一种基于生长轮尺度的木材应变量测量方法及装置与流程

本发明属于木材测量技术领域，具体涉及一种基于生长轮尺度的木材应变量测量方法及装置。

背景技术：

木材因干燥而缩减其尺寸的现象称为干缩，因吸收水分而增加其尺寸的现象称为湿胀。干缩和湿胀现象发生在木材含水率小于纤维饱和点的情况下，当木材的含水率在纤维饱和点以上，其尺寸和体积几乎不会发生变化。

干缩和湿胀现象对木材的利用有很大影响：干缩会引起木制品尺寸收缩而产生缝隙、翘曲变形和开裂。而湿胀不仅会增大木制品的尺寸发生地板隆起、门窗关不上，还会降低木材的力学性能。

木材的干缩/湿胀包括轴向干缩/湿胀和横向干缩/湿胀，轴向干缩/湿胀沿着垂直于木材树干的方向，其干缩率/湿胀率数值较小，对木材的利用影响不大。横向干缩/湿胀包括径向干缩/湿胀和弦向干缩/湿胀。径向干缩/湿胀在木材横切面上沿直径方向，其数值较大，弦向干缩/湿胀沿着生长轮切线方向，其数值也较大，不可忽视。

木材生长轮内，早材与晚材的构造差异、平衡含水率不同、以及二者之间的连接方式都影响着木材径向、弦向的干缩或者湿胀。因此，在生长轮尺度上开展干缩/湿胀实验，会以早材、晚材和生长轮的木材试样作为研究对象。现有技术中，在木材的生长轮尺度上进行干缩/湿胀应变量测量的方法是：

对不同含水率平衡态的木材试样进行重量称量，计算得到木材试样的含水率，对不同含水率平衡态的木材试样进行拍摄，获取图像进行分析，得到木材试样的干缩/湿胀应变量。该种方法的缺点是：只能测定含水率平衡态下试样的含水率以及干缩/湿胀应变量，无法测定水分吸着以及解吸过程中试样的含水率以及干缩/湿胀应变量。

因此，需要一种既可以测定含水率平衡态下试样的含水率以及干缩和湿胀应变量，又可以测定水分吸着和解吸过程中试样的含水率以及干缩和湿胀应变量的方法。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术中存在的无法测定水分吸着/解吸过程中试样的含水率以及干缩/湿胀应变量的问题，本发明提供一种基于生长轮尺度的木材应变量测量方法。另外，本发明还提供一种用于上述测量方法的木材应变量的测量装置。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种基于生长轮尺度的木材应变量测量方法，包括如下步骤：

s1：制备木材的绝干试样；

s2：将步骤s1得到的绝干试样放到恒定温度和一定相对湿度的动态水分吸附分析仪中，保持固定的时间间隔，连续记录木材试样的重量变化，直到木材试样达到含水率平衡态；

s3：与步骤s2保持同样的时间间隔，采用视频白光显微镜对木材试样进行连续拍照，直到木材试样达到含水率平衡态；

s4：对步骤s2获得的图像进行分析处理，得到木材试样各个时间的含水率、径向湿胀率以及弦向湿胀率；

s5：步骤s3中，待木材试样达到含水率平衡态后，降低动态水分吸附分析仪内的相对湿度，然后重复步骤s2-s3；

s6：对步骤s5获得的图像进行分析处理，得到木材试样各个时间的含水率、径向干缩率以及弦向干缩率。

如上所述的测量方法，优选地，步骤s2中，动态水分吸附分析仪内的温度为20-25℃，相对湿度为0-98％。

如上所述的测量方法，优选地，步骤s2中质量变化记录的间隔时间与步骤s3中拍摄图像的间隔时间均为1min；

所述步骤s3中，调节视频白光显微镜，使得拍摄得到的图片的像素为1280×960。

如上所述的测量方法，优选地，步骤s4之前，对步骤s3获得的图像进行降噪处理，图像的降噪处理具体包括：对图片的亮度、对比度、曝光度、rgb曲线和色阶进行调整，以增强测量区域的细节。

