CN102706963B - 古树/古建筑木结构内部腐朽应力波无损探测装置 - Google Patents

Abstract

一种古树及古建筑木结构内部腐朽应力波无损探测装置，该装置包括多个传感器、传感器固定装置、力锤、微损型针式连接器、数据处理系统和木材内部腐朽断层成像软件，所述传感器、所述数据处理系统与安装有所述成像软件的计算机通过若干根导线连接。该装置适应性强，对不适宜在外表面钉钉子的古建筑木结构，凭借专用的传感器和传感器固定装置，能够对其内部腐朽进行“完全无损式”探测；而对古树等有树皮的测试对象，则可采用微损型针式连接器穿透树皮辅助探测。基于探测所采集的应力波信号，构建被测对象内部腐朽断层图像，实现对被测对象内部腐朽形状和位置的定量判断。

Description

古树/古建筑木结构内部腐朽应力波无损探测装置

技术领域

本发明涉及古树及古建筑木结构健康评价领域，尤其涉及一种基于应力波的能够对古树及古建筑木结构内部腐朽缺陷进行无损探测、断层成像的装置。

背景技术

古树名木是有生命的活着的文物，是国家的魂宝，既有生物学价值，又具有活的文物历史文化价值。根据2005年全国绿化委员会办公室公布的全国古树名木普查结果显示，全国现有古树名木285.3万株，其中国家一级古树5.1万株、国家二级古树104.3万株、国家三级古树175.3万株，国家级名木5700多株。古树名木多是树龄较大的过熟林木，在漫长岁月中饱经沧桑，长势已趋衰弱。大多古树名木都有不同程度的缺陷，主要有枯枝腐朽、空心、断裂等，这些缺陷侵蚀着古树名木。同时，我国现存大量的木结构古建筑，而它们经过长期的风吹雨淋，同样面临着各种损伤、缺陷的危害，这些缺陷严重影响木结构古建筑的使用寿命、承载能力和安全性能。因此，急需采取先进、无损的方法或手段对古树以及木结构古建筑的缺陷进行有效地诊断、治疗和补救，这对我国生物资源和历史文化遗产保护具有双重意义。

然而，在对古树以及木结构古建筑所存在的缺陷(尤其是内部腐朽)进行评估、判断时，目前作业人员仍主要采用肉眼观察、简单敲打或凭借经验等方式来进行初步判断，没有比较有效的探测方法与设备。在该领域，国外少数企业如德国RINNTECH公司和匈牙利FAKOPP公司进行了探索，分别开发了用于探测活立木内部腐朽的设备。但是，它们所开发的设备存在一个共同的缺点：必须在被测对象的外表面钉上一定数量的钢钉，用于悬挂传感器，这无疑会对被测对象造成损伤。由于古建筑木结构具有重要的历史文化价值，采用这种会产生新的损伤的测试设备无疑是不适宜的，因此需要研发一种能够适应不同测试对象要求的无损探测装置来评估古树以及木结构古建筑的内部腐朽等缺陷，进而为其安全性评估提供科学依据。

发明内容

基于上述现有技术所存在的问题，本发明的具体实施方式是提供一种基于应力波的古树及古建筑木结构内部腐朽无损探测装置。该装置能够适应不同被测对象的要求，对于不适宜在外表面钉钉子的古建筑木结构，凭借专用的传感器和传感器固定装置，能够实现对古建筑木结构内部腐朽的“完全无损式”探测；而对于像古树这种含有树皮的测试对象，则可以采用微损型针式连接器穿透树皮辅助探测其内部腐朽。最后，通过探测所构建的断层图像来确定被测对象内部腐朽的形状和位置。

本发明所提供的这种无损探测装置包括：多个传感器、传感器固定装置、力锤、微损型针式连接器、数据处理系统和木材内部腐朽断层成像软件。所述传感器、所述数据处理系统与安装有所述成像软件的计算机通过若干根导线连接。

所述传感器包括传感器壳体、  应力波传动杆、应力波传感器钢性连接头、传感器膜片、传感器调理电路、导线接口，所述应力波传动杆上刻有螺纹。

所述传感器主要技术指标：探测元件为压电陶瓷；直流供电为12V；输出为232接口；测向灵敏度＜2.5％；外形尺寸约为110mm×60mmm×32mm；过载为200％；传感器组阵连接正确时指示灯为绿色，连接错误时指示灯为红色。

