一种木材干缩/湿胀行为测定方法及设备

技术领域

本发明涉及木材测量技术领域，具体涉及一种木材干缩/湿胀行为测定方法及设备。

背景技术

木材干缩和湿胀的现象对木材利用有很大的影响，干缩对木材利用的影响主要是引起木制品尺寸收缩而产生的缝隙、翘曲变形与开裂；湿胀不仅增大木制品的尺寸发生地板隆起、门与窗关不上，而且还会降低木材绝大多数的力学性质(抗拉强度除外)。

目前，利用动态水分吸附分析仪联用视频白光显微镜测定木材干缩/湿胀行为的做法：将试样的待测面经切片机平滑处理后放在底部透明的石英托盘上，利用安装在石英托盘正下方的视频白光显微镜对石英托盘的底部进行拍摄，记录试样待测面在水分解吸/吸着过程中的数字图像，使用软件对数字图像进行处理，即可获得试样待测面的干缩/湿胀变化量。

在细胞尺度上进行干缩/湿胀尺寸变化量测定的普遍做法是：将对照组试样放在环境室内进行调湿，确定不同相对湿度条件下达到平衡含水率所需的时间；再将待测试样放入环境扫描电子显微镜或共聚焦激光扫描显微镜的环境室中，根据对照试验组中得到的含水率平衡时间进行调湿；最后对不同平衡含水率水平下的木材试样进行拍摄，通过图像分析，获得干缩/湿胀尺寸变化量。

上述两种做法存在的弊端是：试样的待测面与石英托盘底部直接贴合，阻碍了气态水分子自由接触该切面，从而会对获取干缩/湿胀变化量数据的同步性和准确性造成一定的影响；木材是非均质、各向异性材料，因此无法在实验过程中精确判断木材试样的含水率是否达到平衡状态，只能通过对照试验得到的时间进行估测；只能测定含水率平衡态下的试样干缩/湿胀变化量，无法获得水分解吸/吸着过程中的试样干缩/湿胀变化量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种木材干缩/湿胀行为测定方法，另外，还提供一种用于上述测定方法的木材干缩/湿胀行为测定的设备。

(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：

一种木材干缩/湿胀行为测定方法，包括如下步骤：

S1：制备木材的待测试样，并将试样的待测面经切片机平滑处理；

S2：使用蒸馏水清洁放置待测试样的石英托盘，将垫块放在清洁过的石英托盘中间位置；

S3：将步骤S1中得到的待测试样放在垫块上，然后将石英托盘放入样品仓内，盖上盖体，调节样品仓到恒定的温度和相对湿度，直到待测试样达到含水率平衡态；

S4：设定与动态水分吸附分析仪联用的视频白光显微镜，保持固定时间间隔，对待测试样待测面连续拍照；

S5：对S4获得的图像进行分析处理；

S6：将步骤S5获得的图像导入图像处理软件中进行测定，获得待测试样在水分解吸/吸着过程中的尺寸变化，最终获得待测试样的干缩/湿胀变化量。

上述木材干缩/湿胀行为测定方法，通过动态水分吸附分析仪配合视频白光显微镜使用，固定时间间隔进行拍照，通过图像处理软件对获得的图像进行处理，可以在细胞尺度原位、实时获得不同平衡含水率下干缩/湿胀尺寸变化量数据；

如上所述的测定方法，优选的，步骤S3中，所述样品仓内的温度为5～50℃，相对湿度为0～98％。

所述样品仓内的温度及相对湿度均为可调节状态，在实验时，可根据需要调节不同的温度及湿度来测试不同条件下待测试样的干缩/湿胀尺寸变化量，本仪器可测试的相对湿度范围为0～98％，一般仪器最高可做到90％，本方法可更全面的获取待测试样在不同相对湿度条件下的干缩/湿胀变化量数据。

如上所述的测定方法，优选的，步骤S4中，使用视频白光显微镜拍摄图像的像素为1280×960，视频白光显微镜的拍照间隔时间可根据实验人员的需求进行调整，分别为20s、1min或2min。