如上所述的测量方法，优选地，步骤s1中，对绝干试样对应的图像进行标记点的确定，具体包括：

将降噪后的图像导入autocad软件，在木材试样生长轮的轮界线上找出4个细胞角隅，然后将木材试样的图像放大至像素块可见；

在所述细胞角隅内，在像素块出现明显颜色分界的位置做4个标记点，将4个标记点沿着径向和弦向一一连接，得到4条直线，对4条直线进行长度测量，得到直线的长度。

如上所述的测量方法，优选地，步骤s4中，对湿胀过程中的木材试样的图像进行标记点的确定，具体包括：

将降噪后的图像导入autocad软件，在木材试样生长轮的轮界线上找出4个细胞角隅，然后将木材试样的图像放大至像素块可见；

在所述细胞角隅内，在像素块出现的颜色分界特征与绝干试样标记点确定过程中的像素块颜色分界特征相同的位置做4个标记点，将4个标记点沿着径向和弦向一一连接，得到4条直线，对4条直线进行长度测量，得到直线的长度；

木材试样在任意时刻下湿胀率的计算公式为：

式中：

εrh为试样在任意相对湿度环境中径向/弦向的湿胀率，单位为％；

lrh为试样在某一相对湿度环境中任意时刻径向/弦向的尺寸，单位为μm；

l0为绝干试样径向或者弦向的尺寸，单位为μm。

如上所述的测量方法，优选地，步骤s6中，对干缩过程中的木材试样的图像进行标记点的确定，具体包括：

将降噪后的图像导入autocad软件，在木材试样生长轮的轮界线上找出4个细胞角隅，然后将木材试样的图像放大至像素块可见；

在所述细胞角隅内，在像素块出现的颜色分界特征与绝干试样标记点确定过程中的像素块颜色分界特征相同的位置做4个标记点，将4个标记点沿着径向和弦向一一连接，得到4条直线，对4条直线进行长度测量，得到直线的长度；

步骤s6中，干缩率的计算公式为：

式中：

εrh为试样在任意相对湿度环境中径向/弦向的干缩率，单位为％；

lrh为试样在某一相对湿度环境中任意时刻径向/弦向的尺寸，单位为μm；

l0为绝干试样径向或者弦向的尺寸，单位为μm。

如上所述的测量方法，优选地，步骤s4和步骤s6中，任意时刻下，木材试样的含水率的计算公式为：

mcrh为试样在任意相对湿度环境中的含水率，单位为％；

mrh为试样在任意相对湿度环境中达到的质量，单位为mg；

m0为绝干试样的质量，单位为mg。

本发明还提供一种用于上述测量方法的木材应变量的测量装置，包括动态水分吸附分析仪以及视频白光显微镜；

所述动态水分吸附分析仪包括超微量电子天平和气体流量控制器；

所述视频白光显微镜位于所述超微量电子天平的下方，与所述动态水分吸附分析仪电性连接。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的测量方法将动态水分吸附分析仪与白光显微镜成像技术联用，动态水分吸附分析仪测量木材试样的重量变化，视频白光显微镜拍摄并获取同一状态下的木材试样的图像，配合图像处理，以实时、同步获得水分吸着/解吸过程中生长轮尺度的干缩以及湿胀的应变量数据。本发明的测量方法能够对任意时刻任意含水率的木材试样进行重量以及拍照，能够保证获得的含水率、干缩率以及湿胀率都是木材试样处于同一状态下的真实数据。

本发明提供了一种用于生长轮尺度的木材干缩-湿胀试验的图像测量方法，定位准确、精确度高、便于操作。本发明的测量方法具有以下优点：①能够测定低于纤维饱和点的任意含水率状态下的干缩应变量、湿胀应变量及其与含水率的一一对应数据，能够对任意一种木材的含水率与干缩或湿胀应变之间的关系进行探究。②能够准确定位木材试样的测量标记点。③对干缩应变量以及湿胀应变量的测量精度可达0.01μm。

本发明的测量方法能够通过实时、同步测定木材的水分吸着/解吸等温线与干缩/湿胀率，进而探究木材的含水率与径向、弦向干缩/湿胀率之间的关系，研究其是否存在滞后现象及其变化规律，并探讨其影响因子。本发明的测量方法将木材干缩/湿胀行为的研究从宏观引向介观，对从生长轮尺度上深入认识木材干缩/湿胀行为受含水率的影响及其彼此间的作用机制，对合理高效利用木材具有重要的科学价值和实践意义。

