CN108535162A - 一种基于x射线显微ct表征木材孔隙结构的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法。该方法将木材样品放置于X射线显微CT中进行扫描,样品在水平方向进行360°旋转,每旋转一定角度探测器对木材样品拍摄一张二维灰度图片,最后得到一系列有序的二维灰度图片,利用FDK重建算法在计算机上重构样品三维数字图像,运用Avizo软件选择感兴趣区域(ROI,Region OfInterest),经分析得到木材样品的孔隙结构参数信息和孔隙三维空间分布情况。本发明可以在无损条件下对木材样品进行观察、分析其内部的微观孔隙结构,包括定量分析孔隙结构参数和可视化观察样品孔隙三维分布。研究木材内部孔隙结构提供可视化依据,对于进一步研究木材介质运输具有重要意义,广泛应用于木材的微米孔隙的结构分析和可视化观察。
Description
技术领域
本发明涉及分析木材孔隙结构技术领域,具体为一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法。
背景技术
木材是一种可再生的自然资源,对于人类生活起巨大的支持作用。木材经人工采伐后加工形成各种木制材料,主要应用于建筑工程、家具、装修材料、饰品等方面,与人们的生活、生产紧密相关。木材具有优良的特性,其饰面有一种特殊的优美观感,且具有高强重比、良好的声学和美学特性。同时,木材本身也存在一些缺陷,如尺寸不稳定(胀缩性)、易腐朽、易燃等等。因此,人们往往需要对木材原料进行改性、干燥等加工处理,以改良木材的某些缺陷。木材的各向异性和不均匀性使其孔隙结构复杂多变,加工过程中也会对木材孔隙结构发生改变。木材内部的孔隙结构能够影响介质运输、渗透性,进而影响木材的改性和干燥工艺。因此,有必要对木材的孔隙结构作进一步的了解和研究。
木材的孔隙结构一般通过孔隙率、孔隙体积、比表面积、孔隙直径、表面积等参数进行表征。目前孔隙结构表征方法主要有以下几种:扫描电镜、压汞法、气体吸附法、原子力显微镜、热孔计法、冷孔计法等。然而,这些方法或多或少存在某些方面的缺陷,如孔隙直径限制、视野限制、局部孔隙信息、样品制备复杂、二维图像引起的信息失真等等。同时,现有的测试技术大多数为破坏性测试,木材样品测试分析之后只能废弃扔掉,同一样品测试方法单一。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点,提供一种准确、直观地再现木材中的孔隙结构形貌,并进行定量计算和可视化观察的基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的:
一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法,具体步骤如下:
S1,确定所需分析或研究测试样品的孔隙尺寸范围,选择合适的X射线显微CT测试分辨率及对应的测试镜头,挑选合适尺寸的木材样品;
S2,将木材样品放置于X射线显微CT仪器中进行CT扫描,获取一系列有序的二维灰度图像;
S3,将步骤S2中获取的二维灰度图像通过软件重建木材样品的三维数字图像;
S4,用Avizo软件选取感兴趣区域ROI,并进行孔隙结构的可视化观察和定量分析。
作为上述方案的改进,所述的木材样品尺寸为微米级至厘米级,根据不同测量分辨率精度的显微CT分辨的最小孔隙尺度,所述的测试样品的孔隙尺度范围为1μm-500μm。
作为上述方案的改进,所述的步骤S2中,样品在X射线显微CT中扫描测试,调整好木材样品的旋转中心,木材样品在水平方向360°旋转,样品每旋转一定角度暂停,同时拍摄一张二维灰度照片,最终获得一系列有序的二维灰度图像。
作为上述方案的改进,所述的步骤S3中通过VoxelStudio Recon利用FDK重建算法将步骤S2中获取一系列有序的二维灰度图像合并成一个三维立体图像文件*.CT后,并转成通用的*.raw格式文件。
作为上述方案的改进,所述的步骤4包括以下步骤:
S4.1挑选木材立体图像中的感兴趣区域ROI,选择需要的分析尺寸;
S4.2随机选取一张二维灰度图像,选择合适阈值提取孔隙部分,对感兴趣区域ROI数据体进行二值化处理,其中灰度值1表示为孔隙,灰度值0表示为木材;
S4.3用Avizo软件进行可视化观察和计算孔隙结构的相关参数,包括孔隙率、孔隙体积、表面积、等效直径、比表面积。
作为上述方案的改进,所述的步骤S4.1中所述的选择需要的分析尺寸为400×400×400pixel。
X射线显微CT技术,又叫计算机层析成像,是一种无损检测的方法,样品测试后可继续做其他有损或无损测试。这项技术的原理是根据物质对于X射线吸收程度的差异,具体体现在物质密度差异。X射线穿过物体时,由于不同物质密度不同,X射线出现不同程度的衰减,其衰减规律遵循Beer定律。衰减后的X射线被探测器捕获,通过转换计算,显示出不同的灰度值。
X射线显微CT技术能够可视化观察木材内部孔隙结构形貌、定量计算孔隙结构相关参数。这种技术的可贵之处在于它是一种可视化测试分析方法,能够让人们清晰、准确、直观地了解木材的孔隙结构,对木材加工处理具有十分重要意义。目前,这种技术的测试分辨率涵盖几百纳米到几百微米不等,测试应用范围较广。
本发明具有以下有益效果:本发明是无损检测,可以在不破坏样品的情况下测试样品;本发明是可视化观察,测试结果可以从不同方向、不同角度进行清晰观察样品内部结构;本发明可以定量计算孔隙结构参数,包括孔隙率、孔隙体积、表面积、等效直径、比表面积等。对于无损研究木材的介质运输、渗透性及可视化分析具有重要的意义。
附图说明
图1为扫描过程中的单张刺猬木材二维灰度图像。
图2为重建后的刺猬木材三维数字图像。
图3为感兴趣区域(ROI)四视图图像。
