采用X射線掃描法測量木材含水率的初步研究

余 樂 ，呂建雄 ，，2b，李賢軍 ，徐金梅 ，郝曉峰 ，蔣佳荔

采用X射線掃描法測量木材含水率的初步研究

余 樂1，呂建雄1，2a，2b，李賢軍1，徐金梅2a，郝曉峰2a，蔣佳荔2a

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 a.木材工業(yè)研究所；b. 國家林業(yè)局木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091)

以杉木Cunninghamia lanceolata為研究對象，采用X射線掃描和稱重法測量了恒溫恒濕干燥過程中杉木平均含水率的變化規(guī)律，探討了采用X射線法動態(tài)檢測干燥過程中木材平均含水率的可行性，并進(jìn)一步研究了紋理方向?qū)射線掃描法測量木材含水率精度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：采用X射線掃描法測量干燥過程中木材平均含水率是切實(shí)可行的，其測量值與用稱重法得到的含水率測量值十分接近，兩者之間相關(guān)的決定系數(shù)在0.99以上，絕對偏差在2%以內(nèi)；沿著木材徑向和縱向掃描時(shí)，平均含水率的測量精度略高于沿著弦向掃描時(shí)的含水率測量精度，但其偏差不大，在實(shí)際測量中可以忽略不計(jì)；在實(shí)際生產(chǎn)中，采用X射線掃描法測量木材內(nèi)的含水率分布時(shí)，可以不考慮紋理方向?qū)y量精度的影響。

X射線掃描; 含水率; 木材; 紋理方向

含水率作為木材重要的物理參數(shù)之一，在干燥工藝實(shí)施過程中具有舉足輕重的作用，含水率干燥基準(zhǔn)以其安全性和靈活性的優(yōu)點(diǎn)廣泛運(yùn)用于木材干燥工業(yè)中。目前，最常用的含水率測量方法有稱重法和電阻法。其中稱重法被認(rèn)為是最準(zhǔn)確的檢測方法，但持續(xù)時(shí)間較長。電阻法以其易用性而廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，但電阻法測量含水率的范圍一般在6%～30%之間。因此，采用合適的方法，實(shí)現(xiàn)快速、測量范圍廣的含水率檢測方法具有重要意義。但是干燥過程中測量木材厚度方向的含水率分布時(shí)，常用的方法是分層切片法[1-2]，但這種測量方法不僅測量誤差大，且無法實(shí)現(xiàn)含水率分布的連續(xù)測量。近年來，國外學(xué)者[3-6]采用CT掃描法來測量木材內(nèi)的含水率分布，但CT掃描速度慢，設(shè)備昂貴，在實(shí)際生產(chǎn)中缺乏應(yīng)用價(jià)值。X射線掃描檢測方法的出現(xiàn)，為木材平均含水率及其分布的快速、測量范圍廣、動態(tài)檢測提供了一種有效的方法。

Tanaka等[7]采用軟X射線成像的方法測量木材含水率并與稱重法含水率測量值進(jìn)行比較，結(jié)果表明，采用X射線成像法測量木材含水率時(shí)具有較高的測量精度，其測量值與稱重法測定值之間的相關(guān)系數(shù)在0.93以上。Watanabe[8]利用X射線顯微鏡在線無損檢測木材干燥過程中含水率分布，結(jié)果表明，該方法含水率測定值與稱重法含水率測定值之間的決定系數(shù)達(dá)到0.99，標(biāo)準(zhǔn)差為1.17%。李賢軍等[9-10]用X射線掃描方法測量紅橡Quercus rubra和黑胡桃Juglans nigra含水率和含水率分布，并與稱重法含水率測量值進(jìn)行比較，結(jié)果表明，采用X射線掃描法測量木材含水率時(shí)具有較高的測量精度，X射線掃描法測定值與稱重法測定值的相關(guān)系數(shù)平方也在0.97以上。但是，木材是典型的各向異性生物體材料，不同紋理方向具有不同的物理性質(zhì)，當(dāng)利用X射線掃描方法來動態(tài)檢測木材含水率時(shí)，沿著不同紋理方向進(jìn)行掃描時(shí)，其測量值是否會發(fā)生顯著改變？目前，國內(nèi)外還未見任何相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。筆者以杉木為研究對象，采用X射線掃描和稱重法測量了恒溫恒濕干燥過程中木材平均含水率的變化規(guī)律，探討了采用X射線法動態(tài)檢測干燥過程中木材平均含水率的可行性，并進(jìn)一步研究了紋理方向?qū)射線掃描法測量木材含水率精度的影響規(guī)律，以期為干燥過程中木材含水率的準(zhǔn)確測量提供一種現(xiàn)實(shí)可行的快速測量方法，也可以為相關(guān)木材含水率設(shè)備的開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