附图说明

图1为本发明中木材试样的图像处理示意图；

图2a-2j为分别在0％rh、10％rh、20％rh、30％rh、40％rh、50％rh、60％rh、70％rh、80％rh、90％rh的10个相对湿度阶段下独立楸木早材的含水率与径向湿胀率、弦向湿胀率之间的关系；

图3a-3j为分别在0％rh、10％rh、20％rh、30％rh、40％rh、50％rh、60％rh、70％rh、80％rh、90％rh的10个相对湿度阶段下独立楸木晚材的含水率与径、弦向湿胀率之间的关系；

图4a-4j为分别在0％rh、10％rh、20％rh、30％rh、40％rh、50％rh、60％rh、70％rh、80％rh、90％rh的10个相对湿度阶段下生长轮的含水率与径、弦向湿胀率之间的关系；

图5a-5j为分别在90％rh、80％rh、70％rh、60％rh、50％rh、40％rh、30％rh、20％rh、10％rh、0％rh的10个相对湿度阶段下独立楸木早材的含水率与径、弦向干缩率之间的关系；

图6a-6j为分别在90％rh、80％rh、70％rh、60％rh、50％rh、40％rh、30％rh、20％rh、10％rh、0％rh的10个相对湿度阶段下独立楸木晚材的含水率与径、弦向干缩率之间的关系；

图7a-7j为分别在90％rh、80％rh、70％rh、60％rh、50％rh、40％rh、30％rh、20％rh、10％rh、0％rh的10个相对湿度阶段下生长轮的含水率与径、弦向干缩率之间的关系。

【附图标记说明】

1：视频白光显微镜拍摄的原图；2：降噪处理后的图像；3：放大至像素块可见的4个标记点；4：弦向的干缩/湿胀应变量；5：径向的干缩/湿胀应变量。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

参照图1-图7，本实施例提供一种基于生长轮尺度的木材应变量测量方法，包括如下步骤：

s1：制备木材的绝干试样。

s2：将步骤s1得到的绝干试样放到恒定温度和一定相对湿度的动态水分吸附分析仪中，保持固定的时间间隔，连续记录木材试样的重量变化，直到木材试样达到含水率平衡态。

s3：与步骤s2保持同样的时间间隔，采用视频白光显微镜对木材试样进行连续拍照，直到木材试样达到含水率平衡态。

s4：对步骤s2获得的图像进行分析处理，得到木材试样各个时间的含水率、径向湿胀率以及弦向湿胀率。

s5：步骤s3中，待木材试样达到含水率平衡态后，降低动态水分吸附分析仪内的相对湿度，然后重复步骤s2-s3。

s6：对步骤s5获得的图像进行分析处理，得到木材试样各个时间的含水率、径向干缩率以及弦向干缩率。

本实施例的测量方法将动态水分吸附分析仪与白光显微镜成像技术联用，动态水分吸附分析仪测量木材试样的重量变化，视频白光显微镜拍摄并获取同一状态下的木材试样的图像，配合图像处理，以实时、同步获得任意含水率下生长轮尺度的干缩以及湿胀的应变量数据，保证获得的含水率、干缩率以及湿胀率都是木材试样处于同一状态下的真实数据。

优选地，步骤s2中，动态水分吸附分析仪内的温度为20-25℃，相对湿度为0-98％。

优选地，步骤s2中质量变化记录的间隔时间与步骤s3中拍摄图像的间隔时间均为1min，试验人员可根据实验需求调整称重以及拍摄的时间间隔。步骤s3中，调节视频白光显微镜，使得拍摄得到的图片的像素为1280×960。

步骤s2具体包括：

用蒸馏水清洗拍照专用的石英托盘，确保石英托盘上没有杂质。然后将盛有早材、晚材或生长轮木材试样的石英托盘放入动态水分吸附仪的样品仓内。木材试样的重量为15-50mg，保证其横切面向下。试验人员可根据所需拍摄的对象来调整木材试样在石英托盘内的位置。

