孫燕良，張厚江，朱 磊，閆海成

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083 ）

木材密度是木材物理力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，不僅可以用來評估木材的質(zhì)量，而且常被用來作為木材材性利用以及木材培育相關(guān)性的判定指標(biāo)。隨著我國生活水平的提高，木質(zhì)產(chǎn)品需求量不斷增加，而我國森林資源匱乏，木材利用率相對較低，通過木材密度能夠?yàn)槟静男阅艿目焖僭u估提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)木材的分類高效利用。同時(shí)，木材密度的測定，對于了解木材材質(zhì)的變異是一種積極而有效的途徑，能夠?yàn)槿斯ち值呐嘤峁┮罁?jù)，解決我國人均木材占有率低的問題。木材無損檢測是一種綜合性的木材非破壞性檢測技術(shù)，可在盡量保持木材原狀及最終用途的前提下，實(shí)現(xiàn)木材缺陷、腐朽情況以及基本物理力學(xué)性質(zhì)的測定。利用微鉆阻力儀能夠?qū)崿F(xiàn)對木材密度的快速無損檢測，克服傳統(tǒng)木材密度測量方法過程繁瑣、破壞原木等缺點(diǎn)。筆者利用微鉆阻力儀對紅松的密度進(jìn)行了檢測，探索了利用微鉆力快速評估木材密度的具體實(shí)現(xiàn)過程。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)静模杭t松。試驗(yàn)儀器：主要有微鉆阻力儀、游標(biāo)卡尺、電子秤，微機(jī)等。

1.2 試驗(yàn)方法

微鉆力阻力儀是一種新型的快速檢測木材及木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)的儀器，廣泛應(yīng)用于木材密度的檢測，工作原理是通過電機(jī)驅(qū)動將鉆針以恒定速率鉆入木材內(nèi)部，在鉆入過程中會產(chǎn)生相應(yīng)的阻力，即微鉆力，微鉆力的大小反映密度的變化情況。利用計(jì)算機(jī)采集鉆入過程中的阻力參數(shù)，阻力值在微鉆阻力儀自帶軟件DECOM中顯示為一條曲線，即阻力曲線圖，見圖1。根據(jù)顯示的阻力曲線，結(jié)合有關(guān)木材方面的知識可判斷出早晚材密度、年輪數(shù),以及木材內(nèi)部的腐朽、蟲蛀、缺陷等具體狀況。

圖1 阻力曲線圖

圖1中橫坐標(biāo)為鉆入木材的深度，縱坐標(biāo)為鉆入過程中的阻力值大小。微鉆阻力儀由于其操作簡單、攜帶方便、精度高等特點(diǎn)常用于木材結(jié)構(gòu)腐朽以及木材質(zhì)量等的評估，尤其在古建筑木構(gòu)件勘查中最為有效。在使用過程中要經(jīng)常清理鉆頭部分的木屑，確保操作過程中電壓在24.5 V以上，避免因操作不當(dāng)而使儀器損壞或產(chǎn)生測量誤差。

試驗(yàn)主要分為測試階段和數(shù)據(jù)處理階段。測試階段主要分為微鉆試驗(yàn)部分和物理密度測定兩部分。微鉆試驗(yàn)部分，得出木材內(nèi)部阻力曲線圖，并導(dǎo)入到Excel中統(tǒng)計(jì)阻力值。再將阻力值輸入到Matlab中，重新繪制阻力曲線圖，利用該軟件相關(guān)功能計(jì)算出阻力曲線與橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)所圍成的面積。物理密度測定部分，按照國家標(biāo)準(zhǔn)測出各個(gè)對應(yīng)試件的物理密度，通過數(shù)據(jù)處理后，建立阻力曲線與橫、縱坐標(biāo)軸所圍成的面積值與木材物理密度的線性關(guān)系，得出以面積值和木材密度為變量建立的回歸方程式，最終計(jì)算出木材內(nèi)部阻力曲線所圍面積，從而預(yù)測木材密度。

1.3 試驗(yàn)處理

在試驗(yàn)之前需將材料（紅松）加工成標(biāo)準(zhǔn)測試試件，然后再進(jìn)行一系列試驗(yàn)操作。為了提高精度，在試驗(yàn)過程中，對同一個(gè)試件分別進(jìn)行2次微鉆試驗(yàn)和密度測量，求得2次的平均值作為最終擬合參數(shù)。

