木材應力波檢測精度的影響因素研究

張慧娟

(碌曲縣自然資源局，甘肅 碌曲 747200)

隨著全球氣候變暖，大氣污染的日益加劇，國家對林木資源的保護也越來越為重視[1]。針對活立木進行無損檢測的方法主要為應力波檢測，通過該項檢測方法，能夠更好的探測樹木的健康程度，及時采取行之有效的保護措施，為促進我國林業的發展打下堅實的基礎[2]。目前，木材應力波檢測主要是由木材無損檢測儀得到，國外在無損檢測方面的儀器較為多樣，如德國、加拿大、瑞典等，均由多路徑檢測能夠在立木的同一個截面，經測量獲得所需的結果，從而明確木材的內部缺陷[3]。然而，檢測成像之后，能否精確的判定所測結果，在國內仍然存在技術瓶頸，因此，國內方面仍然在不斷探索與經驗的總結，深入分析影響精度獲取的因素，并找出一定的規律，才能夠更加精準的獲得木材缺陷的形狀，以及傳感器分布位置和數量，更好的為木材無損檢測精度的精準性獲得，提供有參考價值的資料。

1 無損檢測的原理

無損檢測主要是應用動力學和運動學特征通過應力波斷層成像的方法，這種檢測方法，對于被檢測對象而言，不會損害或影響檢測對象，通過無損檢測成像幫助檢測者了解木材內部組織結構，形態性質以及缺陷等[4]。通過儀器的全方位內部檢測，進一步了解木材物理性質、內部缺陷，結構強度等質量情況，從為對活立木的健康程度給出準確的判定，從而更好的保護中國的林木資源[5]。

2 原木實驗方法

2.1 檢測對象

鄭澤宇等[6]提出，木材檢測的應力波成像中，缺陷形狀的形態不同，對于檢測結果的精度具有一定的影響。因此，本次研究將通過實驗進一步驗證這一說法。本研究采用的是美國全自動應變儀LSM-9000LE，該設備是一款用于定量測量透明體內延遲量的應變和雙折射以及慢軸的方向的二維裝置。

選取香樟作為樣本，將本木平均截成4段，平均高為(12.41±0.32)cm。用人工將原木的幾何中心位置開鑿，從而出現不同形狀的缺陷，共計為種缺陷形狀，主要包括圓形、正方形、扇形、三角形，4種缺陷形狀下的缺陷深度平均為(3.98±0.19)cm，保證缺陷深度基本一致。利用同一人進行缺陷的面積的測量，另一個人符合一遍測量，保證所測面積的真實性，圓形、正方形、扇形、三角形4種缺陷面積分別為51.34 cm2、35.98 cm2、49.13 cm2、25.97 cm2。

傳感器的影響情況檢測方法，是均勻分布傳感器數量，缺陷深度平均為(2.12±0.58)cm，保證缺陷深度基本一致，選取一個樣本，樣本原木靠近左側有一處缺陷，分別按照不同傳感器數量放置，5個、7個、9個、12個，將4個不同數量的傳感器均勻分布于相同的截面，用上述同樣的設備與方法進行檢測。

傳感器分布影響的檢測實驗，將12個傳感器分布在同一樣本原木的截面上，并進行敲擊。樣本原木靠近左側有一處缺陷，對相同樣本相同截面，采取不同分布進行檢測。主要包括集中分布在完好方向、均勻分布、集中分布在缺陷方向。

2.2 實驗操作

原木的一個截面上將12個傳感器均勻放置好，傳感器的所在高度與木材的缺陷部位正好相通。連接LSM-9000LE檢測儀，并對每個傳感器進行敲擊，敲擊次數為3次，對每一組的缺陷形狀均進行一次相同的實驗，從而進一步生成木材的二維內部缺陷圖像(可見圖1、圖2、圖3、圖4所示)。精度的判定則采用MATLAB軟件，得到成像的精神判定。對每一個缺陷與人工缺陷的相似度值，進行差異對比。

2.3 觀察與評價標準

本次研究主要計算缺陷面積的重復率、非重復率、相似度，其中①重復率=重復面積/缺陷真實面積；②非重復率=非重復面積/缺陷真實面積；③相似度=重復率-非重復率。所得數值中重復率越高，則表明缺陷形狀檢測數值的準確性越高，非重復率數值越高，則表明檢測準確性越低。因此，相似度取兩者之間的差值，精確度則由相似度表示，相似度越低則表明本次研究的精確度越低，反之則越高[7]。本次研究通過4種形狀(圓形、正方形、扇形、三角形)的真實缺陷與檢測缺陷比較，確定傳感器數量及分布、空洞缺陷對應力波成像檢測技術的影響，以及影響因素與實際缺陷的關系。

3 結果

3.1 圓形人工所測缺陷面積與檢測缺陷面積對比

依據成像精神度的判定方法，對圓形缺陷下的面積測量結果進行計算，相似值的計算則通過利用重復率與非重復率計算得到。以圓形缺陷為例，采用圓形面積計算公式得到a=51.34 cm2，再經灰度處理后，計取缺陷標準Y值小于150，求得測量面積b=61.24 cm2，重復面積c=50.09 cm2，進一步得到非重復面積d=a+b-2c=12.40，得到重復率為97.57%，非重復率24.63%，由此得到相似度值為72.94%。具體見圖1所示。

