CN105911107A - 基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置及检测方法。传统的微波、超声波核磁共振和X射线成像技术在木材检测领域的应用存在不足。一种基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，其组成包括：装置本体，装置本体（8）内部具有模拟信号调理电路（6）、激励源采集电路（2）、信号选择模块电路和多路开关控制电路（1），多路开关控制电路通过导线（7）电连接电极（4），电极连接在立木截面（5）上；模拟信号调理电路又包括低通滤波电路（6‑1）、解调电路（6‑2）、交流二级放大电路（6‑3）、差动一级放大电路（6‑4）和高通滤波电路（6‑5）。本发明申请应用于基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置及检测方法。
Description
技术领域：
本发明涉及一种探伤检测领域，尤其涉及一种基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置及检测方法。
背景技术：
目前，微波、超声波以及核磁共振和
X
射线成像等技术在木材无损检测领域中都有了一些尝试和应用；虽然这些技术在木材无损检测中各具特色，但也都明显存在一些不足；在应用微波法对木材缺陷及其物理性质进行检测时，往往受到木材含水率情况的影响，对立木检测的分辨率与适应性都有待提高；另外由于木材结构十分复杂，利用超声波技术对木材进行探伤检测时，木材与超声波探测头之间会存在一定的接触间隙，需要质量较好的耦合剂进行粘连才能实现有效连接；而利用
X
射线检测木材的性质虽然应用比较广泛，但由于其设备成本较高，因此目前还处于实验研究阶段；另外，上述方法也都存在不易携带、操作不便等问题，更重要的是，这些方法通常只能对立木中晚期的腐朽情况进行检测，而对立木的早期腐朽变色情况的诊断性能不佳。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置及检测方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，其组成包括：装置本体，所述的装置本体内部具有模拟信号调理电路、激励源采集电路、信号选择模块电路和多路开关控制电路，所述的多路开关控制电路通过导线电连接电极，所述的电极连接在立木截面上；所述的模拟信号调理电路又包括低通滤波电路、解调电路、交流二级放大电路、差动一级放大电路和高通滤波电路，所述的低通滤波电路电连接解调电路，所述的解调电路电连接交流二级放大电路，所述的交流二级放大电路电连接差动一级放大电路，所述的差动一级放大电路电连接高通滤波电路；所述的激励源采集电路又包括
AD9850
信号发生器、压控电流源电路、
CPU
控制器、数据采样电路、幅值控制电路和串口通讯电路，所述的
AD9850
信号发生器和所述的压控电流源电路分别电连接
CPU
控制器，所述的数据采样电路和所述的串口通讯电路也分别电连接
CPU
控制器，所述的幅值控制电路电连接于压控电流源电路。
所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，所述的串口通讯电路电连接于成像计算机，所述的多路开关控制电路电接于所述的高通滤波电路，所述的高通滤波电路依次电连接于所述的差动一级放大电路和所述的交流二级放大电路，所述的数据采样电路电连接于所述的低通滤波电路，所述的幅值控制电路电连接于所述的解调电路，所述的
AD9850
信号发生器电连接所述的压控电流源电路，所述的压控电流源电路电连接于所述的信号选择模块电路。
所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，所述的电连接为通过导线做为连接介质。
所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置的检测方法，其工作流程如下：本系统的控制中心向下位机发送采集指令，下位机的
CPU
控制器接收到命令后，利用信号选通模块，循环选择相邻两个电极作为电流输入端，剩余的电极对作为电压测量端；根据静电场理论，当在立木横截面的任何一对相邻电极间输入电流时都会在内部建立一个场域，如将场域内的相同电势的点连接成线，就成了一系列的等位线；其中起始于边界节点的等位线会终止在输入电流的两个电极之间；立木横截面上的任何两个电极间的电压通过高通滤波去除直流成分干扰后，进入高阻抗差分放大器，再经过二级差分放大，利用
AD637
模块进行真有效值的计算，最终输出的直流信号通过
TCL2543
芯片进行
AD
转换保存在下位机
E2PROM
中；当下位机收集好所有的独立电压测量值后，通过
RS232
口上传给控制中心；控制中心利用等位线反投影算法处理分析这些数据并利用成像方式显示被测立木横截面内容的电阻率变化情况；其中等位线反投影算法的基本思想是，假设内部电阻率发生变化后等位线分布没有发生变化的情况下，内部电阻率的变化会影响到与其相关的边界电压值发生改变；控制中心首先将这些采集器传上来的边界节点电压值进行标准化处理，根据相应的影响关系（等位线投影区域）反投影到内部单元的电阻率的变化情况，并通过
1
个循环输入将这些反馈结果进行叠加，最终生成一个能反映出内容单元电阻率变化的图像；其中标准化处理的方法是将采集到的电压值与电阻率均匀分布情况下通过正问题求解计算得到的边界电压相减后再相除，以消除量纲影响；影响关系则可通过反投影矩阵表达；另外，传统等位线反投影算法利用的是当内部单元电阻率发生变化时会影响到边界节点电压的变化这一原理，而这种变化在算法中都被均匀地反馈到投影区域中，因此会造成了实际上未变化的单元根据投影矩阵也同样被误认为发生了改变；为此，本系统通过设定影响面积权重参数，将投影区域大的边界电压对单元的影响缩小，以减少星状伪影的影响；最后系统将求得的各个单元电阻率的值转换成颜色值进行立木横截面电阻率成像的显示。
本发明的有益效果：
1.