當(dāng)用X射線輻射木材時(shí)，根據(jù)X射線束穿過木材試件后和前的強(qiáng)度I和I0可知：

從而得到X射線束輻射區(qū)域木材平均密度的表達(dá)式：

式(1)～(2)中：e為自然對數(shù)底；u為質(zhì)量衰減系數(shù)，cm2·g-1；ρ為X射線束輻射區(qū)域木材的平均密度，g·cm-3；t為木材在X射線束穿透方向上的厚度尺寸，cm。

因此，只要已知X射線束入射強(qiáng)度與透射強(qiáng)度的比值、質(zhì)量衰減系數(shù)和X射線束穿透木材的厚度就可以根據(jù)公式(2)求出木材密度。在本文中，為研究紋理方向?qū)射線掃描法含水率測量精度的影響，分別對試樣沿徑、弦、縱向進(jìn)行掃描(見圖1和圖2)。

圖1 徑向與縱向X射線掃描Fig. 1 X-ray scanning along radial and longitudinal direction

圖2 弦向與縱向X射線掃描Fig. 2 X-ray scanning along tangential and longitudinal direction

在每個(gè)干燥階段，通過上述掃描方法可以得到厚度方向的密度分布數(shù)據(jù)，再根據(jù)對應(yīng)絕干狀態(tài)下的密度和尺寸，采用下面公式就可以計(jì)算每個(gè)干燥階段木材的含水率。

式 (3)中：M、G、ρ、L、T、h分 別 表 示 含 水率 (%)、 質(zhì) 量 (g)、 密 度 (g·cm-3)、 縱 向 尺 寸(mm)、弦向尺寸(mm)、縱向尺寸(mm)；下標(biāo)i，0分別表示某測量時(shí)刻和絕干狀態(tài)下。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為杉木Cunninghamia lanceolata木材，采自湖南省常德市花巖溪林場，從同一原木段上截取尺寸為1 000 mm(長)×45 mm(厚)×180 mm(寬)的徑切板(A)和弦切板(B)鋸材各一塊，然后分別將徑切板和弦切板鋸材自中心鋸成規(guī)格為1 000 mm(長)×45 mm (厚)×90 mm (寬)的干燥板材各2塊，依次編號為A1、A2、B1、B2，在每個(gè)干燥階段分別從A1和B1或A2和B2上依次截取長度、寬度、厚度均為45 mm的3個(gè)重復(fù)掃描試樣，10個(gè)干燥階段共截取30個(gè)掃描試樣。杉木干燥板材初含水率約為50%。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

本試驗(yàn)所使用的X射線掃描設(shè)備(DENSELAB X)由X射線發(fā)射與接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機(jī)械步進(jìn)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4個(gè)部分構(gòu)成。木材干燥在恒溫恒濕箱(MIURA)中進(jìn)行。

2.3 試驗(yàn)方法與步驟

試驗(yàn)前先用耐高溫防水環(huán)氧樹脂(最高使用環(huán)境溫度250 ℃)和鋁箔封閉干燥板材端面和側(cè)面。試驗(yàn)時(shí)，分別從徑切板和弦切板干燥板材上依次截取3個(gè)重復(fù)掃描試樣，然后測量掃描試樣的初始尺寸和質(zhì)量，再將掃描試樣安裝在樣品臺上，開啟X射線密度掃描儀，沿著掃描試樣厚度方向掃描(步長為0.02 mm)，測量木材厚度方向的密度分布。然后將剩下的干燥板材放置在恒溫恒濕干燥箱中繼續(xù)干燥，干燥過程中干燥介質(zhì)參數(shù)(溫度、濕度)的控制按表1進(jìn)行。

干燥到設(shè)定時(shí)間時(shí)，從干燥箱中取出干燥板材，分別從徑切板和弦切板干燥板材上依次截取3個(gè)重復(fù)掃描試樣，然后測量掃描試樣的尺寸和質(zhì)量，并進(jìn)行掃描，如此反復(fù)，直到木材含水率降低至10%左右為止。最后，將所有掃描試樣置于溫度為(103±2) ℃的恒溫干燥箱中絕干處理，再測量絕干掃描試樣的尺寸和質(zhì)量，并掃描其厚度方向的絕干密度分布。取每組試驗(yàn)中初始狀態(tài)基本一致、干燥條件相同的3個(gè)重復(fù)掃描試樣平均測量值作為試驗(yàn)結(jié)果，并將各個(gè)階段用X射線掃描法和稱重法測得的木材平均含水率進(jìn)行對比，分析X射線掃描法的測量精度及紋理方向?qū)y量精度的影響規(guī)律。

