CN101603819B - 一种木材形变微观结构特征实时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木材形变微观结构特征实时测量方法，包括如下步骤：1)对待检测木材进行加载；2)在加载过程中通过显微单元放大待测区域；3)通过图像采集单元采集图像信息后，通过图像处理单元计算出在每个图像采集时刻加载表面每个细胞的X轴长度X₀～X_n、Y轴长度Y₀～Y_n；4)根据每个细胞变形前的X轴长度X₀和Y轴长度Y₀、及细胞变形后的X轴长度X_n和Y轴长度Y_n计算单个细胞在X轴和Y轴的压或拉应变ε_xn和ε_yn，ε_xn＝(X_n-X₀)/X_n，ε_yn＝(Y_n-Y₀)/Y_n；5)将通过显微单元放大的待测区域内所有单个细胞在X轴和Y轴的压和拉应变ε_xn和ε_yn，取平均值得到表征木材整体在X轴和Y轴的压和拉应变ε_x和ε_y。本发明能够对微区组织和细胞应变进行测量，实现微区变形量化；能够对微区缺陷进行监控。

Description

一种木材形变微观结构特征实时测量方法

技术领域

本发明涉及一种木材及木质复合材料压缩或拉伸等力学强度性能与形变微观结构特征实时测量方法。 

背景技术

木材及木质复合材料在生产加工和使用过程中，不可避免的会遇到压缩或拉伸等力学行为，对于材料的力学性能检测是保证后续产品质量及其合理使用的关键，但该力学行为对材料或产品的性能及微观结构影响以及微观结构特征对材料整体性能的影响情况均尚不清晰。 

对于目前的检测手段，主要以单一的宏观力学性能检测为主。这种检测手段具有诸多缺陷和缺点： 

1、仅以宏观力学行为来判断木质材料的性能，是对材料本身性能掌握的不足； 

2、仅能了解材料力学行为的结果，而不知形成该力学行为的原因； 

3、检测过程不能将被测材料的温度、含水率等影响因素加以考虑； 

4、检测过程得到的应变是材料整体的平均应变，体现不出材料不同组织结构的应变情况；不能反应木材各部分结构与整体应力、应变之间的关系； 

5、对于木材这种具有各项异性的不均质材料，得到的应变结果单一，不能真实反映木材各组织结构的应力应变结果； 

6、检测结束后，不能及时得到被测材料的回弹情况，不能分析被测材料的残余应力。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种木材形变微观结构特征实时测量 方法，能够在线实时测量材料变形的微观结构特征和力学性能。 

为了解决上述问题，本发明提供了一种木材形变微观结构特征实时测量方法，包括如下步骤： 

1)对被测材料进行加载； 

2)在加载过程中通过显微单元放大待测区域； 

3)通过图像采集单元采集图像信息后，通过图像处理单元计算出在每个图像采集时刻加载表面每个细胞的X轴长度X₀～X_n、Y轴长度Y₀～Y_n，作为加载过程中被测材料的形变情况数据； 

4)根据每个细胞变形前的X轴长度X₀和Y轴长度Y₀、及细胞变形后的X轴长度X_n和Y轴长度Y_n计算单个细胞在X轴和Y轴的压或拉应变ε_xn和ε_yn，ε_xn＝(X_n-X₀)/X_n，ε_yn＝(Y_n-Y₀)/Y_n，(n＝1，2，3......N)； 

5)将通过显微单元放大的待测区域内所有单个细胞在X轴和Y轴的压或拉应变ε_xn和ε_yn，取平均值得到ε_x和ε_y，代表被测材料在X轴和Y轴上整体的压或拉应变， 

优选地，在所述图像处理单元计算中，还包括如下步骤： 

3.1)计算出在每个图像采集时刻加载表面各类实体细胞胞壁的组织比量A_i(i＝0，1，2，...，I)，作为加载过程中被测材料的形变情况数据； 

4.1)根据细胞变形前的组织比量A₀和变形后的组织比量A_i计算被测材料的整体应变ε_A，ε_A＝(A_i-A₀)/A_i。 

优选地，在拉伸或压缩等力学行为结束后，还包括如下步骤： 

5)通过所述图像采集单元连续拍摄被测材料至该被测材料变形回弹完全停止状态； 

6)所述图像处理单元计算被测材料受压或受拉后任何一个时刻的整体厚度或长度L_k，从而计算回弹量R和回弹率R_r，R＝L_k-L₀，R_r(％)＝(L_k-L₀)×100/L₀；其中，k＝0，1，2，...，K，“0”代表测试刚结束的时刻。 

