive testing ；wood non-destructive testing
木材无损检测主要用于木材及其制品质量评
1木材无损检测的简述
无损检测（Non-destructive Testing 简称NDT ）是物理力学性质和化指不破坏被测试件原有的形状、
学性质等，采用适当的检验手段, 对其性能性质进行检测和评价的方法。近年来，把先进的电子、计算机和射线等技术与木材所具有的特殊特性相结合而进行的非破坏性检验的技术手段被称之为木材无损检测。
木材所具有的特殊结构，如其构造具有多孔层次性、各向异性等特性及生物特性使得木材性、
无损检测与其他材料如金属材料等相比具有独特性也有困难性。木材无损检测是一门非破坏性的新兴检测技术, 20世纪50年代开始研究，到了20世日本等国家兴起，近几十年纪60年代后期在欧美、
多种研究方法被鉴借到木材无损检测上，发展相当迅速。
价和木材生长等方面的检测。欧美和日本等国家在木材无损检测方面取得了重要研究成果，如把超声射线、微波和计算机等技术应用于木材物理力波、
学性能、生长特性及木材缺陷等方面的检测, 加快了木材检测的步伐。20世纪70年代末我国开始利用X 射线受木材缺陷影响其传播进行木材无损检测研究；20世纪80年代后期, 开始利用多种研究方法对木材及其制品物理力学性质、木材生长特性等进行了无损检测的初步研究。随着一些先进技术如电子、射线和计算机技术等的不断进步, 到目前为止木材及其制品方面无损检测技术的在国内应用已有几十种。目前我国尚处于跟随发达国家步伐阶段, 虽某些研究处于国际领先水平, 但有待于研究者探索新的方法并不断突破原有技术。
2木材无损检测的方法研究
收稿日期：2011-11-3
作者简介：刘培炎（1962～），男，高级工程师，从事产品质量检验工作。Email:[email protected]
2012，21（1）刘培炎：无损检测在木材应用中的现状及发展趋势
61
普通的木材物理性质、力学性质检验主要用检验仪器及试验机测量木材及其制品的外形规格等，一般为破坏性试验。普通方法检测木材及其制品需检验不但要的实验周期长, 对环境等条件要求严格，
破坏木材结构而且取样要求等造成了严重的浪费。无损检测技术检测木材及其制品与普通方法相比较有很多优点:一方面能不破坏木材及其制品原有形状和结构，检测后可以继续利用，另一方面能快速测量木材及其制品的尺寸、规格和基本物理力学性能等不但节约了检测时间还提高了检测效率。利用当今先进的物理方法和手段能使木材检测技术方便快捷，又有利于我国林产工业的发展，我们主要分析常用的几种检测技术，加大人们对木材无损检测的认识。2.12.1.1
国内外研究历史及现状
应力波检测的国内外应用研究情况应力波是应力和应变扰动的传播形式，在可变形固体介质中机械扰动表现为质点速度的变化和相应的应力、应变状态的变化。应力、应变状态的变化以波的方式传播，称为应力波。应力波的敏感性使得其在木材中传播会受到木材内部缺陷的影响，检测应力波的传播时间变化能够判断木材的内部情况，20世纪60年代国外学者利用这一性质检测木材，也是早期的应力波在木材中应用。
1988年ROSS J R 等[1]采用应力波检测方法研究出木材的弹性模量、应力波速度和木材密度存在为应力波在木材中的无损检测提的关系为E=v2ρ，
3]供了研究关系式。1994年, ROSS J R 等[2，利用应力
合板的垂直纹理方向能检测出节子和裂纹宽度；沿着平行纹理只能检验出节子。同年Tiitta 等[8]利用超声波检测对木材腐朽进行研究，并比较采样单一信号和多信号。
我国的学者对木材的超声波检测技术的研究开始于在20世纪80年代。李华和刘秀英[9]等在2003年对北京大钟寺博物馆木结构钟架用超声波检测仪进行了检测，评估了钟架木结构的力学性质变化情况，无损检测被应用到古建筑保护中，也为古建筑的保护提供了检测方法。2.1.3
X 射线检测的国内外应用研究情况1963年法国首先利用X 射线对木材的密度进行检测。2000年Oja 等[10]于利用X 射线和CT 成像技术建立起挪威云杉节子与密度的模型，并得到模型与破坏强度和弹性模量三者之间的相关性。2003年Kelley 等[11]运用先进的近红外光谱（NIR ）技术研究了火炬松不同高度及不同径向化学成分和物理力学性质，将数学中的多元统计运用到研究中并预测出木材中的一些成分的含量。
国内冯星球等[12]采用X 射线检测人造板（纤维板和刨花板）密度, 得出厚度方向上密度梯度的平均X 射线检测原木的无损检测值和最大值。2007年，
方法被孙丽萍等[13]提出，为X 射线在原木中的应用打下了基础。2.1.4
机械应力检测的国内外研究进展情况机械应力分等方法对规格材进行分等早在1963年被采用，机械应力分等能够提高木材的利用率[14]。美国最早的分等方法只是用来评价木板材的到了20世纪70刚度, 随着研究的不断发展和深入，
年代建立起木材刚度与木材强度之间的关系。我国的规格材分等发展较晚，在国内推进规格材分等有利于我国木材行业的发展。2.22.2.1
无损检测方法原理简介应力波检测法的检测原理
应力波检测法是由于物体受撞击后产生冲击应力波, 并在物质内传播。木材应力波测试法是建立在被测木材的速度与其密度及弹性模量的之间关系的测试技术。冲击应力波检测法不受外形和规格的限制, 传感器便于携带，可以被广泛地用到检测立木的缺陷和木材及其制品的物理力学上。2.2.2
超声波检测法的检测原理
木材超声波检测指超声波产生声脉冲，使声脉
波技术, 根据应力波在板材间传播时间的差异性辨Wagner 等[4]运用应别木材是否存在缺陷。2003年，
力波技术并用回归分析的方法研究美国花旗松，得出应力波传播速度和弹性模量之间的关系并建立起应力波速度与动态弹性模量之间的相关性。
2005年国内林文树等[5]发现超声波与应力波均孔洞大小及数量等影响，判断出木材受木材密度、
的内部缺陷，也对比两种波受到的影响程度，但存在一定的相关性。2.1.2
超声波检测的国内外应用研究情况超声波检测技术在80年代中期被引用到木材及其制品检测中。Olivito [6]在1996年发现超声波速度在纤维饱和点以下和纤维饱和点以上时的速度变化。2001年Wang J 等[7]发现超声波波速在沿着胶
62
福建分析测试技术交流2012，21（1）