图4为图3中XY切面二值化处理过程图像。
图5为对图4二值化处理后图像。
图6为刺猬木材三维图像。
图7为孔隙三维图像。
图8为孔隙在刺猬木材中三维分布图像。
具体实施方式
实施例
以实验室的X射线显微CT为例,该仪器可分辨木材的最小孔径为1μm,对刺猬红木木材进行显微CT扫描测试。以下为相关名词解释:
孔隙率,孔隙体积占总体积的比例。
孔隙三维分布,孔隙在感兴趣区域内的空间分布。
孔隙表面积、孔隙体积、孔隙等效直径、孔隙比表面积,表征孔隙结构的参数。
实验样品刺猬红木木材,基于X射线显微CT表征刺猬红木木材微观孔隙结构:
步骤1,本次实验所用样品为刺猬红木木材,研究刺猬木材的孔径1μm及以上的微米级孔隙结构,选择X射线显微CT仪器的20倍放大镜头(其测试分辨率可达1μm),刺猬木材选用约为1mm直径、外观形状近似圆柱状样品,取于刺猬红木木材芯部;
步骤2,将刺猬木材样品用封泥固定在样品夹上,放置于X射线显微CT仪器中的样品台进行CT扫描,测试条件:电流245μA,电压40KV,曝光时间40s,图像合并数1张。调整样品旋转中心,木材样品在水平方向360°旋转,每隔0.40°样品停住,探测器获取一张二维灰度图像CT0001.DR如图1,总共获取900张二维灰度图像(CT0001.DR~CT0900.DR);
步骤3,所有二维灰度图像文件导入VoxelStudio Recon软件,利用FDK重建算法重建,调整垂直位移参数和水平角度偏移参数,重建刺猬红木木材的三维数字图像如图2,形成32位的rosewood.CT文件,同时转换成16位的rosewood.raw文件;
步骤4,将rosewood.raw文件导入Avizo软件,将图像进行非局部均值滤波处理,选取感兴趣区域ROI,尺寸为400×400×400像素,其四视图如图3,从ROI区域中随机选择XY切面(第200张)如图4,通过灰度直方图中选取合适的阈值,灰度值小于该阈值的像素点表示为孔隙成分,反之则为木材成分。通过单张切面阈值分割提取出其中的孔隙,将该阈值应用于整个感兴趣区域ROI,整个数据体执行二值化处理,形成只有两种灰度值(灰度值0和1)的数据体,其中灰度值1代表孔隙,灰度值0代表刺猬红木木材如图5。通过Avizo软件可以统计整个ROI区域的孔隙和木材像素点数据见表1,得出刺猬木材的孔隙率为39.92%,定量计算每个孔隙的等效直径、表面积、体积、比表面积结果,其分布统计趋势见表2至表5。Avizo软件可以将木材和孔隙以三维图像的形式显示出来如图6、图7,同时也可将孔隙在木材中的分布直观地表现出来如图8。
表1孔隙成分占比
表2孔隙等效直径分布统计
表3孔隙表面积分布统计
表4孔隙体积分布统计
表5孔隙比表面积分布统计
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明,该实施例并非用以限制本发明的专利范围,凡未脱离本发明所为的等效实施或变更,均应包含于本案的专利范围中。
Claims (6)
1.一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法,其特征在于,具体步骤如下:
S1,确定所需分析或研究测试样品的孔隙尺寸范围,选择合适的X射线显微CT测试分辨率及对应的测试镜头,挑选合适尺寸的木材样品;
S2,将木材样品放置于X射线显微CT仪器中进行CT扫描,获取一系列有序的二维灰度图像;
S3,将步骤S2中获取的二维灰度图像通过软件重建木材样品的三维数字图像;
S4,用Avizo软件选取感兴趣区域ROI,并进行孔隙结构的可视化观察和定量分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法,其特征在于,所述的木材样品尺寸为微米级至厘米级,根据不同测量分辨率精度的显微CT分辨的最小孔隙尺度,所述的测试样品的孔隙尺度范围为1μm-500μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法,其特征在于,所述的步骤S2中,样品在X射线显微CT中扫描测试,调整好木材样品的旋转中心,木材样品在水平方向360°旋转,样品每旋转一定角度暂停,同时拍摄一张二维灰度照片,最终获得一系列有序的二维灰度图像。
4.根据权利要求1所述的一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法,其特征在于,所述的步骤S3中通过VoxelStudio Recon利用FDK重建算法将步骤S2中获取一系列有序的二维灰度图像合并成一个三维立体图像文件*.CT后,并转成通用的*.raw格式文件。
5.根据权利要求1所述的一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法,其特征在于,所述的步骤4包括以下步骤:
S4.1挑选木材立体图像中的感兴趣区域ROI,选择需要的分析尺寸;
S4.2随机选取一张二维灰度图像,选择合适阈值提取孔隙部分,对感兴趣区域ROI数据体进行二值化处理,其中灰度值1表示为孔隙,灰度值0表示为木材;
S4.3用Avizo软件进行可视化观察和计算孔隙结构的相关参数,包括孔隙率、孔隙体积、表面积、等效直径、比表面积。
6.根据权利要求5所述的一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法,其特征在于,所述的步骤S4.1中所述的选择需要的分析尺寸为400×400×400pixel。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180914 |
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