CN102338776A

CN102338776A - 应力波在木材中的传播时间测量方法以及无损检测系统

Info

Publication number: CN102338776A
Application number: CN2011102442811A
Authority: CN
Inventors: 李光辉
Original assignee: Zhejiang A&F University ZAFU
Current assignee: Zhejiang A&F University ZAFU
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2012-02-01

Abstract

本发明涉及一种测量应力波在木材中传播时间的方法以及木材无损检测系统。目的是根据测得的应力波的传播速度来判断木材内部是否存在缺陷，应具有测量精度高、效率高、无辐射的特点。所提供的木材无损检测系统，应具有速度快、抗干扰能力强、检测精度较高的特点。技术方案是：应力波在木材中的传播时间测量方法，包括以下步骤：1）在被测木材的横截面的周向确定六个检测点，形成9条检测线路；每条检测线路采集到的应力波信号输入处理电路；2）使用脉冲锤敲击木材一端的端面，使之产生应力波的传播；3）微控制器采用滑动平均算法对所测得的数据序列进行处理。应力波木材无损检测系统，包括依序电导通的信号采集、信号处理和微控制器三个部分。

Description

应力波在木材中的传播时间测量方法以及无损检测系统

技术领域

本发明涉及一种测量方法以及检测系统，尤其是测量应力波在木材中传播时间的方法以及应力波木材无损检测系统。

背景技术

木材是一种人类使用历史最长的可再生的天然资源。随着社会进步, 人们对生产、生活质量要求的提高，对木材的需求量逐渐增加。充分有效地利用木材资源，使之产生最大的经济与社会效益，是各国林业科研工作者共同关心和不断研究的课题。由于传统的木材检测大多采用人工的方法，甚至还得将木材试样破坏后进行检测，因而这些检测方法已不能满足木材生产中非破坏性快速检测和持续检测的需要。近年来，随着计算机技术和传感技术的发展，以及超声波、X-射线或γ射线、红外线、激光、微波和应力波等技术的发展，木材物理、力学性质和缺陷的无损检测技术也上升到了新的水平，并形成一门新兴、综合性的木材检测技术。

木材的弹性模量是一个重要参量，它反映了木材的物理及力学性质。为了对木材性质进行非破坏性检测，可以通过测量木材的弹性模量来评估材料的优劣。因此，如何应用应力波技术，通过测量木材的弹性模量，来实现对木材质量状况的评估，是我们目前的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量应力波在木材中传播时间的方法，以根据测得的应力波的传播速度来准确计算木材弹性模量，从而判断木材内部是否存在缺陷；该方法应具有测量精度高、效率高、无辐射的特点，并且成本低、测试方便。

本发明的另一个目的是提供一种基于应力波技术的木材无损检测系统，以实时、可靠、准确地计算应力波在木材中的传播速度与木材弹性模量，从而判断木材内部是否存在缺陷；该系统应当具有速度快、抗干扰能力强、检测精度较高的特点。

本发明提供的技术方案是：应力波在木材中的传播时间测量方法，包括以下步骤：

1）在被测木材的横截面的周向确定六个检测点分别作为被测木材的3个起始端和3个终止端，安装6个加速度传感器，其中3个作为起始传感器，3个作为终止传感器，形成9条检测线路；每条检测线路采集到的应力波信号输入到以单片机作为微控制器的处理电路；

2）使用脉冲锤敲击木材一端的端面，使之产生应力波的传播；当应力波到达“起始”端传感器时，处理电路的计时器开始工作，当它到达“终止”端传感器时，计时器停止工作，保存并显示相应的时间；

3）微控制器采用滑动平均算法对所测得的数据序列进行处理，计算相应的弹性模量，直接与标准参考值进行比较，或供用户在PC机上进一步分析与处理；其中：滑动平均算法的公式为：

；上式中，表示第n个测量数据经过滤波处理后的输出值，x _n-i表示没有经过滤波处理的测量数据，N表示滑动平均的项数。

所述的两个加速度传感器分别通过螺钉与被测木材相连。

应力波木材无损检测系统，包括依序电导通的信号采集、信号处理和微控制器三个部分；其中信号采集部分包括加速度传感器、脉冲锤、计数器；信号处理部分由转换处理 “起始”和“终止”两个应力波脉冲波形的阻抗匹配模块、信号放大电路模块、滤波整形电路模块依次连接而成；微控制器部分的输入端与信号处理部分的输出端接通，以计算应力波传播时间以及被测木材的弹性模量。

