摘要—利用熱紅外成像儀和紅外燈對具有孔洞、裂紋或節疤缺陷的云杉和肋狀白樺方材樣品進行了測試。每個樣品只含有三種缺陷中的一種。云杉樣品共有5個，其中兩個樣品中間有孔洞，一個兩側有孔洞，另外兩個樣品分別有裂紋和節疤。肋狀白樺樣品共有3個，其中一個中間有孔洞，另外兩個樣品分別有裂紋和節疤。通過對比實驗結果可以發現，紅外熱像儀能(neng)(neng)夠正(zheng)確(que)并(bing)清晰(xi)地(di)(di)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)出云(yun)杉和(he)(he)(he)肋(lei)狀白(bai)(bai)樺樣品中間的(de)(de)(de)(de)孔洞、裂(lie)紋及節(jie)疤，但無(wu)法區(qu)分具(ju)體的(de)(de)(de)(de)缺陷(xian)(xian)(xian)類型。它(ta)不(bu)能(neng)(neng)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)出云(yun)杉樣品側面的(de)(de)(de)(de)孔洞。孔洞和(he)(he)(he)節(jie)疤區(qu)域(yu)的(de)(de)(de)(de)溫度較低，而節(jie)疤區(qu)域(yu)的(de)(de)(de)(de)溫度較高。為了正(zheng)確(que)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)缺陷(xian)(xian)(xian)，需(xu)要不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)測(ce)(ce)試(shi)條件。對于云(yun)杉和(he)(he)(he)肋(lei)狀白(bai)(bai)樺樣品中間的(de)(de)(de)(de)孔洞，只(zhi)有通過(guo)雙向(xiang)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)模(mo)型才(cai)能(neng)(neng)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)到(dao)(dao)，而裂(lie)紋只(zhi)能(neng)(neng)通過(guo)單向(xiang)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)模(mo)型檢(jian)(jian)測(ce)(ce)到(dao)(dao)。云(yun)杉樣品的(de)(de)(de)(de)節(jie)疤僅能(neng)(neng)通過(guo)單向(xiang)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)模(mo)型檢(jian)(jian)測(ce)(ce)到(dao)(dao)。肋(lei)狀白(bai)(bai)樺樣品的(de)(de)(de)(de)節(jie)疤可(ke)以(yi)通過(guo)單向(xiang)和(he)(he)(he)雙向(xiang)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)模(mo)型檢(jian)(jian)測(ce)(ce)到(dao)(dao)。在較高的(de)(de)(de)(de)含水量下，缺陷(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)大小和(he)(he)(he)位置可(ke)以(yi)更準(zhun)確(que)地(di)(di)確(que)定，盡管紅外燈加(jia)熱的(de)(de)(de)(de)時間會更長。

森林(lin)(lin)資源(yuan)的短缺正越(yue)來越(yue)受到全球林(lin)(lin)業(ye)工作者的關注。如何(he)最大限度地利用森林(lin)(lin)資源(yuan)正成為(wei)一(yi)個共同(tong)關心的問題。在此背景下，木材(cai)(cai)的無損(sun)檢測(ce)技(ji)術(shu)蓬(peng)勃發展起來，因為(wei)它可(ke)(ke)(ke)以在不破壞木材(cai)(cai)的情況下檢測(ce)其(qi)缺陷，從而更好地利用木材(cai)(cai)。紅外(wai)(wai)熱(re)成像(xiang)(xiang)技(ji)術(shu)自20世紀60年代發展起來。任何(he)溫度高(gao)于絕(jue)對零度的物體都會輻射紅外(wai)(wai)線(xian)。紅外(wai)(wai)熱(re)成像(xiang)(xiang)技(ji)術(shu)就是一(yi)種能夠探測(ce)這(zhe)些紅外(wai)(wai)線(xian)并將其(qi)轉化為(wei)可(ke)(ke)(ke)見圖像(xiang)(xiang)的技(ji)術(shu)[1-6]。通過圖像(xiang)(xiang)上(shang)的差異可(ke)(ke)(ke)以辨別出(chu)缺陷。這(zhe)項技(ji)術(shu)已經被廣泛應(ying)用于醫學(xue)、遙感以及工業(ye)缺陷檢測(ce)等領域。本研究使(shi)用熱(re)紅外(wai)(wai)成像(xiang)(xiang)儀和紅外(wai)(wai)燈來調查具有孔洞、裂紋或節疤缺陷的云杉和肋狀白樺方材(cai)(cai)樣品，以尋找最佳的測(ce)試條(tiao)件。[7-11].