所述传感器固定装置包括：传感器固定铝带、传感器夹具、弹簧、螺栓、螺母等。传感器固定铝带分为两条，一条铝带内表面(缠绕测试对象时的位置)刻有斜齿，另一条铝带外表面刻有斜齿，两条铝带能够相互啮合。铝带一端开有圆孔，中心均开有条形空槽，可供传感器应力波传动杆穿过或滑动。两条铝带连起来的长度可调，可用于测周长范围50cm～500cm的检测对象。传感器夹具包括可滑动式夹具连接板和自开型弹性夹。可滑动式夹具连接板开有圆孔，安装在传感器固定铝带上并可在传感器固定铝带上滑动。

所述传感器固定装置工作原理：首先在若干传感器的应力波传动杆上套上弹簧，将传感器和传感器夹具移动到传感器固定铝带的适宜位置，再将套了弹簧的应力波传动杆穿过可滑动式夹具连接板上的圆孔和传感器固定铝带上的空槽，把螺母拧到应力波传动杆上，同时将传感器插入自开型弹性夹，每一传感器的位置即可固定，最后将两条传感器固定铝带绕在被测对象外表面，在一端仅用螺栓和螺母固定，另一端则采用斜齿啮合和螺栓螺母双重紧固，即可将所有传感器固定在被测对象外表面。

所述微损型针式连接器，用于测试古树类测试对象时穿透树皮，并与应力波传感器钢性连接头相连接。

所述数据处理系统包括：

(1)数据采集模块，用于采集所述传感器测得的应力波传播时间数据；

(2)数据存储模块，用于存储所采集的应力波传播时间数据；

(3)数据处理模块，对采集到的应力波传播时间数据进行分类、对比、过滤等处理。

所述成像软件包括：基本信息输入窗口、距离数据显示窗口、应力波实时传播时间数据显示窗口、应力波传播速度数据显示窗口、测试误差显示窗口、线形图显示窗口、平面图显示窗口。

附图说明

图1为本发明具体实施方式例1的立体结构图。

图2为本发明具体实施方式例1的俯视图。

图3为本发明所述传感器的结构示意图。

图4为本发明所述传感器固定铝带内表面含有斜齿时传感器固定装置的结构示意图。

图5为本发明所述两条传感器固定铝带斜齿啮合连接的正视图。

图6为本发明所述两条传感器固定铝带斜齿啮合连接的俯视图。

图7为本发明所述微损型针式连接器的结构示意图。

图8为本发明所述成像软件的功能示意图。

图1至图7中：1.力锤  2.应力波传动杆  3.螺母  4.传感器壳体  5.应力波传感器钢性连接头  6.内表面含有斜齿的传感器固定铝带  7.弹簧  8.数据处理系统  9.传感器夹具  9-1.可滑动式夹具连接板  9-2.自开型弹性夹  9-3.传感器夹具自带圆孔  10.被测对象  11.空槽  12.螺栓和螺母  13.导线  14.计算机  15.圆孔  16.传感器调理电路  17.导线接口  18.传感器膜片  19.外表面含有斜齿的传感器固定铝带  20.斜齿  21.顶板  22.细针

图8中：30.成像软件主菜单  3 1.基本信息输入窗口  32.距离数据显示窗口  33.应力波实时传播时间数据显示窗口  34.应力波传播速度数据显示窗口  35.测试误差显示窗口  36.线形图显示窗口  37.平面图显示窗口

具体实施方式

实施方式例1：结合附图1～6和附图8对本实施方式进行说明。当被测对象10为外表面不允许钉钉子的古建筑木结构时，首先测量被测对象10的周长，根据周长确定需选用传感器的数目和两两传感器之间的距离。依据传感器数目与间距，把传感器放在传感器固定铝带6或19的对应位置上。在每个传感器位置确定之后，移动可滑动式夹具连接板9-1使传感器夹具9在传感器固定铝带6或19上进行滑动，最终将传感器夹具9移动到各个传感器的对应位置。然后，在每一传感器的应力波传动杆2上套上弹簧7，再将应力波传动杆2穿过可滑动式夹具连接板9-1上的圆孔9-3，同时将传感器壳体4插入自开型弹性夹9-2，再将螺母3拧到应力波传动杆2上，即可把每一传感器按照指定位置固定在传感器固定铝带6或19上。接着，将安装了传感器的传感器固定铝带6和19绕在被测对象外表面，再将其一端的圆孔15相对，进而用螺栓和螺母12将其连接拧紧。接着，在另一端，将内表面含有斜齿20的传感器固定铝带6拉紧，并扣在外表面含有斜齿20的传感器固定铝带19上，通过斜齿20啮合即可把传感器固定铝带6和19连接起来。同时，为了确保连接牢固，再通过传感器固定铝带6和19上的空槽11用螺栓和螺母12将其拧紧固定。最后，按照先后顺序，将导线13插入每一个传感器的导线接口17，将传感器两两连接起来。利用导线13再将第1个传感器、数据处理系统8和计算机14连接起来。

