專利名稱：一種木材形變微觀結(jié)構(gòu)特征實(shí)時測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種木材及木質(zhì)復(fù)合材料壓縮或拉伸等力學(xué)強(qiáng)度性能與形 變微觀結(jié)構(gòu)特征實(shí)時測量方法。
背景技術(shù)：
木材及木質(zhì)復(fù)合材料在生產(chǎn)加工和使用過程中，不可避免的會遇到壓縮 或拉伸等力學(xué)行為，對于材料的力學(xué)性能檢測是保證后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量及其合理 使用的關(guān)鍵，但該力學(xué)行為對材料或產(chǎn)品的性能及微觀結(jié)構(gòu)影響以及微觀結(jié) 構(gòu)特征對材料整體性能的影響情況均尚不清晰。
對于目前的檢測手段，主要以單一的宏觀力學(xué)性能檢測為主。這種檢測
手段具有諸多缺陷和缺點(diǎn)
1、 僅以宏觀力學(xué)行為來判斷木質(zhì)材料的性能，是對材料本身性能掌握 的不足；
2、 僅能了解材料力學(xué)行為的結(jié)果，而不知形成該力學(xué)行為的原因；
3、 檢測過程不能將被測材料的溫度、含水率等影響因素加以考慮；
4、 檢測過程得到的應(yīng)變是材料整體的平均應(yīng)變，體現(xiàn)不出材料不同組 織結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況；不能反應(yīng)木材各部分結(jié)構(gòu)與整體應(yīng)力、應(yīng)變之間的關(guān)系；
5、 對于木材這種具有各項(xiàng)異性的不均質(zhì)材料，得到的應(yīng)變結(jié)果單一， 不能真實(shí)反映木材各組織結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果；
6、 檢測結(jié)束后，不能及時得到被測材料的回彈情況，不能分析被測材 泮+的殘余應(yīng)力。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種木材形變微觀結(jié)構(gòu)特征實(shí)時測量方法，能夠在線實(shí)時測量材料變形的微觀結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了 一種木材形變微觀結(jié)構(gòu)特征實(shí)時測量
方法，包4舌如下步驟
1 )對待檢測木材進(jìn)行加載；
2) 在加載過程中通過顯微單元放大待測區(qū)域；
3) 通過圖像采集單元采集圖像信息后，通過圖像處理單元計(jì)算出在每 個圖像采集時刻加載表面每個細(xì)胞的x軸長度X。 A 、 y軸長度y。 i;,作 為加載過程中被測材料的形變情況數(shù)據(jù)；
4 )根據(jù)每個細(xì)胞變形前的x軸長度X。和y軸長度r。、及細(xì)胞變形后的 x軸長度^和y軸長度K計(jì)算單個細(xì)胞在x軸和y軸的壓或拉應(yīng)變& 和 ^， ^=(U0)/z , ^u)/;r", " = 1,2,3……")；
5 )將通過顯微單元放大的待測區(qū)域內(nèi)所有單個細(xì)胞在x軸和y軸的壓 或拉應(yīng)變^和 ，取平均值得到^和^，代表被測對象在x軸和y軸上整
1 1
體的壓或拉應(yīng)變，(w-l,2，…,")，——("=1，2,.."")。
優(yōu)選地，在所述圖像處理單元計(jì)算中，還包括如下步驟
3.1 )計(jì)算出在每個圖像采集時刻加載表面各類實(shí)體細(xì)胞胞壁的組織比 量4 (,' = 0,1,2,...,/)，作為加載過程中被測材料的形變情況數(shù)據(jù)；
4.1 )根據(jù)細(xì)胞變形前的組織比量^和變形后的組織比量4計(jì)算被測對 象的整體應(yīng)變^， ^=(4-4)/4。
優(yōu)選地，在拉伸或壓縮等力學(xué)行為結(jié)束后，還包括如下步驟
5) 通過所述圖像采集單元連續(xù)拍攝被測木材至該被測木材變形回彈完 全停止?fàn)顟B(tài)；
6) 所述圖像處理單元計(jì)算被測木材受壓或受拉后任何一個時刻的整體
厚度或長度4，從而計(jì)算回彈量及和回彈率& , = 4 ， i r(%) = (4—Z。)xl00/Z。；其中，hO，l,2，…，A:, "0"代表測試剛結(jié)束的時刻。
優(yōu)選地，在所述測量過程將待檢測木材的溫度控制在一定的范圍。優(yōu)選地，在所述測量過程將待檢測木材的含水率控制在一定的范圍。