圖1 圓形人工所測面積與檢測結果對比

3.2 正方形人工所測缺陷面積與檢測缺陷面積對比

依據成像精神度的判定方法，對圓形缺陷下的面積測量結果進行計算，相似值的計算則通過利用重復率與非重復率計算得到。以圓形缺陷為例，采用正方形面積計算公式得到a=35.91 cm2，再經灰度處理后，計取缺陷標準Y值小于150，求得測量面積b=43.81 cm2，重復面積c=34.11 cm2，進一步得到非重復面積d=a+b-2c=11.50，得到重復率為94.99%，非重復率32.02%，由此得到相似度值為62.97%。具體見圖2所示。

圖2 正方形人工所測缺陷面積與檢測缺陷面積對比

3.3 扇形人工所測缺陷面積與檢測缺陷面積對比

依據成像精神度的判定方法，對圓形缺陷下的面積測量結果進行計算，相似值的計算則通過利用重復率與非重復率計算得到。以圓形缺陷為例，采用扇形面積計算公式得到a=47.94 cm2，再經灰度處理后，計取缺陷標準Y值小于150，求得測量面積b=82.39 cm2，重復面積c=47.94 cm2，進一步得到非重復面積d=a+b-2c=34.35，得到重復率為100.00%，非重復率78.16%，由此得到相似度值為28.14%。具體見圖2所示。

圖3 扇形人工所測缺陷面積與檢測缺陷面積對比

3.4 三角形人工所測缺陷面積與檢測缺陷面積對比

依據成像精神度的判定方法，對圓形缺陷下的面積測量結果進行計算，相似值的計算則通過利用重復率與非重復率計算得到。以圓形缺陷為例，采用三角形面積計算公式得到a=25.98 cm2，再經灰度處理后，計取缺陷標準Y值小于150，求得測量面積b=34.12 cm2，重復面積c=8.14 cm2，進一步得到非重復面積d=a+b-2c=12.40，得到重復率為100.00%，非重復率31.33%，由此得到相似度值為72.9468.17%。具體見圖4所示。

圖4 三角形人工所測缺陷面積與檢測缺陷面積對比

3.5 4種形狀缺陷情況統計結果分析

根據上述實驗后，得到如表1統計結果。

表1 4種形狀缺陷情況統計結果

圖5 4種形狀缺陷情況統計趨勢圖

由圖5可見，4種形狀由同一種儀器進行內部缺陷的檢測，而檢測出來的結果精度卻完全不同，其中圓形的檢測結果中，能夠看到精度較高，而扇形的檢測結果中，能夠看到精確度值最低，由此，可以確定形狀的不同，對于檢測的精確度有著一定的影響。

3.6 傳感器的數量影響情況分析

根據上述實驗后，得到如表2統計結果。

表2 傳感器的數量影響情況的統計結果

圖6 傳感器的數量影響情況的統計結果分布

由圖6可，相似度呈現階梯走向，不同傳感器的數量與缺陷面積的檢測精確度存在密切相關性，隨著傳感器數量的增加，缺陷面積的相似度也在增加，表明傳感器數量越多，精確度越高。

3.7 傳感器的分布對精確度的影響情況分析

根據上述實驗后，得到如表3統計結果。

表3 傳感器的分布影響情況的統計結果

圖7 傳感器的分布對精確度的影響情況分布

由圖7可見，相似度呈現階梯走向，不同傳感器的分布與缺陷面積的檢測精確度存在密切相關性，隨著傳感器分布的增加，缺陷面積的相似度也在增加，表明傳感器分布不同，對精確度具有顯著影響。

3.8 相關性分析

本次研究為了進一步確定重復率、非重復率、相似度與檢測缺陷面積的精確度進行了相關性檢驗。重復率、相似度與檢測缺陷面積的精確度存在顯著相關性，其中r值結果顯示(r=0.987、r=0.945)，P<0.01，統計學有意義。非重復率與檢測缺陷面積的精確度存在負相關(r=0.592)，P>0.05，統計學有意義。傳感器數量、傳感器分布與檢測缺陷面積的精確度存在正相關P<0.01，統計學有意義。具體結果見表4所示。

表4 Pearson相關性分析

4 結論

通過本次實驗結果來看，4種形狀的精確度變化波動較大，研究數據表明應力波成像受缺陷形狀影響較大，二者之間存在一定的相關性。另外，研究發現越是三角形、正方形這種菱角分明的形狀，越容易被檢出，但是這種檢測下的誤差較大，所檢測的實際缺陷面積均大于實際缺陷面積。而本次研究中的圓形或接近扇形的菱角不分明的形狀，應力波成像后的檢測誤差較低。

傳感器的數量與分布的位置對應力波成像有著顯著影響，傳感器數量多對于應力波成像越精確，而傳感器的分布位置應根據第一次檢測結果進行再次調整，從而使精確度提升。