所述的阻抗匹配模块采用uA741芯片，加速度传感器经过电阻后接入该芯片。

所述的信号放大电路模块采用OP07芯片，阻抗匹配模块的输出端接入该芯片的输入端。

所述的滤波整形电路模块采用MAX7408芯片，信号放大电路模块的输出端接入该芯片的输入端。

所述的微控制器采用ATmega16单片机。

实验结果表明，本发明提出的无损检测方法对于无缺陷的木材，通过测量应力波传播时间换算得到的木材弹性模量接近或等于相关文献公布的参考值；如果某些木材的应力波传播速度明显小于在正常木材中的传播速度，换算获得的弹性模量偏离正常的参考值，就可以确定这些木材内部存在缺陷。

本发明提出的木材无损检测方法，能够确定木材是否有内部缺陷或对被测试木材进行等级划分；不但具有很高的可靠性、无辐射、测试方便的特点，而且能够节省成本、提高检测效率和精度；不仅可以应用在木材加工企业进行产品质量检测，也可应用到古树名木和古建筑木质结构的健康监测，具有广阔的应用前景。

本发明提供的应力波木材无损检测系统，针对木材非均匀和各向异性的特点，使用高灵敏度的传感器，可以快速捕获木材中传播的微弱应力波信号；同时，使用滤波选频网络抑制电路及环境噪声，提高了硬件系统抗干扰能力，提高了应力波信号采集过程的可靠性。另外，本发明使用滑动平均算法对测量数据序列进行处理，进一步减小误差、提高了测量的精度和可靠性。

附图说明

图1 是应力波时间测量方法示意图。

图2 是测量木材内部缺陷时的木材横截面示意图。

图3 是应力波无损检测系统的各电路模块连接关系图。

图4 是图3中的控制模块内的各电路连接关系图。

图5是应力波无损检测系统的软件流程图。

具体实施方式

为了阐明我们的方法，先介绍一些基本概念。

1、应力波是指对弹性介质施加应力，引起弹性形变，由于介质的连续性，弹性形变产生弹性力，而弹性力又引起弹性形变。由此，在介质内部形成波的传播形式，又称之为弹性应力波。

2、木材的弹性模量E是指木材受到应力引起形变时恢复其原形状和结构的能力。它能够反映木材的物理和力学性能。当木材内部存在应力波的传播时，下列等式成立：

；上式中，V表示应力波在木材中的传播速度，ρ表示木材的密度。

3、无损检测（Non destructive Testing或Non destructive Evaluation，简称NDT或NDE），又称非破坏性检测；是指利用材料的不同物理力学或化学性质在不破坏目标物体内部及外观结构与特性的前提下，对物体相关特性(如形状、位移、应力、光学特性、流体性质、力学性质等)进行测试与检验，尤其是对各种缺陷的检测。

4、滑动（移动）平均算法是指一种简单平滑预测技术，它的基本思想是：根据时间序列资料、逐项推移，依次计算包含一定项数的序时平均值，以反映长期趋势的方法。因此，当时间序列的数值由于受周期变动和随机波动的影响，起伏较大，不易显示出事件的发展趋势时，使用滑动平均法可以消除这些因素的影响，显示出事件的发展方向与趋势（即趋势线），然后依趋势线分析预测序列的长期趋势。

本发明中，木材的弹性模量E是一个重要参量，它反映了木材的物理和力学性能，对于木材的质量检测需要比较其弹性模量大小是否符合无损木材的弹性模量值（标准参考值）。为此，实时、非破坏性地检测并评估木材质量的好坏必须首先计算其弹性模量，但是该参量往往无法直接取得，只能间接测量。

我们已知：式中V表示应力波在木材中的传播速度，ρ表示该材料的密度。求得E的关键在于如何得到V。长期以来，测量应力波在木材中的传播速度比较困难。为了解决上述问题，我们假设应力波通过长度L的匀质材料所花的时间为t，则

