CT技术在木材无损检测领域的应用研究

2022-11-18

1 引言

对木材进行木材检测的CT技术是在木材射线照相技术基础上逐步发展起来的。其主要将多种不一致的能量波视作辐射源, 但具体工作原理并不等同于射线。利用CT技术对木材进行木材检测, 有利于显著加快扫描原木木段横切面和成像速度, 并通过采集完整的扫描数据重新建立木材横截面的二维图像和三切面视图。相关研究结果表面, 通过CT技术扫描木材横截面所得二维图像可观察横切面年轮、裂纹和节子等信息;通过单层或多层螺旋扫描所得三视图和透视图可精确定位缺陷位置, 从而帮助木材使用者确定木材内部结构特征, 进而使木材分等具有可靠的依据支持。当前, 学术界已将多层螺旋视作新时期的检测技术主流。

2 CT计算机断层扫描技术

20世纪90年代, 计算机断层扫描X射线法 (CT) 凭借其强穿透能力、高分辨率和极快的检测速度等优势被正式应用于木材无损检测。CT是指以测定穿透射线在物体内的衰减系数为基础, 结合物理技术与数学方法对数据进行电子计算机处理, 再求解出衰减系数值, 构建某剖面上的二维分布矩阵, 同时利用内含电子技术把此二维分布矩阵转变为图像画面上的灰度分布, 最终建立断面二维与三维图像的一种现代化高清成像技术。其在木材检测中的应用, 能够深度探究木材密度, 并对木材结构内部缺陷轮廓信息进行提取。

3 CT技术在木材无损检测领域的应用

3.1 CT技术在木材宏观构造检测中的应用

现阶段, 利用CT技术对木材的宏观构造进行检测, 重点聚焦在三个层面, 一是髓心, 二是心边材, 三是生长轮。 (1) 髓心即木材中心, 其位置到年轮宽度的计算, 而年轮宽度又是探究木材基本性质, 如木材的密度、木材的力学强度的重要因子。根据髓心和原木几何中心位置的偏离情况, 还可判断木材的应力。目前, 用CT图像自动识别髓心时, 可进行如下操作:充分发挥Sobel边缘检测算子的作用形成木材图像, 然后将各个边缘点连接起来, 形成某个圆周, 再测试圆周半径, 找准中心。此时, 圆周经过边缘点时, 霍夫累加数组内的各项元素会减少;最后, 对数组进行累加, 获取最大值, 便可确定髓心位置。部分研究者认为, 在上述基础上继续实行霍夫变换 (HT) , 进一步加大插值, 则CT扫描可自行检测与扫描髓心位置, 进而建立以原木髓心为关键的三维图像。 (2) 用CT技术检测木材的心边材的目的在于对心边材进行区分和定位。其操作是对心边材CT图像进行通滤波处理后, 再继续对其阈值、梯度滤波进行处理, 再由原木髓心到心材边界沿半径方向隔1°检测画图, 从而对原木材的心边材进行自动识别。值得注意的是, 此算法并不适用于带有节子的原木研究。部分研究者在试图进行高斯平滑处理, 再沿着髓心进行360°光栅化阈值处理, 以便从纵向视角出发妥善处理具有带有节子的片层图像, 因后续又对四周进行了插补处理, 故心边材边界能够被自动检测出来。 (3) 年轮。目前, 检测木材的年轮主要应用两种方法, 一是有损测量法, 二是无损测量法, 前者是指测试时会在一定程度上损害树木, 后者则是不损害或者是损害很小。在CT技术出现以前, 人们多用生长锥法对木材的年轮进行检测, 但这种做法会严重破坏树木的生长。直至便携式CT出现, 无损测量才得以贯彻在木材检测中。懂行的人都知, CT值和木材密度间具有正向线性关系, 且早晚材密度差异大, 故必须利用CT扫描技术来明确树木是属于早材还是晚材, 以便在木材密度未超越既定要求的情况下测定其生长轮。

3.2 CT技术在木材缺陷检测中的应用

用CT技术检测木材缺陷离不开木材锯切优化软件的支持, 它能自动识别木材内部结构及其存在的缺陷。明确缺陷后, 再按照最优原则对原有木材进行割锯, 以便最大限度提高木材的利用率。与此同时, CT技术可充分发挥二维图像的作用, 向外界详细说明无节材、腐朽虫眼及节子的差异。部分研究者在分析CT技术时, 特地引用人工神经网BP算法、偏最小二乘法检测木材的节子, 以确定木材的缺陷情况。资料显示, 用CT技术划分节子类型, 准确率已高达97%。特别是CT图像能够清楚地识别节子的大小, 明确死节边界, 找出不良的树脂囊。但值得注意的是, 尽管CT无损测量技术能够检测出木材内的较大节子, 但小节子等其却无法准确探测。

3.3 CT技术在木材密度检测中的应用

对于木材而言, 密度是不可或缺的物理指标, 任何一种木材具有的力学性能都和木材密度紧密相关。就木材本身来看, 按照木材纹路形成的抗压、抗剪、抗弯、抗拉等强度、抗弯的弹性模量等都和木材密度形成了较紧密的线性关系。梳理CT成像的相关理论可知, 其是一种基于密度的成像方式, 即将多种密度相异的物质利用穿透射线衰减系统来进行换算, 得到一定的CT值, 而后再用图像展现出来, 故图像象素灰度值主要取决于扫描层内各单位元密度。因CT值和木材的密度具有较显著的线性关系, 所以木材水分对其影响力较小。而早材和晚材对应的CT值不同, 可就其与密度的关系探讨年轮特征等。

3.4 CT技术在木材断裂检测中的应用

树木成长过程中难免会出现的节、疤、开裂等问题, 进而致使应力出现明显的不连续问题, 故而加工木材时, 一旦外界应力环境发生变化, 木材内部便会出现裂缝, 导致木材使用容易遭遇安全隐患冲击。用CT技术检测木材, 能够在木材加工前找到裂纹, 从而优化木材的整体加工公益, 增强木材工艺品的安全性, 延长木材的使用寿命。与此同时, 要充分发挥CT设备在木材裂纹拓展中的作用, 运用三维微米立体成像X射线显微镜深度剖析木材断裂面的裂纹以及该裂纹不断拓展时的残留的痕迹, 进而有效识别木材裂纹的延伸路径。

摘要：伴随计算机技术蓬勃发展, 无损检测技术日益更新, 兼具智能化与自动化的木材无损检测技术, 特别是CT技术逐日在市场上脱颖而出。CT技术是一种有利于自动高效检测木材, 提高木材利用水平的计算机断层扫描技术。本篇文章重在详细阐释CT技术基本内涵的基础上探究CT技术在木材无算检测中的应用研究。期望能为相关研究提供可行性建议。

关键词：CT技术,木材,无损检测,应用