I. 材料、儀器與方法

樣(yang)(yang)(yang)(yang)品(pin)來自(zi)東方(fang)紅林場的(de)原木加(jia)工(gong)，尺寸被(bei)加(jia)工(gong)成(cheng) 30×30×200 毫(hao)米(mi)的(de)方(fang)材。云(yun)杉原木被(bei)制成(cheng)了 5 個(ge)樣(yang)(yang)(yang)(yang)品(pin)，每(mei)個(ge)樣(yang)(yang)(yang)(yang)品(pin)只有(you)一種缺陷(xian)(xian)，即(ji)孔(kong)(kong)洞、裂紋或節疤之一。孔(kong)(kong)洞缺陷(xian)(xian)分為樣(yang)(yang)(yang)(yang)品(pin)中(zhong)間(jian)的(de)孔(kong)(kong)洞和樣(yang)(yang)(yang)(yang)品(pin)兩(liang)側(ce)的(de)孔(kong)(kong)洞。兩(liang)個(ge)云(yun)杉樣(yang)(yang)(yang)(yang)品(pin)在中(zhong)間(jian)有(you)孔(kong)(kong)洞，其(qi)余三(san)個(ge)樣(yang)(yang)(yang)(yang)品(pin)分別具有(you)其(qi)他(ta)三(san)種缺陷(xian)(xian)。孔(kong)(kong)洞的(de)直徑為 18 毫(hao)米(mi)。肋狀白樺樣(yang)(yang)(yang)(yang)品(pin)共(gong)有(you)三(san)個(ge)，每(mei)個(ge)樣(yang)(yang)(yang)(yang)品(pin)具有(you)一種缺陷(xian)(xian)，分別是中(zhong)間(jian)的(de)孔(kong)(kong)洞、裂紋和節疤。中(zhong)間(jian)有(you)孔(kong)(kong)洞的(de)一個(ge)云(yun)杉樣(yang)(yang)(yang)(yang)品(pin)標記(ji)為 A。所使用的(de)儀(yi)器包(bao)括 熱(re)紅外成(cheng)像(xiang)儀(yi)和紅外燈。實驗步驟如下：

(1) 對樣品 A 使用單向(xiang)和雙向(xiang)檢測(ce)(ce)模(mo)型(xing)進行(xing)測(ce)(ce)試，樣品與紅外熱像儀之間的(de)距離(li)包括 20 厘米和 100 厘米，以找出(chu)更好的(de)檢測(ce)(ce)方法(fa)和加熱距離(li)；

(2) 首先(xian)對另外 7 個樣(yang)品(pin)中(zhong)的一個進行含水率測(ce)試，方法是在每(mei)次檢(jian)測(ce)缺陷前稱(cheng)量(liang)樣(yang)品(pin)的質量(liang)，完成(cheng)實驗后將樣(yang)品(pin)放入烘箱烘干再重新稱(cheng)量(liang)。實驗前后的樣(yang)品(pin)質量(liang)分別記為 G 和 G0，因此(ci)相對含水率計算公式為 w = (G – G0) / G；

(3) 在稱重(zhong)后，使用(yong)紅外燈對樣品(pin)進(jin)行加熱(re)(re)，加熱(re)(re)模(mo)型和距離與步驟 (1) 中確定的(de)相同(tong)(tong)。在不(bu)(bu)同(tong)(tong)加熱(re)(re)時段(duan)使用(yong)熱(re)(re)紅外成(cheng)像(xiang)儀對樣品(pin)進(jin)行紅外成(cheng)像(xiang)，并按序(xu)號保存這些圖像(xiang)。通過比較不(bu)(bu)同(tong)(tong)時間(jian)(jian)段(duan)拍攝的(de)圖像(xiang)，找到能夠最(zui)準確區分樣品(pin)缺陷的(de)圖像(xiang)，從而獲得最(zui)佳加熱(re)(re)時間(jian)(jian)；