優(yōu)選地，所述加載包括拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)或剪切。 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明將連續(xù)的力學(xué)測試過程與木材動態(tài)的結(jié)構(gòu)變化相結(jié)合，能夠 實(shí)時反映木材或木質(zhì)復(fù)合材料力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)特征變化之間的關(guān)系。
2、 本發(fā)明將力學(xué)加載過程、材料性能數(shù)據(jù)結(jié)果、微觀結(jié)構(gòu)變化圖像與 時間數(shù)據(jù)點(diǎn)之間完全同步，任意二者之間可建立二維關(guān)系，并達(dá)到了真正的 實(shí)時"監(jiān)"和"測"。
3、 本發(fā)明能夠?qū)ξ^(qū)的組織和細(xì)胞應(yīng)變進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)微區(qū)變形量化； 能夠?qū)ξ^(qū)缺陷進(jìn)行監(jiān)控。
4、 本發(fā)明能夠測試木材或木質(zhì)復(fù)合材料力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)變化之間 的關(guān)系，同時能夠量化力學(xué)加載過程后材料的變形回彈情況。
5、 本發(fā)明將動態(tài)力學(xué)測試延伸到低溫或高溫范疇內(nèi)，能夠建立起溫度 與力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系。
6、 本發(fā)明將動態(tài)力學(xué)測試延伸到含水率變化范疇內(nèi)，能夠建立起含水 率與力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系。
7、 本發(fā)明采用了自動調(diào)焦系統(tǒng)，能夠有效提高圖像采集精度，縮短圖 像采集間隔。
8、 本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)電腦全自動化運(yùn)行，避免人為控制和各系統(tǒng)分開控制 所易造成的誤差。
9、 本發(fā)明所得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和微尺度變形機(jī)理能夠抓住木質(zhì)材 料和木質(zhì)復(fù)合材料延展性及強(qiáng)度的關(guān)鍵。
10、 本發(fā)明的適用范圍廣，壓縮或拉伸等力學(xué)加載載荷范圍寬，適合于 各種類型/形狀和尺寸的樣品進(jìn)行研究，包括實(shí)木材料、木質(zhì)復(fù)合材料、其 他木材衍生產(chǎn)品等。
6圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明被測木材的示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖l所示，本發(fā)明包括加載單元l、控溫箱3、傳感器4、計(jì)算機(jī)5 (即圖像處理單元)、光學(xué)顯微鏡6、數(shù)碼相機(jī)7和攝像機(jī)8。加載單元1 用于被測木材2進(jìn)行壓縮、拉伸、或彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等力學(xué)行為?？販叵?3與拉壓單元1和計(jì)算機(jī)5相連，用于控制待檢木材的溫度(理論范疇 -140 600°C)。光學(xué)顯微鏡6與數(shù)碼相機(jī)7、攝像機(jī)8和計(jì)算機(jī)5相連，用 于受壓或受拉被測木材表面形變圖像的采集。3套傳感器4， 一套與加載單 元1中的進(jìn)尺系統(tǒng)12相連，用于測量被測木材2的整體位移； 一套與載荷 控制(控壓或控拉等)系統(tǒng)13相連，測量載荷值(壓力或拉力等)； 一套 與導(dǎo)熱部件(如導(dǎo)熱壓塊或拉伸夾等)11相連，用于控溫箱控制被測木材2 的溫度。數(shù)碼相機(jī)7和攝像機(jī)8均與計(jì)算機(jī)5相連，用于應(yīng)力和形變圖像的 數(shù)據(jù)采集。計(jì)算機(jī)5用于接收進(jìn)尺系統(tǒng)12、力學(xué)控制系統(tǒng)13、數(shù)碼相機(jī)7 和攝像機(jī)8的檢測數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，并根據(jù)位移數(shù)據(jù)結(jié)果通過軟件計(jì)算得到 所述被測木材的應(yīng)變信息和回彈量，同時得到應(yīng)力應(yīng)變曲線及被測木材實(shí)時 微觀結(jié)構(gòu)變化結(jié)果。