表1 杉木干燥過程中的干燥介質(zhì)參數(shù)Table 1 Drying conditions for Cunninghamia lanceolata

3 結(jié)果與討論

由于掃描試樣界面測量數(shù)據(jù)容易失真對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，在計(jì)算試件的平均密度時(shí)，剔除最表層10個(gè)掃描步長的密度數(shù)據(jù)(厚度約為0.2 mm)，然后結(jié)合絕干狀態(tài)下對應(yīng)試件的密度和尺寸，根據(jù)公式(3)就可以計(jì)算出木材在各個(gè)干燥階段的平均含水率。

3.1 徑向掃描與縱向掃描精度比較

圖3和圖4分別表示了常規(guī)干燥過程中，沿著徑切板干燥板材的徑向和縱向掃描時(shí)，用X掃描方法測量的含水率與用稱重法得到的含水率值隨干燥時(shí)間的變化規(guī)律。從圖中可以明顯看出：無論是掃描徑向還是縱向，在干燥過程的各個(gè)階段，用X射線掃描和稱重法測量得到的含水率值都十分接近，表2分別表示了徑切板干燥板材在干燥過程中不同階段徑向掃描和縱向掃描與稱重法得到的木材含水率，以及兩種掃描方法所得到的含水率與稱重法得到的含水率之間的偏差和相關(guān)系數(shù)。從表2中同樣也可以清晰的看出，徑向掃描和縱向掃描在整個(gè)干燥階段都具有非常高的精度，絕對偏差在2%以內(nèi)，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99。這說明：在杉木常規(guī)干燥過程中，采用X射線掃描方法測量寬范圍內(nèi)(從50%到10%左右)木材的平均含水率是切實(shí)可行的；采用掃描法測量木材含水率時(shí)，不論是徑向掃描還是縱向掃描，都可以達(dá)到滿意的測量精度。

圖3 徑向掃描和稱重法含水率測定值比較(徑切板)Fig. 3 Comparison of measured MC by radial X-ray scanning and weighting for quarter-sawn lumber

圖4 縱向掃描和稱重法含水率測定值比較(徑切板)Fig. 4 Comparison of measured MC by longitudinal X-ray scanning and weighting for quarter-sawn lumber

表2 兩種不同方法含水率測量值比較及其相關(guān)系數(shù)(徑切板)Table 2 Comparison of MC measured with two methods and their relevant coefficients for quarter-sawn lumber

3.2 弦向掃描與縱向掃描精度比較

圖5和圖6分別表示了常規(guī)干燥過程中，沿著弦切板干燥板材的弦向和縱向掃描時(shí)，用X掃描方法測量的含水率與用稱重法得到的含水率值隨干燥時(shí)間的變化規(guī)律。從圖中可以明顯的看出，弦向掃描所得到的含水率值與用稱重法得到的含水率值十分接近，從表3可以看出兩者的決定系數(shù)達(dá)0.99，絕對偏差在2%以內(nèi)。同樣，縱向掃描所得到的含水率值與稱重法得到的含水率值也十分接近，從表3中可以看到兩者的相關(guān)系數(shù)為0.99。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，對于杉木弦切板，當(dāng)采用X射線掃描法測量木材含水率時(shí)，不論是弦向掃描還是縱向掃描，其測量數(shù)據(jù)都可以達(dá)到滿意的測量精度。

圖5 弦向掃描和稱重法含水率測定值比較(弦切板)Fig. 5 Comparison of measured MC by tangential X-ray scanning and weighting for flat-sawn lumber

圖6 縱向掃描和稱重法含水率測定值比較(弦切板)Fig. 6 Comparison of measured MC by longitudinal X-ray scanning and weighting for flat-sawn lumber

表3 兩種不同方法含水率測量值比較及其相關(guān)系數(shù)(弦切板)Table 3 Comparison of MC measured with two methods and their relevant coefficient for flat-sawn lumber

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，采用X射線掃描方法在線檢測木材的平均含水率是切實(shí)可行的，其測量值與用稱重法得到的含水率值非常接近，兩者之間的絕對偏差在2%以內(nèi)，在這一結(jié)果與Cai[11]用X射線掃描法測量橡木含水率與稱重法含水率值之間的相關(guān)系數(shù)為0.989 8的結(jié)論基本一致。在本研究中，沿著木材徑向和縱向掃描時(shí)，平均含水率的測量精度略高于沿著弦向掃描時(shí)的含水率測量精度，但其偏差不大，在實(shí)際測量中可以忽略不計(jì)。從實(shí)際操作的可行性來看，在實(shí)際生產(chǎn)中，木材的縱向尺寸一般都比較大(至少在1 m以上)，由于受到X射線穿透能力的限制，無法進(jìn)行實(shí)際的掃描和測量。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，不論是沿著木材弦向、還是徑向掃描，都可以滿足對含水率測量精度的要求。若木材材質(zhì)均勻性較差，如早晚材屬于急變材，則可優(yōu)先考慮沿著木材徑向掃描，以避免早晚材急變可能對測量精度帶來的負(fù)面影響。