打开计算机14中的所述的木材内部腐朽应力波断层成像软件，确认所有设备连接正确，并输入测试地点、树种、测试人员及日期、测试对象外形特征及各传感器之间弧长等基本信息与数据。然后，打开数据处理系统8的电源开关，并运行所述成像软件进行测试。

测试时，首先采用力锤1敲击应力波传动杆2，产生的应力波将会通过应力波传动杆2和应力波传感器钢性连接头5传播到被测对象10内，并被安装在被测对象10外表面的其它各个传感器接收到。当应力波传播到接收传感器时，首先迫使接收传感器的应力波传感器钢性连接头5产生振动，应力波传感器钢性连接头5再将这种振动信号通过传感器壳体4传送到传感器膜片18，传感器膜片18所获取的振动信号的能量通过传感器调理电路16转化为电信号，电信号再通过插入到导线接口17中的导线13被传送至数据处理系统8，在数据处理系统8中对采集到的所有信号进行存储和分析，并再次被传送至计算机14中所述的成像软件参与计算。通过数据处理系统8和所述的成像软件的分析，得到应力波在被测对象10内部传播的时间数据。

所述的时间数据被显示在所述成像软件的应力波实时传播时间数据显示窗口33中，依据基本信息输入窗口31中输入的数据及其所计算得到并被显示在距离数据显示窗口32中的任意两个传感器之间距离数据矩阵，计算任意两个传感器之间的应力波传播速度矩阵并将其显示在应力波传播速度数据显示窗口34中，采用所述成像软件具有的成像算法，利用传播速度数据构建二维线形图和平面图，并被分别显示在线形图显示窗口36和平面图显示窗口37中，最后依据线形图和平面图对被测对象10内部腐朽进行估计。

实施方式例2：结合附图1～8对本实施方式进行说明，本实施方式与实施方式例1不同点在于：当被测对象10为外表面含有树皮的古树时，需要用到所述的微损型针式连接器。按照预先设定的位置，用微损型针式连接器的细针22刺透树皮接触到木质部，将微损型针式连接器安装在被测对象10的外表面。然后，将传感器固定在被测对象10外表面，并使每一传感器与对应的微损型针式连接器的顶板21相接触。其它组成及连接方式与实施方式例1相同。在应力波传播时，应力波则是通过微损型针式连接器的顶板21和细针22在传感器和被测对象10之间传播。

以上所述，为本发明较佳的具体实施方式，本发明同样适用于外形不是圆形的测试对象，本发明的保护范围并不局限于所列具体实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种古树及古建筑木结构内部腐朽应力波无损探测装置，该装置包括多个传感器、传感器固定装置、力锤、微损型针式连接器、数据处理系统和木材内部腐朽断层成像模块；所述传感器、所述数据处理系统与安装有所述成像模块的计算机通过若干根导线连接；所述传感器包括传感器壳体、应力波传动杆、应力波传感器钢性连接头、传感器膜片、传感器调理电路和导线接口，所述应力波传动杆上刻有螺纹；其特征在于：所述传感器固定装置包括传感器固定铝带、传感器夹具、弹簧、螺栓、螺母；传感器固定铝带分为两条，一条铝带(6)内表面刻有斜齿，另一条铝带外表面刻有斜齿，两条铝带能够相互啮合；两条铝带一端均开有圆孔，中心均开有条形空槽，可供传感器应力波传动杆穿过或滑动；两条铝带连起来的长度可调，可用于测周长范围50cm～500cm的检测对象；传感器夹具包括可滑动式夹具连接板和自开型弹性夹；可滑动式夹具连接板开有圆孔，安装在传感器固定铝带上并可在传感器固定铝带上滑动。 

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述传感器固定装置工作原理：首先在若干传感器的应力波传动杆上套上弹簧，将传感器和传感器夹具移动到传感器固定铝带的适宜位置，再将套了弹簧的应力波传动杆穿过可滑动式夹具连接板上的圆孔和传感器固定铝带上的空槽，把螺母拧到应力波传动杆上，同时将传感器插入自开型弹性夹，每一传感器的位置即可固定，最后将两条传感器固定铝带绕在被测对象外表面，在一端仅用螺栓和螺母固定，另一端则采用斜齿啮合和螺栓螺母双重紧固，即可将所有传感器固定在被测对象外表面。