本发明的立木探伤检测装置，可以有效检测出立木的早期腐朽变色情况，提高立木的存活率减少木材损失，同时操作方便，结构简单便于携带。
本发明的立木探伤检测装置，所依据的方案是电阻断层成像
( ERT)
技术，利用测量得到的立木截面电阻分布构建二维截面图像，进而分析立木内部特征。
本发明的立木探伤检测装置，
ERT
的工作方式是电流激励、电压测量；交变电流通过一对电极施加到被测立木表面上，当立木内的电阻率分布变化时，电流场的分布也会随之变化，相应地会引起立木外周上的测量电压也要发生变化；也就是说立木外周测量电压的变化能够反映出立木内部电阻率的变化；根据立木外周的测量电压，通过一定的成像算法，可以重建出立木截面的阻抗分布，并由此建立起立木截面的二维图像。
本发明的立木探伤检测装置，由于在电阻抗成像系统中，传感器电极和立木表面会有一定的接触电阻，为了消除该电阻的影响，本装置采用的是内阻很大的恒流源作为激励信号。
本发明的立木探伤检测装置，由于立木表面测得的信号强度不一，装置需要对这些测量电极下得到的弱电压信号进行调理。
本发明的立木探伤检测装置，采用信号选通模块，负责处理各个不同激励电极和测量电极之间的切换导通；装置采用
16
个电极的电阻抗成像技术，因此需要四个
16
路模拟开关进行循环导通激励输入和电压测量。
本发明的立木探伤检测装置，所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测系统中等位线反投影算法中权系数的确定采用的是正比于投影区域面积大小倒数的方法，可有效降低星状伪影的影响，进一步提高图像分辨率。
附图说明：
附图
1
是本发明的立木探伤检测装置结构示意图。
附图
2
是本发明的立木探伤检测装置系统图。
附图
3
是本发明的检测装置电阻抗断层成像原理图。
附图
4
是本发明的检测装置的恒流源激励信号产生模块原理图。
附图
5
是本发明的检测装置的低通滤波电路原理图。
附图
6
是本发明的检测装置的正弦激励信号产生模块电路原理图。
附图
7
是本发明的检测装置的微弱信号检测模块差分信号输入电路原理图。
附图
8
是本发明的检测装置的微弱信号检测模块差分信号程控放大原理图。
附图
9
是本发明的检测装置的微弱信号检测模块电路原理图。
附图
10
是本发明的检测装置的信号选通模块电路原理图。
附图
11
是本发明的检测装置的主控模块电路原理图。
附图
12
是本发明的检测装置的通讯模块电路原理图。
附图
13
是本发明的检测装置的电源模块电路原理图。
图中：
1
—多路开关、信号选通模块电路；
2
—激励源采集模块电路；
2-1
—压控电流源电路；
2-2
—
AD9850
信号发生器；
2-3
—
CPU
控制器；
2-4
—幅值控制电路；
2-5
—数据采样电路；
2-6
—串口通讯电路；
3
—成像计算机；
4
—电极；
5
—立木截面；
6
—模拟信号调理模块电路；
6-1
—低通滤波电路；
6-2
—解调电路；
6-3
—交流二级放大电路；
6-4
—差动一级放大电路；
6-5
—高通滤波电路；
7
—导线；
8
—壳体；
具体实施方式：
实施例
1
：
一种基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，其组成包括：装置本体，所述的装置本体
8
内部具有模拟信号调理电路
6
、激励源采集电路
2
、信号选择模块电路和多路开关控制电路
1
，所述的多路开关控制电路通过导线
7
电连接电极
4
，所述的电极连接在立木截面
5
上；所述的模拟信号调理电路又包括低通滤波电路
6-1
、解调电路
6-2
、交流二级放大电路
6-3
、差动一级放大电路
6-4
和高通滤波电路
6-5
，所述的低通滤波电路电连接解调电路，所述的解调电路电连接交流二级放大电路，所述的交流二级放大电路电连接差动一级放大电路，所述的差动一级放大电路电连接高通滤波电路；所述的激励源采集电路又包括
AD9850
信号发生器
2-2
、压控电流源电路
2-1
、
CPU
控制器
2-3
、数据采样电路
2-5
、幅值控制电路
2-4
和串口通讯电路
2-6
，所述的
AD9850