(4) 使用步驟(zou) (3) 中描述(shu)的方法(fa)，在烘箱烘干后檢測完全干燥(zao)的樣品；

(5) 對其他樣(yang)品重復步(bu)驟 (2)-(4)，直到所有樣(yang)品都被檢測完畢，并確定不同樹種和缺陷的最佳測試條件(jian)。

II. 實驗結果與分析

A. 確定加熱模型和距離

有兩種檢(jian)測(ce)模(mo)(mo)(mo)型：單(dan)向(xiang)和(he)(he)雙(shuang)(shuang)向(xiang)。單(dan)向(xiang)是指在(zai)樣品(pin)的(de)同一側(ce)進行加(jia)(jia)熱(re)和(he)(he)紅外成(cheng)(cheng)像。雙(shuang)(shuang)向(xiang)則(ze)是相(xiang)反的(de)情況，加(jia)(jia)熱(re)和(he)(he)成(cheng)(cheng)像發生在(zai)樣品(pin)的(de)不同側(ce)。樣品(pin) A 使用了(le)單(dan)向(xiang)和(he)(he)雙(shuang)(shuang)向(xiang)模(mo)(mo)(mo)型進行測(ce)試(shi)，距(ju)離(li)包括(kuo) 20 厘(li)(li)米(mi)(mi)和(he)(he) 100 厘(li)(li)米(mi)(mi)，分別(bie)代表(biao)短距(ju)離(li)和(he)(he)長距(ju)離(li)。結果表(biao)明，當檢(jian)測(ce)模(mo)(mo)(mo)型為雙(shuang)(shuang)向(xiang)且加(jia)(jia)熱(re)距(ju)離(li)為 20 厘(li)(li)米(mi)(mi)時(shi)，可以在(zai)圖像上(shang)確定孔洞的(de)位置和(he)(he)大小，缺(que)(que)(que)陷區域比其他(ta)區域顏(yan)色更深。在(zai)其他(ta)測(ce)試(shi)條件下，缺(que)(que)(que)陷無法被識別(bie)。因此，對于其他(ta) 7 個樣品(pin)選擇(ze)的(de)加(jia)(jia)熱(re)距(ju)離(li)為 20 厘(li)(li)米(mi)(mi)，并且對于所有具有孔洞缺(que)(que)(que)陷的(de)樣品(pin)特別(bie)選擇(ze)了(le)雙(shuang)(shuang)向(xiang)檢(jian)測(ce)模(mo)(mo)(mo)型。

B. 云杉樣品的結果

1) 具有中間孔洞樣品的結(jie)果(guo)

在(zai)(zai)不同的(de)含水率（MC）下加(jia)(jia)熱樣品(pin)，并在(zai)(zai)不同時間(jian)(jian)段內對其(qi)進(jin)行紅(hong)外成(cheng)像，然(ran)后找(zhao)到能夠顯(xian)示(shi)缺陷（孔(kong)洞）形狀和位置的(de)圖像，該(gai)圖像對應的(de)加(jia)(jia)熱時間(jian)(jian)被稱(cheng)為最(zui)佳加(jia)(jia)熱時間(jian)(jian)。

a）單向

b）雙向

圖1. 樣品A在雙向(xiang)和單向(xiang)加(jia)熱模(mo)型下的紅外圖像(xiang)

表1 和圖(tu)2 展(zhan)示了具有(you)中間(jian)孔(kong)洞的云杉(shan)樣(yang)品的結果。

從圖(tu)(tu)2的(de)(de)數據可以得出(chu)，隨著相對(dui)含(han)水率的(de)(de)降低，最佳(jia)加熱時間(jian)(jian)縮短。在(zai)不同相對(dui)含(han)水率下的(de)(de)最佳(jia)圖(tu)(tu)像中，相對(dui)含(han)水率為(wei)0.53時的(de)(de)圖(tu)(tu)像能夠最準確地區分中間(jian)(jian)的(de)(de)孔洞。完全干燥(zao)樣品的(de)(de)圖(tu)(tu)像效果最差。