优选地，在所述测量过程将被测材料的温度控制在一定的范围。 

优选地，在所述测量过程将被测材料的含水率控制在一定的范围。 

优选地，所述加载包括：拉伸、压缩、弯曲、扭转或剪切。 

本发明具有如下优点： 

1、本发明将连续的力学测试过程与木材动态的结构变化相结合，能够实时反映木材或木质复合材料力学性能和微观结构特征变化之间的关系。 

2、本发明将力学加载过程、材料性能数据结果、微观结构变化图像与时间数据点之间完全同步，任意二者之间可建立二维关系，并达到了真正的实时“监”和“测”。 

3、本发明能够对微区的组织和细胞应变进行测量，实现微区变形量化；能够对微区缺陷进行监控。 

4、本发明能够测试木材或木质复合材料力学性能和微观结构变化之间的关系，同时能够量化力学加载过程后材料的变形回弹情况。 

5、本发明将动态力学测试延伸到低温或高温范畴内，能够建立起温度与力学性能和微观结构变化之间的关系。 

6、本发明将动态力学测试延伸到含水率变化范畴内，能够建立起含水率与力学性能和微观结构变化之间的关系。 

7、本发明采用了自动调焦系统，能够有效提高图像采集精度，缩短图像采集间隔。 

8、本发明可实现电脑全自动化运行，避免人为控制和各系统分开控制所易造成的误差。 

9、本发明所得到的应力-应变曲线和微尺度变形机理能够抓住木质材料和木质复合材料延展性及强度的关键。 

10、本发明的适用范围广，压缩或拉伸等力学加载载荷范围宽，适合于 

各种类型/形状和尺寸的样品进行研究，包括实木材料、木质复合材料、其他木材衍生产品等。 

附图说明

图1为本发明结构示意图； 

图2为本发明被测材料的示意图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：加载单元1、控温箱3、传感器4、计算机5(即图像处理单元)、光学显微镜6、数码相机7和摄像机8。加载单元1用于被测材料2进行压缩、拉伸、或弯曲、剪切、扭转等力学行为。控温箱3与拉压单元1和计算机5相连，用于控制待检木材的温度(理论范畴-140～600℃)。光学显微镜6与数码相机7、摄像机8和计算机5相连，用于受压或受拉被测材料表面形变图像的采集。3套传感器4，一套与加载单元1中的进尺系统12相连，用于测量被测材料2的整体位移；一套与载荷控制(控压或控拉等)系统13相连，测量载荷值(压力或拉力等)；一套与导热部件(如导热压块或拉伸夹等)11相连，用于控温箱控制被测材料2的温度。数码相机7和摄像机8均与计算机5相连，用于应力和形变图像的数据采集。计算机5用于接收进尺系统12、力学控制系统13、数码相机7和摄像机8的检测数据和图像数据，并根据位移数据结果通过软件计算得到所述被测材料的应变信息和回弹量，同时得到应力应变曲线及被测材料实时微观结构变化结果。 

如图1所示，光学显微镜6可以为普通光三目生物显微镜，由聚光照明系统61、目镜62、物镜63、载物台64和调焦机构组成，并与数码相机7和摄像机8相连，用于受力木材表面形变图像的采集；其中，调焦机构为自动对焦系统65，设置在光学显微镜上，一端连接计算机5，用于控制光学显微镜物镜63的焦点调节，由计算机5控制调焦的间隔时间。 

如图1所示，加载单元1由导热部件11、进尺系统12、载荷控制系统13、冷却系统14组成，用于对待检木材2进行压缩、拉伸或弯曲等力学行为；其中，冷却系统14分为水冷和氮冷两套，水冷用于加载单元中导热部件11和载荷控制系统13由高温冷却到室温状态，氮冷用于加载单元中导热部件11由室温降到低温的状态，从而控制被测材料的温度。 

本发明由于采用自动对焦系统65实时自动调节光学显微镜6的物镜63的焦距，从而能够有效提高图像采集精度，缩短图像采集间隔。另外，本发 明由于采用摄像机8，能够实时观察受力被测材料的整体厚度或长度等外型尺寸变化，从而通过与之相连的计算机5计算出受力后任意时刻被测材料的回弹量和回弹率。本发明中，自动对焦可以采用常规的自动对焦方法。 

具体的测定步骤如下，如图1所示： 

1)首先测量被测材料2的径向尺寸L_R、弦向尺寸L_T、纵向尺寸L_L(如图2所示)，输入到计算机5中，作为该被测材料的原始数据； 

2)将被测材料2放置于加载单元1上，在计算机5中设定最大受力(压缩或拉伸等)载荷、最大压缩率(或拉伸率、挠度)、加载速度等参数； 

3)在光学显微镜6上选择倍数合适的物镜63，用自动对焦系统65调整到合理焦距，使被测材料2表面在数码相机7和摄像机8中所呈图像清晰完整；在计算机5中设定数码相机拍照时间间隔，如5sec、10sec等；同时设定自动对焦系统65的自动调焦时间间隔，与数码相机设定的拍照时间间隔相同，保证每次拍照前自动调焦完毕； 

4)如果需要被测材料2升温或降温，先在计算机5中设定被测材料最终温度，并需在测定开始前十分钟(最短时间)打开控温箱3开关，使被测材料2逐步升温(或降温)到设定温度； 