4 結(jié) 論

本文以杉木為研究對象，采用X射線掃描和稱重法測量了恒溫恒濕干燥過程中杉木平均含水率的變化規(guī)律，探討了采用X射線法動態(tài)檢測干燥過程中木材平均含水率的可行性，并進(jìn)一步研究了紋理方向?qū)射線掃描法測量木材含水率精度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：采用X射線掃描法測量干燥過程中木材平均含水率是切實(shí)可行的，其測量值與用稱重法得到的含水率測量值十分接近，兩者之間的相關(guān)系數(shù)在0.99以上，絕對偏差在2%以內(nèi)；沿著木材徑向和縱向掃描時(shí)，平均含水率的測量精度略高于沿著弦向掃描時(shí)的含水率測量精度，但其偏差不大，在實(shí)際測量中可以忽略不計(jì)；在實(shí)際生產(chǎn)中，采用X射線掃描法測量木材內(nèi)的含水率分布時(shí)，可以不考慮紋理方向?qū)y量精度的影響；若木材材質(zhì)均勻性較差，如早晚材屬于急變材，則可優(yōu)先考慮沿著木材徑向掃描，以避免早晚材急變可能對測量精度帶來的負(fù)面影響。

[1] Jia D, M. Afrzal. Modeling of moisture diffusion in microwave drying of hardwood[J]. Drying technology, 2007, 25:449-454.

[2] 李賢軍, 吳慶利. 微波真空干燥過程中木材內(nèi)的水分遷移機(jī)理[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 28(3): 150-153.

[3] Antti A. Microwave drying of pine and spruce[J]. Holz Roh-und Werkstoff, 1995, 53: 333-338.

[4] Antti A, Perre P. A Microwave application for on line wood drying: temperature and moisture distribution in wood[J]. Wood science and technology,1999, 33: 123-138.

[5] Lars H, Antti L. Modeling microwave heating and moisture redistribution in wood[J]. Drying technology, 2008, 26: 552-559.

[6] Johansson J, Hagman O, Fjellner BA. Predicting moisture content and density distribution of Scots pine by microwave scanning of sawn timber[J]. J Wood Sci., 2003, 49: 312-316.

[7] Takashi Tanaka, Stavros Avramidis, Satoshi Shida. Evalution of moisture content distribution in wood by soft X-ray imaging[J]. J.Wood Sci., 2009, 55: 69-73.

[8] Ken Watanabe, Yukie,Saito, Stavros,Avramidis, et al. Nondestructive measurement of moisture distribution in wood during drying using digital x-ray microscopy[J]. Drying technology,2008, 26: 590-595.

[9] 李賢軍,蔡智勇.微波干燥與常規(guī)干燥中木材內(nèi)含水率動態(tài)分布[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 29(6): 99-103.

[10] 李賢軍,蔡智勇.干燥過程中木材內(nèi)部含水率檢測的X射線掃描方法[J].林業(yè)科學(xué), 2010, 46(2): 122-127.

[11] Cai Zhiyong. Determining the moisture gradient profile of wood using the X-ray technique[M]. USA: Duluth, Minnesota, 2007.

Studies on measurement of moisture content by X-ray scanning method

YU Le1, LU Jian-xiong1,2a,2b, LI Xian-jun1, XU Jin-mei2a, HAO Xiao-feng2a, JIANG Jia-li2a
(1. School of Material Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2a. Research Institute of Wood Industry; 2b. Key Laboratory of Wood Science and Technology of State Forestry Administration, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China)

In order to explore the feasibility of using X-ray to measure moisture content in the drying process and have a further study on the effect of precision of moisture content when scanning through different grain directions, X-ray scanning method and weighting method were used to measure average moisture content of Cunninghamia lanceolata during hot air drying. The results show that the moisture content values of two methods were very close to one another,the determination coefficients of both were highly correlated with a value over 0.99, and the absolute deviation was below 2%; when scanning along radial direction and longitudinal direction, the precisions of average moisture content were higher than that of the tangential direction, but the deviation can be negligible in the actual measurement; in the practical application, the effect of grain direction on precision of moisture content measurement could not be taken into account when using X-ray to measure the moisture distribution of wood.

X-ray scanning; moisture content; wood drying; grain direction

S781.3

A

1673-923X(2012)01-0043-05

2011-11-20

國家杰出青年科學(xué)基金(30825034)；中南林業(yè)科技大學(xué)木材科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目

余 樂(1988—)，男，湖北荊州人，碩士研究生，主要研究方向：木材干燥；E-mail: yule731226@126.com

呂建雄(1963—)，男，湖南邵陽人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事木材物理的研究；E-mail: jianxiong@caf.ac.cn

[本文編校：歐陽欽]