如圖l所示，光學(xué)顯微鏡6可以為普通光三目生物顯微鏡，由聚光照明 系統(tǒng)61、目鏡62、物4竟63、載物臺64和調(diào)焦才幾構(gòu)組成，并與數(shù)碼相才幾7 和攝像機(jī)8相連，用于受力木材表面形變圖像的采集；其中，調(diào)焦機(jī)構(gòu)為自 動對焦系統(tǒng)65,設(shè)置在光學(xué)顯微鏡上， 一端連接計(jì)算機(jī)5，用于控制光學(xué)顯 微鏡物鏡63的焦點(diǎn)調(diào)節(jié)，由計(jì)算機(jī)5控制調(diào)焦的間隔時間。
如圖1所示，加載單元1由導(dǎo)熱部件11、進(jìn)尺系統(tǒng)12、載荷控制系統(tǒng) 13、冷卻系統(tǒng)14組成，用于對待檢木材2進(jìn)行壓縮、拉伸或彎曲等力學(xué)行 為；其中，冷卻系統(tǒng)14分為水冷和氮冷兩套，水冷用于加載單元中導(dǎo)熱部 件11和載荷控制系統(tǒng)13由高溫冷卻到室溫狀態(tài)，氮冷用于加載單元中導(dǎo)熱 部件ll由室溫降到低溫的狀態(tài)，從而控制被測材料的溫度。
本發(fā)明由于采用自動對焦系統(tǒng)65實(shí)時自動調(diào)節(jié)光學(xué)顯微鏡6的物鏡63的焦距，從而能夠有效提高圖像采集精度，縮短圖像采集間隔。另外，本發(fā) 明由于采用攝像機(jī)8,能夠?qū)崟r觀察受力被測木材的整體厚度或長度等外型
尺寸變化，從而通過與之相連的計(jì)算機(jī)5計(jì)算出受力后任意時刻被測材料的 回彈量和回彈率。本發(fā)明中，自動對焦可以采用常少見的自動對焦方法。
具體的測定步驟如下，如圖1所示
1)首先測量被測材料2的徑向尺寸^,弦向尺寸i^、縱向尺寸^(如 圖2所示)，輸入到計(jì)算機(jī)5中，作為該被測材料的原始數(shù)據(jù)；
2 )將被測材料2放置于加載單元1上，在計(jì)算機(jī)5中設(shè)定最大受力(壓 縮或拉伸等)載荷、最大壓縮率(或拉伸率、撓度)、加載速度等參數(shù)；
3 )在光學(xué)顯微鏡6上選擇倍數(shù)合適的物鏡63，用自動對焦系統(tǒng)65調(diào) 整到合理焦距，使被測材料2表面在數(shù)碼相機(jī)7和攝像機(jī)8中所呈圖像清晰 完整；在計(jì)算機(jī)5中設(shè)定數(shù)碼相機(jī)拍照時間間隔，如5sec、 10sec等；同時 設(shè)定自動對焦系統(tǒng)65的自動調(diào)焦時間間隔，與數(shù)碼相機(jī)設(shè)定的拍照時間間 隔相同，保證每次拍照前自動調(diào)焦完畢；
4) 如果需要被測材料2升溫或降溫，先在計(jì)算機(jī)5中設(shè)定被測材料最 終溫度，并需在測定開始前十分鐘(最短時間)打開控溫箱3開關(guān)，使被測 木材2逐步升溫(或降溫)到設(shè)定溫度；
5) 同時啟動加載單元l、數(shù)碼相機(jī)7、 ^聶像才幾8、自動調(diào)焦系統(tǒng)65,開 始測i式；
6 )計(jì)算機(jī)5通過傳感器4控制載荷控制系統(tǒng)13,得到實(shí)時加載載荷5的 大??；通過進(jìn)尺系統(tǒng)12得到被測材料實(shí)時的位移數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)5計(jì)算出被 測材料實(shí)時應(yīng)變sfi;通過數(shù)碼相機(jī)7和攝像機(jī)8得到被測材料表面清晰的實(shí) 時變形圖像；以上數(shù)據(jù)被實(shí)時傳送到計(jì)算機(jī)5中直至測試結(jié)束；
7) 測試結(jié)束后，迅速將被測材料從加載單元1上取下，平放在光學(xué)顯 微鏡載物臺上對準(zhǔn)物鏡中心，繼續(xù)用攝像機(jī)8連續(xù)拍攝受力結(jié)束后全部的被 測對象至數(shù)天后，將攝像機(jī)8拍攝的圖像被實(shí)時輸入到計(jì)算機(jī)5中；
8) 計(jì)算機(jī)5根據(jù)數(shù)碼相機(jī)7傳回的圖像數(shù)據(jù)，利用兩種由圖像計(jì)算應(yīng) 變的方法計(jì)算出^皮測初^牛的實(shí)時X軸應(yīng)變^、 Y軸應(yīng)變^、整體應(yīng)變&,并
8將之與通過進(jìn)尺系統(tǒng)12得到的位移數(shù)據(jù)計(jì)算出的實(shí)時應(yīng)變&對比；
9)計(jì)算機(jī)5根據(jù)攝像機(jī)8傳回的圖像數(shù)據(jù)，計(jì)算出被測對象受力后任 何一個時刻的厚度(或長度)a，利用公式計(jì)算出受壓(或受拉)后被測材 沖牛在任何 一 個時刻的回彈量i , i = a —丄。，和回彈率& , &(%) = (4 -丄。)xioo/￡。；其中，= 0,l，2,...，A, "0"代表測試剛結(jié)束的時刻。
