一種木材形變微觀結構特征實時測量方法技術

本發明專利技術公開了一種木材形變微觀結構特征實時測量方法，包括如下步驟：１）對待檢測木材進行加載；２）在加載過程中通過顯微單元放大待測區域；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算出在每個圖像采集時刻加載表面每個細胞的Ｘ軸長度Ｘ↓［０］～Ｘ↓［ｎ］、Ｙ軸長度Ｙ↓［０］～Ｙ↓［ｎ］；４）根據每個細胞變形前的Ｘ軸長度Ｘ↓［０］和Ｙ軸長度Ｙ↓［０］、及細胞變形后的Ｘ軸長度Ｘ↓［ｎ］和Ｙ軸長度Ｙ↓［ｎ］計算單個細胞在Ｘ軸和Ｙ軸的壓或拉應變ε↓［ｘｎ］和ε↓［ｙｎ］，ε↓［ｘｎ］＝（Ｘ↓［ｎ］－Ｘ↓［０］）／Ｘ↓［ｎ］，ε↓［ｙｎ］＝（Ｙ↓［ｎ］－Ｙ↓［０］）／Ｙ↓［ｎ］；５）將通過顯微單元放大的待測區域內所有單個細胞在Ｘ軸和Ｙ軸的壓和拉應變ε↓［ｘｎ］和ε↓［ｙｎ］，取平均值得到表征木材整體在Ｘ軸和Ｙ軸的壓和拉應變ε↓［ｘ］和ε↓［ｙ］。本發明專利技術能夠對微區組織和細胞應變進行測量，實現微區變形量化；能夠對微區缺陷進行監控。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種木材及木質復合材料壓縮或拉伸等力學強度性能與形 變微觀結構特征實時測量方法。
技術介紹
木材及木質復合材料在生產加工和使用過程中，不可避免的會遇到壓縮 或拉伸等力學行為，對于材料的力學性能檢測是保證后續產品質量及其合理 使用的關鍵，但該力學行為對材料或產品的性能及微觀結構影響以及微觀結 構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性能檢測為主。這種檢測手段具有諸多缺陷和缺點1、 僅以宏觀力學行為來判斷木質材料的性能，是對材料本身性能掌握 的不足；2、 僅能了解材料力學行為的結果，而不知形成該力學行為的原因；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、 檢測過程得到的應變是材料整體的平均應變，體現不出材料不同組 織結構的應變情況；不能反應木材各部分結構與整體應力、應變之間的關系；5、 對于木材這種具有各項異性的不均質材料，得到的應變結果單一， 不能真實反映木材各組織結構的應力應變結果；6、 檢測結束后，不能及時得到被測材料的回彈情況，不能分析被測材 泮+的殘余應力。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是提供，能夠在線實時測量材料變形的微觀結構特征和力學性能。為了解決上述問題，本專利技術提供了 一種木材形變微觀結構特征實時測量方法，包4舌如下步驟1 )對待檢測木材進行加載；2) 在加載過程中通過顯微單元放大待測區域；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算出在每 個圖像采集時刻加載表面每個細胞的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據；4 )根據每個細胞變形前的x軸長度X。和y軸長度r。、及細胞變形后的 x軸長度^和y軸長度K計算單個細胞在x軸和y軸的壓或拉應變& 和 ^， ^=(U0)/z , ^u)/;r", " = 1,2,3……")；5 )將通過顯微單元放大的待測區域內所有單個細胞在x軸和y軸的壓 或拉應變^和 ，取平均值得到^和^，代表被測對象在x軸和y軸上整1 1體的壓或拉應變，(w-l,2，…,")，——("=1，2,.."")。優選地，在所述圖像處理單元計算中，還包括如下步驟3.1 )計算出在每個圖像采集時刻加載表面各類實體細胞胞壁的組織比 量4 (,' = 0,1,2,...,/)，作為加載過程中被測材料的形變情況數據；4.1 )根據細胞變形前的組織比量^和變形后的組織比量4計算被測對 象的整體應變^， ^=(4-4)/4。優選地，在拉伸或壓縮等力學行為結束后，還包括如下步驟5) 通過所述圖像采集單元連續拍攝被測木材至該被測木材變形回彈完 全停止狀態；6) 所述圖像處理單元計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"代表測試剛結束的時刻。優選地，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。優選地，所述加載包括拉伸、壓縮、彎曲、扭轉或剪切。 本專利技術具有如下優點1、 本專利技術將連續的力學測試過程與木材動態的結構變化相結合，能夠 實時反映木材或木質復合材料力學性能和微觀結構特征變化之間的關系。2、 本專利技術將力學加載過程、材料性能數據結果、微觀結構變化圖像與 時間數據點之間完全同步，任意二者之間可建立二維關系，并達到了真正的 實時"監"和"測"。3、 本專利技術能夠對微區的組織和細胞應變進行測量，實現微區變形量化； 能夠對微區缺陷進行監控。4、 本專利技術能夠測試木材或木質復合材料力學性能和微觀結構變化之間 的關系，同時能夠量化力學加載過程后材料的變形回彈情況。