优选地，步骤s4之前，对步骤s3获得的图像进行降噪处理，图像的降噪处理具体包括：采用photoshop对图片的亮度、对比度、曝光度、rgb曲线和色阶进行调整，以增强测量区域的细节。

优选地，步骤s1中，采用autocad完成对绝干试样对应的图像进行标记点的确定，具体包括：

输入附着命令“-xrfe”，选择“附着a”，将降噪处理后的图像导入autocad。在木材试样生长轮的轮界线上找出4个细胞角隅，然后将木材试样的图像放大至像素块可见。

在所述细胞角隅内，在像素块出现明显颜色分界的位置做4个标记点，记录4个标记点的位置，通过命令“line”将4个标记点沿径向和弦向连成直线。通过命令“dimaligned”对4条直线进行长度测量和记录。采用上述标记点的确定方法，对干缩应变量以及湿胀应变量的测量精度可达0.01μm。

优选地，步骤s4中，对湿胀过程中的木材试样的图像进行标记点的确定，具体包括：

输入附着命令“-xrfe”，选择“附着a”，将降噪处理后的图像导入autocad。在木材试样生长轮的轮界线上找出4个细胞角隅，然后将木材试样的图像放大至像素块可见。

在所述细胞角隅内，在像素块出现的颜色分界特征与绝干试样标记点确定过程中的像素块颜色分界特征相同的位置做4个标记点，记录4个标记点的位置，通过命令“line”将4个标记点沿径向和弦向连成直线。通过命令“dimaligned”对4条直线进行长度测量和记录。

木材试样在任意时刻下湿胀率的计算公式为：

式中：

εrh为试样在任意相对湿度环境中径向/弦向的湿胀率，单位为％；

lrh为试样在某一相对湿度环境中任意时刻径向/弦向的尺寸，单位为μm；

l0为绝干试样径向或者弦向的尺寸，单位为μm。

优选地，步骤s6中，对干缩过程中的木材试样的图像进行标记点的确定，具体包括：

输入附着命令“-xrfe”，选择“附着a”，将降噪处理后的图像导入autocad。在木材试样生长轮的轮界线上找出4个细胞角隅，然后将木材试样的图像放大至像素块可见。

在所述细胞角隅内，在像素块出现的颜色分界特征与绝干试样标记点确定过程中的像素块颜色分界特征相同的位置做4个标记点，记录4个标记点的位置，通过命令“line”将4个标记点沿径向和弦向连成直线。通过命令“dimaligned”对4条直线进行长度测量和记录。

步骤s6中，干缩率的计算公式为：

式中：

εrh为试样在任意相对湿度环境中径向/弦向的干缩率，单位为％。

lrh为试样在某一相对湿度环境中任意时刻径向/弦向的尺寸，单位为μm。

l0为绝干试样径向或者弦向的尺寸，单位为μm。

优选地，步骤s4和步骤s6中，任意时刻下，木材试样的含水率的计算公式为：

mcrh为试样在任意相对湿度环境中的含水率，单位为％。

mrh为试样在任意相对湿度环境中达到的质量，单位为mg。

m0为绝干试样的质量，单位为mg。

实施例1

本实施例提供一种基于生长轮尺度的木材应变量测量方法，以探究楸木早材(ew)的含水率与湿胀应变量之间的关系，具体地，本实施例的测量方法包括如下步骤：

s1：将动态水分吸附分析仪内的温度设定为25℃，精确至0.1℃，相对湿度设定为0％rh，将楸木的早材试样放入动态水分吸附分析仪中，得到绝干试样，并采用视频白光显微镜对绝干试样进行图像拍摄。

s2：对步骤s1得到的绝干试样进行重量测量以及图像拍摄。对图像进行降噪处理，然后采用autocad完成对绝干试样图像标记点的确定。具体地，将降噪处理后的图像导入autocad，在早材试样生长轮的轮界线上找出4个细胞角隅，然后将早材试样的图像放大至像素块可见。在每个细胞角隅内，在像素块出现明显颜色分界的位置做4个标记点，记录4个标记点的位置，通过命令“line”将4个标记点沿径向和弦向连成直线。通过命令“dimaligned”对4条直线进行长度测量和记录。