，这就要求我们准确测量应力波在长度为L的木材内部传播的时间。

1、应力波传播时间测量方法

应力波传播时间测量的主要过程是：将两个加速度传感器分别放置在被测木材的起始端和终止端，使用脉冲锤敲击木材，产生并传导应力波，当应力波到达“起始”端传感器时，检测系统计时器开始工作，当它到达“终止”端传感器时，计时器停止工作，保存并显示相应的时间。微控制器采用滑动平均算法对测量数据序列进行处理，计算相应的弹性模量，直接与标准参考值进行比较，或供用户在PC机上进一步分析与处理。

2、木材应力波无损检测系统的设计方案

包括依序电导通的信号采集、信号处理和微控制器三个部分；其中信号采集部分包括加速度传感器、脉冲锤、计数器；信号处理部分主要转换处理“起始”和“终止”两个应力波脉冲波形，其结构由传感器、阻抗匹配模块、信号放大电路模块、滤波整形电路模块依次连接而成；微控制部分主要负责测量应力波传播时间，并计算被测木材的弹性模量。

阻抗匹配模块：

传感器获取信号后末端接一个10K的电阻，使得传感器获得的电压值更加稳定，减少环境对于传感器的噪声干扰。而后接入uA741芯片，uA741采用电压跟随器接法，uA741是宽带低噪声运算放大器，具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，非常适用于传感器后端的信号调理，使传感器获得的信号与后一级电路处理之间进行阻抗匹配、调理。信号处理公式：；（为输入信号电压伏值，

为输出信号电压伏值）信号频率变化：20KHz以下频率不改变；信号相位变化：

信号相位偏移率

、

信号相位偏移率

、

信号相位偏移率

、

信号相位偏移率

、

信号相位偏移率。

信号放大电路模块：

输入信号经过阻抗匹配电路后接入信号放大电路模块，信号放大电路模块功能旨在将传感器获得微弱信号进行无失真放大，为后一级信号处理电路的设计做准备。信号放大电路模块采用OP07高精度低噪声运算放大器，可以在低噪声状态下，不失真地放大输入信号。信号处理公式：

；信号频率变化：200KHz以下频率不改变；信号相位变化：

信号相位偏移率

、

信号相位偏移率、信号相位偏移率

、信号相位偏移率、信号相位偏移率

。

滤波整形电路模块：

输入信号经过信号放大电路模块放大信号后接入滤波整形电路模块，滤波整形电路模块功能旨在抑制高频干扰噪声信号，获取冲击应力波中一定频率的信号作为信号研究和处理的标准，滤波整形电路采用MAX7408芯片，MAX7408是五阶、低通、椭圆函数、开关电容滤波器，可以截至

以上频率的信号，获取电路测试所需要的一定频率的信号。信号处理公式：

（信号截止频率）；（

为外部时钟输入频率，

为截止频率）信号频率变化：

频率截止；信号相位变化：

频率的信号相位均延时50uS；

频率的信号截止没有相位波信号。

微控制器部分（包括图3中的控制模块和显示模块）：

本发明提供的木材无损检测系统使用Atmel公司AVR系列的ATmega16单片机作为控制器，ATmega16是高性能、低功耗的8位AVR单片机，用ATmega16的两个外部INT0和INT1中断来接收由应力波信号经过信号调理电路所触发的“起始”和“终止”信号，并用一个内在的8位定时器Timer0对传输的时间进行计时，在计数结束后经过算法修正，将数据显示在LCD12864带字库的图形液晶上，同时将数据保存在片内的FLASH上，进行延时后复位计时数据寄存器再重复接收信号并保存数据。与此同时还可以将获取的数据通过串口UART将FLASH中存储的历史数据发送给PC机或者其他嵌入式设备。

滑动平均算法：

滑动（移动）平均算法是指一种简单平滑预测技术，它的基本思想是：根据时间序列逐项推移，依次计算包含一定项数的序时平均值，以反映长期趋势的方法。因此，当时间序列的数值由于受周期变动和随机波动的影响，起伏较大，不易显示出事件的发展趋势时，使用滑动平均法可以消除这些因素的影响，显示出事件的发展方向与趋势（即趋势线），然后依趋势线分析预测序列的长期趋势。具体描述如下：