1.3.1 加工試件 將木材加工成20mm×20mm×300mm試件，并在試件兩端進(jìn)行標(biāo)記，如1A1、2A1。

1.3.2 微鉆試驗(yàn) 標(biāo)記完成后，在試件兩端進(jìn)行微鉆試驗(yàn)，將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中，得到相應(yīng)的阻力值圖，并且以Excel形式導(dǎo)出。

1.3.3 求面積值 結(jié)合Matlab軟件，讀取Excel中存儲的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并繪制出阻力曲線圖，計(jì)算出各次微鉆試驗(yàn)對應(yīng)的阻力曲線與坐標(biāo)軸所圍面積。

1.3.4 求物理密度 將試件兩端標(biāo)記部分切下20mm×20mm×20mm的立方體，分別測量其質(zhì)量和體積，長、寬、高精確到0.01mm，分別得出其密度ρ1、ρ2。

1.3.5 建立回歸方程 分別對得到的s1和ρ1，s2和ρ2，s和ρ進(jìn)行線性回歸分析，并建立最終回歸方程。

圖2 在Matlab中顯示的阻力曲線圖

2 結(jié)果與分析

檢測紅松得出阻力曲線圖形，所求面積即為阻力曲線與坐標(biāo)軸圍成的閉合空間的面積。數(shù)據(jù)在導(dǎo)入過程中橫坐標(biāo)的數(shù)值擴(kuò)大10倍，如圖2，所求面積比實(shí)際面積也擴(kuò)大10倍，因此，會在下面的編程中還原數(shù)據(jù)。

通過Matlab編程，計(jì)算所求面積。將曲線上相鄰兩點(diǎn)的梯形面積累計(jì)相加即得到整個(gè)圖形的面積。以下是計(jì)算一個(gè)試件平均面積所編寫的程序。

該程序包含了阻力曲線的繪制以及面積的求值過程。其中s1和s2為同一個(gè)試件兩次微鉆所得的面積，s為整個(gè)試件的平均面積。求出所有試件的平均面積，再以所得面積和對應(yīng)的物理密度為參數(shù)，進(jìn)行線性擬合，求出以二者為變量的回歸經(jīng)驗(yàn)公式。所得面積與物理密度值的擬合圖如圖3所示。

圖3 阻力值形成的面積與密度的擬合圖

由圖可知，微鉆阻力儀所得面積值與密度之間有著明顯的線性關(guān)系，這與Fikret Isik等利用微鉆阻力儀檢測木材密度所得結(jié)果一致。以二者為變量建立回歸方程為：y=0.096X+316.8。經(jīng)方差檢驗(yàn)，F(xiàn)=78.4，P=0.000＜0.01，回歸方程有效。試驗(yàn)證明，利用微鉆阻力儀通過測定木材內(nèi)部微鉆力來評估木材密度的方法是可行的。由于微鉆阻力儀對不同樹種檢測的結(jié)果是有所不同的，因此，在檢測其他樹種之前，需重新建立阻力值形成的面積與密度的回歸方程，以便準(zhǔn)確測量被測木材密度。

3 結(jié) 語

基于微鉆力的木材密度檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)木材密度的快速無損檢測，為快速評估木材其他力學(xué)性能提供了依據(jù)，進(jìn)而提高木材的綜合利用率，緩解我國當(dāng)前森林資源嚴(yán)重匱乏的局面。同時(shí)，利用該方法快速檢測木材密度仍有很大的改進(jìn)潛力，在處理數(shù)據(jù)方面有很大的提升空間，為研究木材密度的快速檢測提供了新的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

[1] 易詠梅，姜高明. 柳杉木材密度測定研究[J]. 林業(yè)科技，2003，（3）：38-39.

[2] 尚大軍，段新芳，楊中平. 應(yīng)力波無損檢測技術(shù)及其在木結(jié)構(gòu)古建筑保護(hù)中的應(yīng)用[J]. 世界林業(yè)研究. 2008，（2）：44-48.

[3] 張曉芳，李 華，劉秀英，等. 木材阻力儀檢測技術(shù)的應(yīng)用[J]. 木材工業(yè)，2007，（2）：41-43.

[4] 張曉芳，李 華，劉秀英，等. 用阻力儀檢測木材阻力時(shí)的影響因子[J]. 木材加工機(jī)械，2007，（4）：29-31.

[5] Fikret I, Bailian L. Rapid assessment of wood density of live tree using the resistograph for selection in tree improvement programs[J]. Canadian Journal of Forest Research，2003，（12）：2426-2435.