s3：保持动态水分吸附分析仪内的温度，按照0-90％rh下的10个相对湿度阶段，将动态水分吸附分析仪内的相对湿度依次调节为0％rh、10％rh、20％rh、30％rh、40％rh、50％rh、60％rh、70％rh、80％rh、90％rh，每隔1min记录一次早材试样的重量，同时拍摄图像，对图像进行降噪以及标记点处理，按照对应公式计算得到各个时刻的含水率以及径向湿胀率和弦向湿胀率。

本实施例中，每个湿度阶段下取近100个测量点，绘制成图，并对楸木早材的含水率与径向湿胀率、含水率与弦向湿胀率分别进行线性回归分析，得到图2a-2j。

从图2a-2j可以看出，在10个相对湿度阶段下，楸木早材的含水率与径向湿胀率、弦向湿胀率均呈线性正相关关系。其中，在0％rh、10％rh、20％rh、30％rh、40％rh、50％rh、60％rh、70％rh、80％rh、90％rh下的10个相对湿度阶段，径向的决定系数分别为：0.991、0.998、0.994、0.993、0.990、0.987、0.989、0.989、0.981、0.987。弦向的决定系数分别为：0.996、0.998、0.998、0.994、0.993、0.990、0.993、0.993、0.992、0.995。

实施例2

本实施例提供一种基于生长轮尺度的木材应变量测量方法，以探究楸木晚材(lw)的含水率与湿胀应变量之间的关系，具体地，本实施例的测量方法与实施例1相同，区别在于木材试样选择楸木晚材。

本实施例中，每个湿度阶段下取近100个测量点，绘制成图，并对楸木晚材的含水率与径向湿胀率、含水率与弦向湿胀率分别进行线性回归分析，得到图3a-3j。

从图3a-3j可以看出，在10个相对湿度阶段下，楸木晚材的含水率与径向湿胀率、弦向湿胀率均呈线性正相关关系。其中，在0％rh、10％rh、20％rh、30％rh、40％rh、50％rh、60％rh、70％rh、80％rh、90％rh下的10个相对湿度阶段，径向的决定系数分别为：0.989、0.998、0.995、0.985、0.991、0.981、0.992、0.995、0.994、0.995。弦向的决定系数分别为：0.990、0.998、0.997、0.989、0.993、0.984、0.994、0.995、0.995、0.996。

实施例3

本实施例提供一种基于生长轮尺度的木材应变量测量方法，以探究楸木生长轮(elw)的含水率与湿胀应变量之间的关系，具体地，本实施例的测量方法与实施例1相同，区别在于木材试样选择楸木生长轮。

本实施例中，每个湿度阶段下取近100个测量点，绘制成图，并对楸木生长轮的含水率与径向湿胀率、含水率与弦向湿胀率分别进行线性回归分析，得到图4a-4j。

从图4a-4j可以看出，在10个相对湿度阶段下，楸木生长轮的含水率与径向湿胀率、弦向湿胀率均呈线性正相关关系。其中，在0％rh、10％rh、20％rh、30％rh、40％rh、50％rh、60％rh、70％rh、80％rh、90％rh下的10个相对湿度阶段，径向的决定系数分别为：0.981、0.997、0.994、0.987、0.982、0.986、0.984、0.993、0.993、0.996。弦向的决定系数分别为：0.989、0.998、0.997、0.994、0.990、0.991、0.989、0.993、0.993、0.996。