视频白光显微镜的拍照间隔可进行调节，实验人员可根据实验需求进行调整。

如上所述的测定方法，优选的，所述步骤S5中对S4获得的图像进行分析处理，具体包括：对图片的亮度、对比度、曝光度、色调曲线和色阶进行调整，增强测量区域的细节。

如上所述的测定方法，优选的，步骤S6包括：

S61：将处理过的图片导入图像处理软件，首先打开图像处理软件，选择“文件—打开”，导入图片，选择“分析—设定比例”对比例尺进行换算校准；

S62：选择“图像—类型—8位”对图片的格式进行修改，使其变为灰阶图片，选择“图像—调整—阈值”使用阈值法对图片进行处理；

S63：使用图像处理软件中的“魔棒工具”对想要测定的导管腔面积进行选定，选择“分析—测量”即可对选定的导管腔进行面积测量和记录。

如上所述的测定方法，优选的，木材湿胀尺寸变化量计算公式：

△S

式中：

△S

S

S

木材干缩尺寸变化量计算公式：

△S

式中：

△S

S

S

本发明还提供一种用于上述测定方法的木材干缩/湿胀行为测定设备，包括：

动态水分吸附分析仪、视频白光显微镜；

所述动态水分吸附分析仪包括样品仓、气体流量控制器；

所述样品仓位于气体流量控制器的上部，所述样品仓顶部设有盖体；

所述视频白光显微镜位于动态水分吸附分析仪的下部，与动态水分吸附分析仪电连接；

还包括石英托盘及垫块；

所述石英托盘为待测试样的承载平台，石英托盘底部透明，石英托盘的外边缘对称固定设置有两个支撑杆，两个支撑杆向上部延伸交叉于一点形成支架，两个支撑杆之间还固定设置有水平横杆；

所述垫块由橡胶材料制成，放置在石英托盘上部。

通过在石英托盘上加装垫块，可保证垫块将待测试样支撑起来，使待测试样的待测面能第一时间与样品仓内的气态水分子自由充分地接触。

优选的，所述石英托盘的内径为17mm、外径为19mm，所述石英托盘支架的顶部连接有悬丝，用于石英托盘在样品仓内的升降。

所述石英托盘用于承载待测试样及垫块，通过设置悬丝方便进行实验时放入和取出。

优选的，所述垫块为橡胶圈，橡胶圈的内径为5.8-6.2mm，外径为6.8-7.2mm，橡胶圈的高度为0.9～1.2mm，所述橡胶圈设置有一开口。

上述垫块的尺寸可满足垫块质量在28-34mg之间的要求，起到支撑起待测试样的待测面不与石英托盘直接接触的作用，同时不会因为垫块质量过大导致石英托盘下沉，使得石英托盘底部与其下方的视频白光显微镜的镜头接触，出现无法获取试验数据的现象。

优选的，所述橡胶圈的内径为6mm，外径为7mm，高度为1mm，所述橡胶圈的开口大小占橡胶圈外圆周长的1/6-1/4。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的一种木材干缩/湿胀行为测定方法，通过动态水分吸附分析仪联用视频白光显微镜，得到不同相对湿度下的木材试样待测表面的系列图集，配合图像处理技术在细胞尺度原位、实时获得不同平衡含水率下干缩/湿胀尺寸变化量数据。

本发明的测定方法具有以下优点：解决试样的待测面与石英托盘底部直接贴合的问题，实现试样待测面与样品仓的相对湿度环境直接接触，使得试样待测面的干缩/湿胀行为可以同步响应水分的解吸/吸着，实现试样含水率与干缩/湿胀尺寸变化量的同步实时测定，配合图像处理技术在细胞尺度原位、实时获得不同平衡含水率下干缩/湿胀尺寸变化量数据。可以实时监控含水率，精准度高，便于操作。

附图说明

图1为本发明中测定方法步骤流程图；

图2为本发明中木材试样的图像处理示意图；

图3为本发明的木材干缩/湿胀行为测定设备主视图；

图4a为本发明的木材干缩/湿胀行为测定设备侧视图；

图4b为本发明的木材干缩/湿胀行为测定设备俯视图；

图5为本发明的石英托盘及待测试样的剖视图；

图6为本发明的垫块的俯视图。

【附图标记说明】

1：动态水分吸附分析仪；

101：样品仓；

102：气体流量控制器；

2：视频白光显微镜；

3：石英托盘；

4：垫块；

5：悬丝。

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。

实施例

如图1所示，一种木材干缩/湿胀行为测定方法，包括如下步骤：

S1：制备木材的待测试样，并将试样的待测面经切片机平滑处理；

S2：使用蒸馏水清洁放置待测试样的石英托盘3，将垫块4放在清洁过的石英托盘3中间位置；

S3：将步骤S1中得到的待测试样放在垫块4上，然后将石英托盘3放入样品仓101内，盖上盖体，调节样品仓101到恒定的温度和相对湿度，直到待测试样达到含水率平衡态；