把N个测量数据x ₁, x ₂…, x _N看成一个队列，队列的长度固定为N。采用先进先出的方法，即每进行一次新的采样，把测量结果放入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个“最新”的数据。经过滑动平均算法滤波处理后的输出值为：

；上式中，

表示第n个测量数据经过滤波处理后的输出值，x _n-i表示没有经过滤波处理的测量数据，N表示滑动平均的项数。

在实际应用时，由于用户使用脉冲锤的力度不均匀，偶尔可能会出现偏差较大的测量数据。这时，我们选择忽略该测量数据，跳过滑动平均算法流水线，直接处理下一个测量值。

应力波无损检测系统中配置的软件可由普通软件人员编写，该软件的运行流程由图5所示。

实施例1（见图1）

第一步，将两个螺钉嵌入到被测的木材试样1中，起始传感器4与起始螺钉及脉冲锤5相连，终止传感器2与终端螺钉相连，并通过数据线缆和检测系统（即图中的信号处理部分3）相连。

第二步，打开检测系统电源开关，设置测试环境。包括木材种类、测试序列号、测试序列长度（即滑动平均项数）、木材密度、传感器之间的距离（螺钉之间的距离）等。测试环境设置完毕后，系统进行测试等待阶段。

第三步，测试人员使用脉冲锤敲击起始端螺钉，产生应力波，使其在木材内部传播（图中箭头表示传播方向）。起始传感器采集起始信号，触发检测系统开始计时，当终止传感器接收到应力波信号后，触发检测系统停止计时，由此得到应力波在木材内部的传播时间和速度。连续测试多次（由测试序列长度决定）后，系统利用滑动平均算法算出本轮测量的应力波传播速度，由此得到木材弹性模量的测量值。

实施例2（见图2）

为了精确定位木材内部缺陷，需要从多个方向对木材试样进行多次测量，获取不同方向的测试结果，以更精确地确定木材内部缺陷的位置和缺陷程度。图2表示被测木材的横截面，其中a, b, c, d, e, f分别表示六个检测点（分别安装3个起始传感器，3个终止传感器），图中央部分7表示内部腐朽。用户依次从9个方向进行检测，获取不同的应力波传播速度和木材弹性模量，根据这些测量结果，可以较准确地确定木材内部缺陷的大小和位置。

Claims

1.应力波在木材中的传播时间测量方法，包括以下步骤：

2）使用脉冲锤敲击木材一端的端面，使之产生应力波；当应力波到达“起始”端传感器时，处理电路的计时器开始工作，当它到达“终止”端传感器时，计时器停止工作，保存并显示相应的时间；

3）微控制器采用滑动平均算法对所测得的数据序列进行处理，计算相应的弹性模量，直接与标准参考值进行比较，或供用户在PC机上进一步分析与处理；其中：

滑动平均算法的公式为：

；上式中，

2.根据权利要求1所述的应力波在木材中的传播时间测量方法，其特征在于所述的两个加速度传感器分别通过螺钉与被测木材相连。

3.根据权利要求1所述的应力波木材无损检测系统，其特征在于该系统包括依序电导通的信号采集、信号处理和微控制器三个部分；其中信号采集部分包括加速度传感器（2、4）、脉冲锤（5）、计数器；信号处理部分由转换处理 “起始”和“终止”两个应力波脉冲波形的阻抗匹配模块、信号放大电路模块、滤波整形电路模块依次连接而成；微控制器部分的输入端与信号处理部分的输出端接通，以计算应力波传播时间以及被测木材的弹性模量。

4.根据权利要求3所述的应力波木材无损检测系统，其特征在于所述的阻抗匹配模块采用uA741芯片，加速度传感器经过电阻后接入该芯片。

5.根据权利要求3所述的应力波木材无损检测系统，其特征在于所述的信号放大电路模块采用OP07芯片，阻抗匹配模块的输出端接入该芯片的输入端。

6.根据权利要求3所述的应力波木材无损检测系统，其特征在于所述的滤波整形电路模块采用MAX7408芯片，信号放大电路模块的输出端接入该芯片的输入端。

7.根据权利要求3或4或5或6所述的应力波木材无损检测系统，其特征在于所述的微控制器部分采用ATmega16单片机。

8.根据权利要求7所述的应力波木材无损检测系统，其特征在于所述的ATmega16单片机内带所述的计数器。