5、 本專利技術將動態力學測試延伸到低溫或高溫范疇內，能夠建立起溫度 與力學性能和微觀結構變化之間的關系。6、 本專利技術將動態力學測試延伸到含水率變化范疇內，能夠建立起含水 率與力學性能和微觀結構變化之間的關系。7、 本專利技術采用了自動調焦系統，能夠有效提高圖像采集精度，縮短圖 像采集間隔。8、 本專利技術可實現電腦全自動化運行，避免人為控制和各系統分開控制 所易造成的誤差。9、 本專利技術所得到的應力-應變曲線和微尺度變形機理能夠抓住木質材 料和木質復合材料延展性及強度的關鍵。10、 本專利技術的適用范圍廣，壓縮或拉伸等力學加載載荷范圍寬，適合于 各種類型/形狀和尺寸的樣品進行研究，包括實木材料、木質復合材料、其 他木材衍生產品等。附圖說明6圖1為本專利技術結構示意圖2為本專利技術被測木材的示意圖。具體實施例方式如圖l所示，本專利技術包括加載單元l、控溫箱3、傳感器4、計算機5 (即圖像處理單元)、光學顯微鏡6、數碼相機7和攝像機8。加載單元1 用于被測木材2進行壓縮、拉伸、或彎曲、剪切、扭轉等力學行為。控溫箱 3與拉壓單元1和計算機5相連，用于控制待檢木材的溫度(理論范疇 -140 600°C)。光學顯微鏡6與數碼相機7、攝像機8和計算機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中的進尺系統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13相連，測量載荷值(壓力或拉力等)； 一套 與導熱部件(如導熱壓塊或拉伸夾等)11相連，用于控溫箱控制被測木材2 的溫度。數碼相機7和攝像機8均與計算機5相連，用于應力和形變圖像的 數據采集。計算機5用于接收進尺系統12、力學控制系統13、數碼相機7 和攝像機8的檢測數據和圖像數據，并根據位移數據結果通過軟件計算得到 所述被測木材的應變信息和回彈量，同時得到應力應變曲線及被測木材實時 微觀結構變化結果。如圖l所示，光學顯微鏡6可以為普通光三目生物顯微鏡，由聚光照明 系統61、目鏡62、物4竟63、載物臺64和調焦才幾構組成，并與數碼相才幾7 和攝像機8相連，用于受力木材表面形變圖像的采集；其中，調焦機構為自 動對焦系統65,設置在光學顯微鏡上， 一端連接計算機5，用于控制光學顯 微鏡物鏡63的焦點調節，由計算機5控制調焦的間隔時間。如圖1所示，加載單元1由導熱部件11、進尺系統12、載荷控制系統 13、冷卻系統14組成，用于對待檢木材2進行壓縮、拉伸或彎曲等力學行 為；其中，冷卻系統14分為水冷和氮冷兩套，水冷用于加載單元中導熱部 件11和載荷控制系統13由高溫冷卻到室溫狀態，氮冷用于加載單元中導熱 部件ll由室溫降到低溫的狀態，從而控制被測材料的溫度。本專利技術由于采用自動對焦系統65實時自動調節光學顯微鏡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 明由于采用攝像機8,能夠實時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算機5計算出受力后任意時刻被測材料的 回彈量和回彈率。本專利技術中，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)，輸入到計算機5中，作為該被測材料的原始數據；2 )將被測材料2放置于加載單元1上，在計算機5中設定最大受力(壓 縮或拉伸等)載本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種木材形變微觀結構特征實時測量方法，其特征在于，包括如下步驟：　１）對待檢測木材進行加載；　２）在加載過程中通過顯微單元放大待測區域；　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算出在每個圖像采集時刻加載表面 每個細胞的Ｘ軸長度Ｘ↓［０］～Ｘ↓［ｎ］、Ｙ軸長度Ｙ↓［０］～Ｙ↓［ｎ］，作為力學測試過程中被測材料的形變情況數據；　４）根據每個單個細胞變形前的Ｘ軸長度Ｘ↓［０］和Ｙ軸長度Ｙ↓［０］、及細胞變形后的Ｘ軸長度Ｘ↓［ｎ］和Ｙ軸長度Ｙ↓［ ｎ］計算單個細胞在Ｘ軸和Ｙ軸的壓或拉應變ε↓［ｘｎ］和ε↓［ｙｎ］，ε↓［ｘｎ］＝（Ｘ↓［ｎ］－Ｘ↓［０］）／Ｘ↓［ｎ］，ε↓［ｙｎ］＝（Ｙ↓［ｎ］－Ｙ↓［０］）／Ｙ↓［ｎ］，（ｎ＝１，２，３……ｎ）；　５）將通過顯微單元放大的待測區 域內所有單個細胞在Ｘ軸和Ｙ軸的壓或拉應變ε↓［ｘｎ］和ε↓［ｙｎ］，取平均值得到ε↓［ｘ］和ε↓［ｙ］，代表被測對象在Ｘ軸和Ｙ軸上整體的壓或拉應變，ε↓［ｘ］＝＊ε↓［ｘｎ］／ｎ（ｎ＝１，２，…，ｎ），ε↓［ｙ］＝＊ε↓［ｙｎ］／ｎ（ｎ＝１，２，…，ｎ）。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：殷亞方，劉波，姜笑梅，羅彬，邊明明，宋坤霖，閻昊鵬，
申請(專利權)人：中國林業科學研究院木材工業研究所，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]