5)同时启动加载单元1、数码相机7、摄像机8、自动调焦系统65，开始测试； 

6)计算机5通过传感器4控制载荷控制系统13，得到实时加载载荷δ的大小；通过进尺系统12得到被测材料实时的位移数据，计算机5计算出被测材料实时应变ε_B；通过数码相机7和摄像机8得到被测材料表面清晰的实时变形图像；以上数据被实时传送到计算机5中直至测试结束； 

7)测试结束后，迅速将被测材料从加载单元1上取下，平放在光学显微镜载物台上对准物镜中心，继续用摄像机8连续拍摄受力结束后全部的被测材料至数天后，将摄像机8拍摄的图像被实时输入到计算机5中； 

8)计算机5根据数码相机7传回的图像数据，利用两种由图像计算应变的方法计算出被测材料的实时X轴应变ε_x、Y轴应变ε_y、整体应变ε_A，并将之与通过进尺系统12得到的位移数据计算出的实时应变ε_B对比； 

9)计算机5根据摄像机8传回的图像数据，计算出被测材料受力后任何一个时刻的厚度(或长度)L_k，利用公式计算出受压(或受拉)后被测材料在任何一个时刻的回弹量R，R＝L_k-L₀，和回弹率R_r，R_r(％)＝L_k-L₀)×100/L₀；其中，k＝0，1，2，...，K，“0”代表测试刚结束的时刻。 

通过上述测定步骤，就能够得到材料在整个加载过程中的应力-应变曲线，得到材料的压缩(或拉伸等)力学性能表征结果，例如，弹性变形阶段、塑性变形阶段、屈服点、破坏阶段，以及与之相对应的材料显微结构形变图像。 

上述测定步骤中，加载单元1、控温箱3、数码相机7、摄像机8、自动对焦系统65均由计算机5统一控制、同步运转，各机构所获得数据也实时传送回计算机5中，这样，以上各机构所得载荷、温度、应变和图像数据均可以时间为参照物建立二维关系。 

另外，在上述测量过程中，还可以将被测材料2的含水率控制在一定的范围，从而将动态力学测试延伸到含水率变化范畴内，建立含水率与力学性能和微观结构变化之间的关系。 

另外，本发明包含了三种测量应变方法，①利用差动传感器测量平均形变从而计算平均应变ε_B的方法，②通过图像测量每个组成单元(木材中为细胞)X轴形变和Y轴形变，进而计算被测材料整体X轴和Y轴平均应变ε_x、ε_y的方法，③通过图像测量组成单元实体部分(木材中的实体部分为细胞壁)的组织比量的变化，从而计算被测材料整体平均应变ε_A的方法。三种方法所得数据可以进行对比和互补。 

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种木材形变微观结构特征实时测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对被测材料进行加载；

2)在加载过程中通过显微单元放大待测区域；

3)通过图像采集单元采集图像信息后，通过图像处理单元计算出在每个图像采集时刻加载表面每个细胞的X轴长度X₀～X_n、Y轴长度Y₀～Y_n，作为力学测试过程中被测材料的形变情况数据；

4)根据每个单个细胞变形前的X轴长度X₀和Y轴长度Y₀、及细胞变形后的X轴长度X_n和Y轴长度Y_n计算单个细胞在X轴和Y轴的压或拉应变ε_xn和ε_yn，ε_xn＝(X_n-X₀)/X_n，ε_yn＝(Y_n-Y₀)/Y_n，(n＝1，2，3......N)；

5)将通过显微单元放大的待测区域内所有单个细胞在X轴和Y轴的压或拉应变ε_xn和ε_yn，取平均值得到ε_x和ε_y，代表被测材料在X轴和Y轴上整体的压或拉应变， ${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{\underset{N}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xn}}}{N}(n=\mathrm{1,2},...,N),{\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{\underset{N}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yn}}}{N}(n=\mathrm{1,2},...,N).$

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述图像处理单元计算中，还包括如下步骤：

3.1)计算出在每个图像采集时刻加载表面各类实体细胞胞壁的组织比量A_i(i＝0，1，2，..，I)，作为加载过程中被测材料的形变情况数据；

4.1)根据细胞变形前的组织比量A₀和变形后的组织比量A_i计算被测材料的整体应变ε_A，ε_A＝(A_i-A₀)/A_i。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在加载结束后，还包括如下步骤：

6)通过所述图像采集单元连续拍摄被测材料至该被测材料变形回弹完全停止状态；

7)所述图像处理单元计算被测材料受力后任何一个时刻的整体厚度或长度L_k，从而计算回弹量R和回弹率R_r，R＝L_k-L₀，R_r(％)＝(L_k-L₀)×100/L₀；其中，k＝0，1，2，...，K，“0”代表测试刚结束的时刻。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在测量过程将被测材料的温度控制在一定的范围。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述测量过程将被测材料的含水率控制在一定的范围。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述加载包括：拉伸、压缩、弯曲、扭转或剪切。

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