采用X 射线扫描法测量木材含水率的初步研究 Microsoft Word 文档.doc

采用X 射线扫描法测量木材含水率的初步研究含水率作为木材重要的物理参数之一，在干燥工艺实施过程中具有举足轻重的作用，含水率干燥基准以其安全性和灵活性的优点广泛运用于木材干燥工业中。目前，最常用的含水率测量方法有称重法和电阻法。其中称重法认为是最准确的检测方法，但持续时间较长。电阻法以其易用性而广泛应用于工业生产中，但电阻法测量含水率的范围一般在6% 30% 之间。因此，采用合适的方法，实现快速、测量范围广的含水率检测方法具有重要意义但是干燥过程中测量木材厚度方向的含水率分布时，常用的方法是分层切片法，但这种测量方法不仅测量误差大，且无法实现含水率分布的连续测量。近年来，国外学者采用CT 扫描法来测量木材内的含水率分布，但CT 扫描速度慢，设备昂贵，在实际生产中缺乏应用价值。X 射线扫描检测方法的出现，为木材平均含水率及其分布的快速、测量范围广、动态检测提供了一种有效的方法。Tanaka 等采用软X 射线成像的方法测量木材含水率并与称重法含水率测量值进行比较，结果表明，采用X 射线成像法测量木材含水率时具有较高的测量精度，其测量值与称重法测定值之间的相关系数在0.93 以上。Watanabe 利用X 射线显微镜在线无损检测木材干燥过程中含水率分布，结果表明，该方法含水率测定值与称重法含水率测定值之间的决定系数达到0.99，标准差1.17%。李贤军等 9-10 用X 射线扫描方法测量红橡Quercus rubra 和黑胡桃Juglans nigra 含水率和含水率分布，并与称重法含水率测量值进行比较，结果表明，采用X 射线扫描法测量木材含水率时具有较高的测量精度，X 射线扫描法测定值与称重法测定值的相关系数平方也在0.97 以上。但是，木材是典型的各向异性生物体材料，不同纹理方向具有不同的物理性质，当利用X 射线扫描方法来动态检测木材含水率时，沿着不同纹理方向进行扫描时，其测量值是否会发生显著改变？目前，国内外还未见任何相关文献报道。笔者以杉木为研究对象，采用X 射线扫描和称重法测量了恒温恒湿干燥过程中木材平均含水率的变化规律，探讨了采用X 射线法动态检测干燥过程中木材平均含水率的可行性，并进一步研究了纹理方向对X射线扫描法测量木材含水率精度的影响规律，以期为干燥过程中木材含水率的准确测量提供一种现实可行的快速测量方法，也可以为相关木材含水率设备的开发提供科学依据。1 理论基础 当用X 射线辐射木材时，根据X 射线束穿过木材试件后和前的强度I 和I0 可知：et II = 0 。 (1)从而得到X 射线束辐射区域木材平均密度的表达式：1 ln( 0 )IIt 。式(1) (2) 中：e 为自然对数底；u 为质量衰减系数，cm2g-1； 为X 射线束辐射区域木材的平均密度，gcm-3；t 为木材在X 射线束穿透方向上的厚度尺寸，cm。因此，只要已知X 射线束入射强度与透射强度的比值、质量衰减系数和X 射线束穿透木材的厚度就可以根据公式(2) 求出木材密度。在本文中，为研究纹理方向对X 射线扫描法含水率测量精度的影响，分别对试样沿径、弦、纵向进行扫描。 在每个干燥阶段，通过上述扫描方法可以得到厚度方向的密度分布数据，再根据对应绝干状态下的密度和尺寸，采用下面公式就可以计算每个干燥阶段木材的含水率。 式(3) 中：M、G、L、T、h 分别表示含水率(%)、质量(g)、密度(gcm-3)、纵向尺寸(mm)、弦向尺寸(mm)、纵向尺寸(mm)；下标i，0 分别表示某测量时刻和绝干状态下。 2 材料与方法2.1 试验材料 试验材料为杉木Cunninghamia lanceolata 木材，采自湖南省常德市花岩溪林场，从同一原木段上截取尺寸为1 000 mm( 长)45 mm( 厚)180 mm( 宽) 的径切板(A) 和弦切板(B) 锯材各一块，然后分别将径切板和弦切板锯材自中心锯成规格为1 000 mm( 长)45 mm ( 厚)90 mm ( 宽) 的干燥板材各2 块，依次编号为A1、A2、B1、B2，在每个干燥阶段分别从A1 和B1 或A2 和B2 上依次截取长度、宽度、厚度均为45 mm 的3 个重复扫描试样，10个干燥阶段共截取30 个扫描试样。杉木干燥板材初含水率约为50%。 2.2 实验仪器与设备 所使用的X 射线扫描设备(DENSELABX) 由X 射线发射与接收系统、数据采集系统、机械步进系统和计算机控制与数据处理系统4 个部分构成。木材干燥在恒温恒湿箱(MIURA) 中进行。 2.3 试验方法与步骤 试验前先用耐高温防水环氧树脂( 最高使用环境温度250 ) 和铝箔封闭干燥板材端面和侧面。试验时，分别从径切板和弦切板干燥板材上依次截取3 个重复扫描试样，然后测量扫描试样的初始尺寸和质量，再将扫描试样安装在样品台上，开启X 射线密度扫描仪，沿着扫描试样厚度方向扫描( 步长为0.02 mm)，测量木材厚度方向的密度分布。然后将剩下的干燥板材放置在恒温恒湿干燥箱中继续干燥，干燥过程中干燥介质参数( 温度、湿度) 的控制按表1 进行。 干燥到设定时间时，从干燥箱中取出干燥板材，分别从径切板和弦切板干燥板材上依次截取3个重复扫描试样，然后测量扫描试样的尺寸和质量，并进行扫描，如此反复，直到木材含水率降低至10% 左右为止。最后，将所有扫描试样置于温度为(1032) 的恒温干燥箱中绝干处理，再测量绝干扫描试样的尺寸和质量，并扫描其厚度方向的绝干密度分布。取每组试验中初始状态基本一致、干