实施例4

本实施例提供一种基于生长轮尺度的木材应变量测量方法，以探究楸木早材的含水率与干缩应变量之间的关系，具体地，本实施例的测量方法包括如下步骤：

s1：将实施例1得到的含水量为90％rh的楸木试样放入动态水分吸附分析仪，保持动态水分吸附分析仪内的温度为25℃，记录该状态下楸木早材的重量，并采用视频白光显微镜对该状态下的试样进行图像拍摄。

s2：对步骤s1中初始的楸木试样的图像进行降噪处理，然后采用autocad对完成图像标记点的确定。具体地，将降噪处理后的图像导入autocad，在早材试样生长轮的轮界线上找出4个细胞角隅，然后将早材试样的图像放大至像素块可见。在每个细胞角隅内，在像素块出现明显颜色分界的位置做4个标记点，记录4个标记点的位置，通过命令“line”将4个标记点沿径向和弦向连成直线。通过命令“dimaligned”对4条直线进行长度测量和记录。

s3：保持动态水分吸附分析仪内的温度，按照90-0％rh下的10个相对湿度阶段，将动态水分吸附分析仪内的相对湿度依次调节为90％rh、80％rh、70％rh、60％rh、50％rh、40％rh、30％rh、20％rh、10％rh、0％rh，每隔1min记录一次早材试样的重量，同时拍摄图像，对图像进行降噪以及标记点处理，按照对应公式计算得到各个时刻的含水率以及径向干缩率和弦向干缩率。

本实施例中，每个湿度阶段下取近100个测量点，绘制成图，并对楸木早材的含水率与径向干缩率、含水率与弦向干缩率分别进行线性回归分析，得到图5a-5j。

从图5a-5j可以看出，在10个相对湿度阶段下，楸木早材的含水率与径向干缩率、弦向干缩率均呈线性正相关关系。其中，在90％rh、80％rh、70％rh、60％rh、50％rh、40％rh、30％rh、20％rh、10％rh、0％rh下的10个相对湿度阶段，径向的决定系数分别为：0.994、0.982、0.989、0.973、0.984、0.986、0.988、0.984、0.983、0.996。弦向的决定系数分别为：0.996、0.992、0.992、0.990、0.988、0.989、0.991、0.993、0.989、0.997。

实施例5

本实施例提供一种基于生长轮尺度的木材应变量测量方法，以探究楸木晚材的含水率与干缩应变量之间的关系，具体地，本实施例的测量方法与实施例4相同，区别在于木材试样选择楸木晚材。

本实施例中，每个湿度阶段下取近100个测量点，绘制成图，并对楸木晚材的含水率与径向干缩率、含水率与弦向干缩率分别进行线性回归分析，得到图6a-6j。

从图6a-6j可以看出，在10个相对湿度阶段下，楸木晚材的含水率与径向干缩率、弦向干缩率均呈线性正相关关系。其中，在90％rh、80％rh、70％rh、60％rh、50％rh、40％rh、30％rh、20％rh、10％rh、0％rh下的10个相对湿度阶段，径向的决定系数分别为：0.993、0.986、0.986、0.988、0.982、0.982、0.978、0.992、0.992、0.997。弦向的决定系数分别为：0.987、0.991、0.989、0.991、0.992、0.989、0.985、0.992、0.995、0.997。

实施例6

本实施例提供一种基于生长轮尺度的木材应变量测量方法，以探究楸木生长轮的含水率与干缩应变量之间的关系，具体地，本实施例的测量方法与实施例4相同，区别在于木材试样选择楸木生长轮。

本实施例中，每个湿度阶段下取近100个测量点，绘制成图，并对楸木生长轮的含水率与径向干缩率、含水率与弦向干缩率分别进行线性回归分析，得到图7a-7j。

从图7a-7j可以看出，在10个相对湿度阶段下，楸木晚材的含水率与径向干缩率、弦向干缩率均呈线性正相关关系。其中，在90％rh、80％rh、70％rh、60％rh、50％rh、40％rh、30％rh、20％rh、10％rh、0％rh下的10个相对湿度阶段，径向的决定系数分别为：0.982、0.987、0.990、0.993、0.985、0.982、0.977、0.973、0.991、0.998。弦向的决定系数分别为：0.992、0.984、0.991、0.994、0.979、0.988、0.985、0.979、0.993、0.999。

本发明实施例以楸木作为研究木材，但并不仅限于楸木，本领域技术人员可以对任意木材进行探究木材的含水率与径向、弦向干缩/湿胀率之间的关系，研究其是否存在滞后现象及其变化规律，并探讨其影响因子，进而合理高效地利用木材。

以上实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定，本领域技术人员在权利要求的范围内做出各种变形或修改，均属于本发明的实质内容。