圖像效果

圖2. 具有(you)中(zhong)間孔洞的云杉樣(yang)品在不同含水率下的最佳紅外圖像

熱成像圖像效果

區分缺陷的能力隨著含水率（MC 表(biao)示 moisture content，即(ji)含水率）的降低(di)而(er)下(xia)降。

2) 具(ju)有兩側孔洞樣品的結果

具有兩側(ce)孔洞(dong)(dong)樣品的結果如表(biao)2和圖(tu)3所(suo)示。與上(shang)(shang)述情(qing)況相(xiang)比，在每種含(han)水率(lv)下顯然都無法準確顯示兩側(ce)的孔洞(dong)(dong)。當樣品的含(han)水率(lv)較高，例如為(wei)0.62和0.58時(shi)，可以在圖(tu)像上(shang)(shang)看到某一側(ce)的孔洞(dong)(dong)。

3) 具有裂紋樣品的結果

使用單向(xiang)和雙向(xiang)檢測(ce)模型對具有(you)(you)裂(lie)紋的(de)云杉樣(yang)品(pin)進行了(le)測(ce)試(shi)。結果顯(xian)(xian)示，只(zhi)有(you)(you)單向(xiang)檢測(ce)模型能夠檢測(ce)到樣(yang)品(pin)的(de)裂(lie)紋缺陷(xian)。在不同(tong)含水率下拍攝的(de)最佳圖(tu)像之間沒有(you)(you)顯(xian)(xian)著差異(yi)，所有(you)(you)圖(tu)像都能夠顯(xian)(xian)示出樣(yang)品(pin)中的(de)裂(lie)紋。

4) 具有節疤(ba)樣品的(de)結(jie)果

具有(you)節(jie)疤樣品的結(jie)果如表4和圖5所示。單向(xiang)和雙向(xiang)

熱成像對比圖2

圖4. 具有裂紋的(de)云杉(shan)樣(yang)品在不同含水率(lv)下的(de)最(zui)佳紅(hong)外圖像

當(dang)含水(shui)率為0.30時，無論是單向(xiang)還是雙向(xiang)加熱模型都無法(fa)檢測到(dao)(dao)樣品中的節疤(ba)。對于其他含水(shui)率，雙向(xiang)檢測模型能夠檢測到(dao)(dao)節疤(ba)，但單向(xiang)模型仍然無法(fa)檢測到(dao)(dao)。

C. 肋狀(zhuang)白樺樣品的(de)結果

1. 具有中間孔洞樣品的結果

白樺樣品的結果

明圖5展示的是在不同(tong)含水率條件下(xia)，能夠最(zui)清晰(xi)地顯示云杉樣(yang)品中節疤缺(que)陷的最(zui)佳(jia)紅(hong)外圖像。

紅外熱像儀看出(chu)不同(tong)含(han)水率

c)Absolutely dry

圖6. 具(ju)有中間孔洞(dong)的肋狀白樺樣品在不同含(han)水率下的最佳紅外圖像

這句話表示(shi)(shi)圖6展示(shi)(shi)的是在不同含水率(lv)（MT 應為 Moisture Content，即 MC）條(tiao)件(jian)下(xia)，能夠最清晰地顯示(shi)(shi)肋(lei)狀白(bai)樺樣品中間孔洞缺(que)陷的最佳紅外圖像。

最(zui)佳紅外圖像(xiang)、最(zui)佳加(jia)熱(re)時(shi)(shi)間(jian)和樣(yang)品的(de)(de)含水(shui)率(lv)（MC）如表5和圖6所示(shi)。從前述實(shi)驗(yan)(yan)中可以(yi)觀察到，單向(xiang)加(jia)熱(re)模型無法檢測(ce)(ce)到孔洞，這一(yi)點與云杉樣(yang)品一(yi)致(zhi)，所以(yi)在隨(sui)后的(de)(de)實(shi)驗(yan)(yan)中，僅(jin)使用了雙(shuang)向(xiang)檢測(ce)(ce)模型。除含水(shui)率(lv)（MC）為0.19外，在不同含水(shui)率(lv)下(xia)的(de)(de)最(zui)佳紅外圖像(xiang)能夠正確(que)顯示(shi)中間(jian)的(de)(de)孔洞。隨(sui)著含水(shui)率(lv)的(de)(de)降(jiang)低(di)，最(zui)佳加(jia)熱(re)時(shi)(shi)間(jian)也隨(sui)之(zhi)縮(suo)短(duan)。總的(de)(de)來說，肋狀白樺(hua)樣(yang)品的(de)(de)最(zui)佳加(jia)熱(re)時(shi)(shi)間(jian)比云杉樣(yang)品要(yao)短(duan)，這是由(you)于(yu)其(qi)含水(shui)率(lv)較低(di)所致(zhi)。