通過上述測定步驟，就能夠得到材料在整個加載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲 線，得到材料的壓縮(或拉伸等)力學(xué)性能表征結(jié)果，例如，彈性變形階段、 塑性變形階段、屈服點(diǎn)、破壞階段，以及與之相對應(yīng)的材料顯微結(jié)構(gòu)形變圖 像。
上述測定步驟中，加載單元l、控溫箱3、數(shù)碼相機(jī)7、攝像機(jī)8、自動 對焦系統(tǒng)65均由計(jì)算機(jī)5統(tǒng)一控制、同步運(yùn)轉(zhuǎn)，各機(jī)構(gòu)所獲得數(shù)據(jù)也實(shí)時 傳送回計(jì)算機(jī)5中，這樣，以上各機(jī)構(gòu)所得載荷、溫度、應(yīng)變和圖像數(shù)據(jù)均 可以時間為參照物建立二維關(guān)系。
另外，在上述測量過程中，還可以將被測材料2的含水率控制在一定的 范圍，從而將動態(tài)力學(xué)測試延伸到含水率變化范疇內(nèi)，建立含水率與力學(xué)性 能和微觀結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系。
另外，本發(fā)明包含了三種測量應(yīng)變方法，①利用差動傳感器測量平均形 變從而計(jì)算平均應(yīng)變&的方法，②通過圖像測量每個組成單元(木材中為細(xì) 胞)X軸形變和Y軸形變，進(jìn)而計(jì)算被測材料整體X軸和Y軸平均應(yīng)變&、 ^的方法，③通過圖像測量組成單元實(shí)體部分(木材中的實(shí)體部分為細(xì)胞 壁)的組織比量的變化，從而計(jì)算被測材料整體平均應(yīng)變^的方法。三種方 法所得數(shù)據(jù)可以進(jìn)行對比和互補(bǔ)。
綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的 保護(hù)范圍，因此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、 改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種木材形變微觀結(jié)構(gòu)特征實(shí)時測量方法，其特征在于，包括如下步驟1)對待檢測木材進(jìn)行加載；2)在加載過程中通過顯微單元放大待測區(qū)域；3)通過圖像采集單元采集圖像信息后，通過圖像處理單元計(jì)算出在每個圖像采集時刻加載表面每個細(xì)胞的X軸長度X0～Xn、Y軸長度Y0～Yn，作為力學(xué)測試過程中被測材料的形變情況數(shù)據(jù)；4)根據(jù)每個單個細(xì)胞變形前的X軸長度X0和Y軸長度Y0、及細(xì)胞變形后的X軸長度Xn和Y軸長度Yn計(jì)算單個細(xì)胞在X軸和Y軸的壓或拉應(yīng)變εxn和εyn，εxn＝(Xn-X0)/Xn，εyn＝(Yn-Y0)/Yn，(n＝1，2，3......n)；5)將通過顯微單元放大的待測區(qū)域內(nèi)所有單個細(xì)胞在X軸和Y軸的壓或拉應(yīng)變εxn和εyn，取平均值得到εx和εy，代表被測對象在X軸和Y軸上整體的壓或拉應(yīng)變，<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>ϵ</mi> <mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mi>n</mi> <mn>1</mn></munderover><msub> <mi>ϵ</mi> <mi>xn</mi></msub> </mrow> <mi>n</mi></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1,2</mn> <mo>,</mo> <mo>.</mo> <mo>.</mo> <mo>.</mo> <mo>,</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100897700002C1.tif" wi="51" he="14" top= "130" left = "61" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths><maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>ϵ</mi> <mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mi>n</mi> <mn>1</mn></munderover><msub> <mi>ϵ</mi> <mi>yn</mi></msub> </mrow> <mi>n</mi></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1,2</mn> <mo>,</mo> <mo>.