S4：设定与动态水分吸附分析仪1联用的视频白光显微镜2，保持固定时间间隔，对待测试样待测面连续拍照；

S5：对S4获得的图像进行分析处理；

S6：将步骤S5获得的图像导入图像处理软件(Image J)中进行测定，获得待测试样在水分解吸/吸着过程中的尺寸变化，最终获得待测试样的干缩/湿胀变化量。

在步骤S3中，将待测试样的待测面朝下放置在垫块4上，试验人员可根据所需拍摄的对象来调整垫块4及待测试样在石英托盘内的位置。

上述测定方法将动态水分吸附分析仪1与视频白光显微镜2联用，视频白光显微镜2拍摄获取木材待测试样的图像，得到不同相对湿度下的木材试样待测表面的系列图集，配合图像处理技术在细胞尺度原位、实时获得不同平衡含水率下干缩/湿胀尺寸变化量数据。

优选的，步骤S3中，所述样品仓101内的温度为5～50℃，相对湿度为0～98％。

所述样品仓101内的温度及相对湿度为可调节状态，在实验时，可调节不同的温度及湿度来测试不同条件下待测试样的干缩/湿胀尺寸变化量，本仪器可测试的相对湿度范围为0～98％，一般仪器最高可做到90％，本方法可更全面的获取待测试样在不同相对湿度条件下的干缩/湿胀变化量数据。

优选的，步骤S4中，使用视频白光显微镜2拍摄图像的像素为1280×960，视频白光显微镜2的拍照间隔时间可根据实验人员的需求进行调整，分别为20s、1min或2min。

优选的，所述步骤S5中对S4获得的图像进行分析处理，具体包括：对图片的亮度、对比度、曝光度、色调(RGB)曲线和色阶进行调整，增强测量区域的细节。

步骤S5中对图像进行分析处理，将视频白光显微镜2拍摄到的系列图集，导入Photoshop(Adobe System)中，对图片的亮度、对比度、曝光度、色调(RGB)曲线和色阶进行调整，增强测量区域的细节，达到图像降噪处理的目的。

优选的，步骤S6包括：

S61：将处理过的图片导入图像处理软件(Image J)，首先打开图像处理软件(Image J)，选择“文件—打开”，导入图片，选择“分析—设定比例”对比例尺进行换算校准；

S62：选择“图像—类型—8位”对图片的格式进行修改，使其变为灰阶图片，选择“图像—调整—阈值”使用阈值法对图片进行处理；

S63：使用图像处理软件(Image J)中的“魔棒工具”对想要测定的导管腔面积进行选定，选择“分析—测量”即可对选定的导管腔进行面积测量和记录。

如图2所示，为使用Photoshop处理后导入图像处理软件(Image J)中处理的图片，分别为“8位”模式下的灰阶图片、阈值法处理过的图片、使用“魔棒工具”进行导管腔面积选定后的图片。

木材湿胀尺寸变化量计算公式：

△S

式中：

△S

S

S

木材干缩尺寸变化量计算公式：

△S

式中：

△S

S

S

上述S

如图3、图4所示，本发明还提供一种用于上述测定方法的木材干缩/湿胀行为测定设备，包括：

动态水分吸附分析仪1、视频白光显微镜2；

所述动态水分吸附分析仪1包括样品仓101、气体流量控制器102；

所述样品仓101位于气体流量控制器102的上部，所述样品仓101顶部设有盖体；

所述视频白光显微镜2位于动态水分吸附分析仪1的下部，与动态水分吸附分析仪1电连接；

还包括石英托盘3及垫块4；

所述石英托盘3为待测试样的承载平台，石英托盘3底部透明，石英托盘3的外边缘对称固定设置有两个支撑杆，两个支撑杆向上部延伸交叉于一点形成支架，两个支撑杆之间还固定设置有水平横杆；