冲进入到木材及其制品中并经过不断地穿透、反射、衰减, 被传感器收集, 得到不同信号参数再经过处理后, 能预测木材及其制品的性质的方法。超声波的声速与木材的密度、超声弹性模量之间建立起来的关系式为E=C2ρ，通过测量超声波速度能得出木材及其制品的弹性模量, 并能根据超声波传播在时间上的差异, 检测木材及其制品中存在的缺陷。2.2.3
X 射线检测法的检测原理
X 射线检测的主要的射线是x 、γ和中子射线等。射线透射木材及及其制品时因为被吸走一部分, 从而使其强度衰减, 窄小范围内透过试样前后的射线被接受传感器接受显示强度变化的方法就是X 射线检测法。以射线衰减率及木材平均吸收系数研究木材及其制品的密度及缺陷等。2.2.4
机械应力检测法的检测原理
木材机械应力检测法采用施以恒定力于木材及其制品上，得出相应的变形，由相关运算系统得出木材及其制品的强度和弹性模量，能够在线对木材及其制品的应力进行分析。对木材的分等实现产业化。
[1]ROSS R J, PELLERIN R F. NDE of wood-based composites with longitudinal stress wave 1988, 38（5）:39-45.
[2]ROSS R J,JAM ES C,WARD A T. Identifying bacterially in-fected oak by stress wave nondestructive evaluation [J].Re-search Paper of Forest Products Laboratory, 1994（512）:1-6. [3]ROSS R J,WARD J C, TENWOLDE A. Stress wave nonde-structive evaluation of wetwood [J]. Forest Products Journal, 1994,44（8）:79-83.
[4]WAGNER F G,GORM AN T M ,WU S Y.Assessment of inten-sive stress-wave scanning of Douglas-fir trees for predicting lumber M OE[J].Forest Products Journal,2003,53（3）:36-39. [5]林文树, 杨慧敏, 王立海. 超声波与应力波在木材内部缺陷检测中的对比研究[J].林业科技,2005（2）.
[6]Olivito R S.U.trasonic measurements in wood [J].M aterials E-valuation, 1996（54）:514-517.
[7]Wang J, Biernacke J W, Lam F. Nondest ructive evaluation of veneer quality using acoustic wave measurement [J].Wood Science and Technology, 2001（34）:505-516.
[8]Tiitta M E, Beall F C, Biernacki J M 1Classification study for using acousticult rasonics to detect inernal decay in glulam beams [J].Wood Science and Technology, 2001（35）:85-96. [9]李华, 刘秀英. 大钟寺博物馆钟架的超声波无损检测[J].木材工业,2003,17（2）:33-36.
[10]OJA J,GRUNDBERG S, GRONLUND A. Predicting the
strength of sawn products by X2ray scanning of logs:Apre-）:liminary study [J].Woodand Fiber Science,2000,32（2203-208.
[11]Kelley S. S.,Rials Timothy,Snell Rebecca,etc.Use of near in-frared spectroscopy to measure the chemical and mechanical properties of solid wood ［J ］.Wood Science and Technology, 2003，23（17）:62-65．
[12]冯星球, 陈焕娣, 张立芳. 用X 射线研究人造板材的密度梯
（4）:62-66. 度[J].南京林业大学学报, 1995,19
[13]孙丽萍, 张汝南, 秦怀光.X 射线在原木无损检测中的应用
[J].林业机械与木工设备,2007,35（10）:54-55.
[14]任海青, 郭伟, 殷亚方. 北美规格材机械分等综述[J].世界林
（3）：66-70. 业研究,2006,19
[15]Ishidoh M . Ishiguri F. Iizuka K. The evaluation of modulus of
elasticityat an early stage of growth in Sugi （Cryptomeria japonica ）wood using S2microfibril angle of latewood trachei-ds as a wood quality indicator [J].Journalof the Japan Wood Research Society,2009,55（1）:10-17.
[J].Forest Products Journal,
参考文献
3木材无损检测的发展趋势
根据2009年的研究成果，日本学者[15]就无损检预测出测技术对日本柳杉S 2层微纤丝角进行测量，日本柳杉的弹性模量，并实现了对日本柳杉的早期评价，为日本柳杉的生长提供预测，也为树木微观结构检测提供了参考依据。此前的研究多为宏观检测，未来的研究方向可以考虑从宏观检测和微观检测两方面相结合入手。利用先进的无损检测技术，测定木材的显微结构及结构变化用以预测木材物理力学性能将成为今后研究方向。
木材识别与鉴定一直以来是木材科学与专业的一个难题，目前多采用切片制样的传统方法进行近红外线光谱分识别，虽然目前有DNA 标记技术、析技术和稳定同位素分析技术等，但是依旧需要更多的先进技术植入此方向中。无损检测更多的被引用到木材识别与鉴定中也将会成为未来的发展方向之一。