2) 具(ju)有裂紋樣品(pin)的結果

單向檢測(ce)模型能夠檢測(ce)到肋狀(zhuang)白樺樣品中(zhong)的裂紋，而雙向模型則不能。樣品的含(han)水率（MC）和部(bu)分最佳紅外圖(tu)像如表6和圖(tu)7所示。

紅外熱像儀具有裂(lie)紋樣(yang)品

圖7. 具有裂紋(wen)的肋狀白(bai)樺(hua)樣品在不同(tong)含(han)水率下的最佳紅外圖像(xiang)

這句話表示(shi)圖7展(zhan)示(shi)的是在不同(tong)含水率（MT 應為 Moisture Content，即 MC）條件下，能(neng)夠(gou)最清晰(xi)地顯(xian)示(shi)肋狀白樺(hua)樣(yang)品中裂紋(wen)缺陷的最佳紅(hong)外圖像(xiang)。

具(ju)有缺陷的肋(lei)狀(zhuang)白樺樣品在不同含水(shui)率下的最(zui)佳紅外圖像

圖8. 具(ju)有缺陷的(de)肋狀白樺(hua)樣品在不同含水(shui)率下(xia)的(de)最佳(jia)紅外圖像

3) 具有節(jie)疤樣品的(de)結(jie)果(guo)

部分最佳(jia)紅外圖像、最佳(jia)加熱時間和(he)樣品的(de)含水(shui)率(lv)（MC）如(ru)表7和(he)圖8所示。單(dan)向和(he)雙向檢測模型(xing)均能(neng)夠檢測到樣品中的(de)節疤(ba)。

III. 結論

紅外熱像儀能夠正確(que)并清晰地檢測(ce)(ce)(ce)出云杉(shan)和(he)肋狀白樺(hua)(hua)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)中間(jian)的(de)(de)孔(kong)洞、裂紋及節(jie)(jie)(jie)疤，但無(wu)法區(qu)分缺陷的(de)(de)具體類型。它不(bu)(bu)能檢測(ce)(ce)(ce)出云杉(shan)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)兩側的(de)(de)孔(kong)洞。孔(kong)洞和(he)節(jie)(jie)(jie)疤區(qu)域的(de)(de)溫度(du)較低，而節(jie)(jie)(jie)疤區(qu)域的(de)(de)溫度(du)較高。為了正確(que)檢測(ce)(ce)(ce)不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)缺陷，需要不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)測(ce)(ce)(ce)試條(tiao)件(jian)。對于云杉(shan)和(he)肋狀白樺(hua)(hua)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)中間(jian)的(de)(de)孔(kong)洞，只有通過(guo)(guo)雙向(xiang)檢測(ce)(ce)(ce)模(mo)(mo)(mo)型才能檢測(ce)(ce)(ce)到，而裂紋只能通過(guo)(guo)單向(xiang)檢測(ce)(ce)(ce)模(mo)(mo)(mo)型檢測(ce)(ce)(ce)到。云杉(shan)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)的(de)(de)節(jie)(jie)(jie)疤僅能通過(guo)(guo)單向(xiang)檢測(ce)(ce)(ce)模(mo)(mo)(mo)型檢測(ce)(ce)(ce)到。肋狀白樺(hua)(hua)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)的(de)(de)節(jie)(jie)(jie)疤可以通過(guo)(guo)單向(xiang)和(he)雙向(xiang)檢測(ce)(ce)(ce)模(mo)(mo)(mo)型檢測(ce)(ce)(ce)到。雖然紅外燈的(de)(de)加(jia)熱時間(jian)會(hui)更長，但在較高含水量(liang)的(de)(de)情況下(xia)，缺陷的(de)(de)大小和(he)位置可以更準(zhun)確(que)地確(que)定。