所述垫块4由橡胶材料制成，放置在石英托盘3上部。

上述测定设备采用动态水分吸附分析仪1与视频白光显微镜2联用，在石英托盘上放置垫块，通过垫块支撑起待测试样的待测面，可实现待测试样的待测面第一时间与样品仓101的气态水分子自由且充分的接触，保证视频白光显微镜2所拍摄到的图片是真实准确的。

优选的，所述石英托盘3的内径为17mm、外径为19mm，所述石英托盘3支架的顶部连接有悬丝5，用于石英托盘3在样品仓101内的升降。

如图5所示，所述石英托盘3的外边缘对称固定设置有两个支撑杆向上部延伸交叉于一点形成支架，两个支撑杆形成的支架设置有横杆用于支撑，支架顶部连接有悬丝5，悬丝5用于吊起石英托盘3放入或者拉出样品仓101。

如图6所示，垫块4放置在石英托盘3上部用于垫起待测试样，在进行实验时，垫块4随石英托盘3放入样品仓101内，垫块4由橡胶材料制成，样品仓101内存在可调节湿热环境(0～98％湿度，5～50℃)，垫块4需要满足无吸湿性、质量轻、可在湿热环境内长期工作的条件；

在进行水分解吸/吸着试验时垫块4应不影响待测试样吸湿性的测定结果；

垫块4在保证支撑起待测试样的同时，质量应较轻，控制在28-34mg之间，垫块4质量过大会引起装载着垫块4和待测试样的石英托盘3下沉，使得石英托盘3底部与其下方的视频白光显微镜2的镜头接触，导致无法获取试验数据；但垫块4质量过小，垫块4无法支撑待测试样，也无法开展试验。

优选的，所述垫块4为橡胶圈，橡胶圈的内径为5.8-6.2mm，外径为6.8-7.2mm，橡胶圈的高度为0.9～1.2mm，所述橡胶圈设置有一开口。

上述垫块4的尺寸可满足垫块4质量在28-34mg之间的要求，起到支撑起待测试样的待测面不与石英托盘3直接接触的作用，同时不会因为垫块4质量过大导致石英托盘3下沉，使得石英托盘3底部与其下方的视频白光显微镜2的镜头接触，出现无法获取试验数据的现象。

优选的，所述橡胶圈的内径为6mm，外径为7mm，高度为1mm，所述橡胶圈的开口大小占橡胶圈外圆周长的1/6-1/4。

垫块4采用橡胶圈设计，内径为6mm，外径为7mm，高度为1mm，可满足垫块4的质量要求，同时，橡胶圈具有占外圆周长1/6-1/4的开口，可使待测试样的待测面能与样品仓101湿度环境的气态水分子自由且充分地接触；

对橡胶圈进行开口处理时，开口大小可为外圆周长的1/8、1/6、1/4和1/3，通过进行实验，待测试样放置在开口为1/3的橡胶圈上时，待测试样的待测面与石英托盘3底部不能呈完全平行状态，故舍弃；将其余开口尺寸的橡胶圈搭配同一待测试样分别放入动态水分吸附分析仪1中测定干缩/湿胀尺寸变化量，并与使用无开口橡胶圈、不放置橡胶圈得到的干缩/湿胀尺寸变化量进行对比；

其结果为：1/4≈1/6＞1/8＞无开口≈无配件，说明当橡胶圈开口的尺寸为1/8时，气态水分子进入待测面受阻；当橡胶圈开口的尺寸为1/6或1/4时，气态水分子可以自由并充分地接触待测面，考虑到易加工性和质量要求，橡胶圈的开口尺寸优选为外圆周长的1/4。

垫块4的作用为保证待测试样的待测面能与样品仓101内湿度环境的气态水分子自由且充分地接触，因此，垫块4可以是具有开口的橡胶圈，也可替换为两个长方体，或者U型设计的环体等，起到支起待测试样的待测面不与石英托盘3底面贴合的作用；

使得待测试样待测面的干缩/湿胀行为可以同步响应水分的解吸/吸着，实现待测试样含水率与干缩/湿胀尺寸变化量的同步实时测定，进而提高干缩/湿胀尺寸变化量数据的准确性。

本发明的木材干缩/湿胀行为测定方法通过动态水分吸附分析仪1联用视频白光显微镜2，可得到不同相对湿度下的木材试样待测面的系列图集，配合图像处理技术在细胞尺度原位、实时获得不同平衡含水率下干缩/湿胀尺寸变化量数据。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例作出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。