</mo> <mo>.</mo> <mo>.</mo> <mo>,</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>.</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2009100897700002C2.tif" wi="52" he="14" top= "130" left = "117" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述圖像處理單元計(jì)算 中，還包括如下步驟3.1 )計(jì)算出在每個圖像采集時刻加載表面各類實(shí)體細(xì)胞胞壁的組織比 量4 (/ = 0，1，2,...,/)，作為加載過程中被測材料的形變情況數(shù)據(jù)；4.1)根據(jù)細(xì)胞變形前的組織比量^和變形后的組織比量4計(jì)算被測對 象的整體應(yīng)變^， ^ = (4-4))/4。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在加載結(jié)束后，還包 括如下步驟5) 通過所述圖像采集單元連續(xù)拍攝被測木材至該被測木材變形回彈完 全停止?fàn)顟B(tài)；6) 所述圖像處理單元計(jì)算被測木材受力后任何一個時刻的整體厚度或 長度4,從而計(jì)算回彈量及和回彈率i^， / =丄廣4， &(%) = (4-z。)xioo/z:o;其中，* = 0,1,2,...，1"0"代表測試剛結(jié)束的時刻。
4、 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在所述測量過程將待檢測 木材的溫度控制在一定的范圍。
5、 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在所述測量過程將待檢測 木材的含水率控制在一定的范圍。
6、 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述加載包括拉伸、壓 縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)或剪切。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種木材形變微觀結(jié)構(gòu)特征實(shí)時測量方法，包括如下步驟1)對待檢測木材進(jìn)行加載；2)在加載過程中通過顯微單元放大待測區(qū)域；3)通過圖像采集單元采集圖像信息后，通過圖像處理單元計(jì)算出在每個圖像采集時刻加載表面每個細(xì)胞的X軸長度X<sub>0</sub>～X<sub>n</sub>、Y軸長度Y<sub>0</sub>～Y<sub>n</sub>；4)根據(jù)每個細(xì)胞變形前的X軸長度X<sub>0</sub>和Y軸長度Y<sub>0</sub>、及細(xì)胞變形后的X軸長度X<sub>n</sub>和Y軸長度Y<sub>n</sub>計(jì)算單個細(xì)胞在X軸和Y軸的壓或拉應(yīng)變ε<sub>xn</sub>和ε<sub>yn</sub>，ε<sub>xn</sub>＝(X<sub>n</sub>-X<sub>0</sub>)/X<sub>n</sub>，ε<sub>yn</sub>＝(Y<sub>n</sub>-Y<sub>0</sub>)/Y<sub>n</sub>；5)將通過顯微單元放大的待測區(qū)域內(nèi)所有單個細(xì)胞在X軸和Y軸的壓和拉應(yīng)變ε<sub>xn</sub>和ε<sub>yn</sub>，取平均值得到表征木材整體在X軸和Y軸的壓和拉應(yīng)變ε<sub>x</sub>和ε<sub>y</sub>。本發(fā)明能夠?qū)ξ^(qū)組織和細(xì)胞應(yīng)變進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)微區(qū)變形量化；能夠?qū)ξ^(qū)缺陷進(jìn)行監(jiān)控。
文檔編號G01N3/00GK101603819SQ200910089770
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月23日
發(fā)明者波 劉, 姜笑梅, 宋坤霖, 殷亞方, 彬 羅, 邊明明, 閻昊鵬 申請人:中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所