信号发生器和所述的压控电流源电路分别电连接
CPU
控制器，所述的数据采样电路和所述的串口通讯电路也分别电连接
CPU
控制器，所述的幅值控制电路电连接于压控电流源电路。
实施例
2
：
根据实施例
1
所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，所述的串口通讯电路电连接于成像计算机
3
，所述的多路开关控制电路电接于所述的高通滤波电路，所述的高通滤波电路依次电连接于所述的差动一级放大电路和所述的交流二级放大电路，所述的数据采样电路电连接于所述的低通滤波电路，所述的幅值控制电路电连接于所述的解调电路，所述的
AD9850
信号发生器电连接所述的压控电流源电路，所述的压控电流源电路电连接于所述的信号选择模块电路。
实施例
3
：
根据实施例
2
所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，所述的电连接为通过导线做为连接介质。
实施例
4
：
根据实施例
2
所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，采用的是一种电流注入、电压测量方法，在一对相邻电极上注入交变激励电流，并在其它所有相邻电极上测量电压差，得到一组能反映立木内部电阻分布的图像，该测量方法称之为相邻配置；如在被测量的立木表面四周放置
N=16
个电极，这样每一次电流注入，就会有一组
N-1=15
独立的电压测量结果（除去相邻的两个驱动电极间）；然而由于接触阻抗的存在，在与驱动电极共电极的测量电极上得到的测量电压会含有较大的误差，因此不能作为重建电阻图像的数据来源；这样一来，每一次电流注入下的独立测量电压次数就变为
N-3=13
；为了获得更多的独立电压测量数据，本发明需要采用循环方式在所有相邻电极上依次注入电流，共进行
N=16
次，每次电流注入下均能获得
N-3=13
次电压测量结果，这样一共有
N*(N-3)=208
个独立电压测量。
实施例
5
：
根据实施例
2
所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，包括激励信号输入模块，该模块通过信号选通模块选通的相邻驱动电极（
16
对）对施加
0.5
毫安的交变双极性电流，在立木横截面上产生静电场，然后利用微弱信号采集模块根据信号选通模块指定的测量电极对循环采集（
13
个）电压信号，然后将收集到的
16*13=208
个电压信号通过
RS-232
串口送到上位机进行图像重建以及后续的分析处理，这里所有模块的逻辑控制都由主控单元模块提供。
实施例
6
：
根据实施例
2
所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，如附图
4
所示，是激励信号产生模块中
AD9850
正弦信号发生器电路原理图，其中
AD9850
当供电电压
5V
时，可外接
125M
晶振，最大能输出
62.5MHZ
的正弦信号。具有
32
位的调整频率位，分辨率为
0.0291HZ
；
5
位数字相位调解，可提供不同相位的输出信号；
AD9850
输出的是电流信号，通过外接电阻将电流信号转换为电压信号；其中电流强度由外接电阻
R8
控制，当
R8=3.9K
时输出电流值大小为
10.24
毫安，其中；
AD9850
芯片提供并行和串行两种接口方式；
AD9850
配置采用的
40
位寄存器，低
32
位是频率控制字，高
8
位是输入方式以及相位控制字；为了节省主控模块端的
I/O
口，本发明采用的是串行接口方式，需要注意的是
AD9850
初始化时是并口输入，并口方式是首先输入
40
位中的高
8
位即
W32-W40
；这样，初始化上电时只需要给
W_CLK
和
FQ_UD
上升沿即可将控制字写入，将
AD9850
配置成串行输入模式；采用串行模式输入时，与并行输入方式不同，
40
位控制字中的输入顺序是
LSB
低位在前
MSB
高位在后；其中
AD9850
的第
9
脚接入的是外界时钟信号输入，即晶振输出端；
21
脚（
IOUT
）端口输出的是一定频率的电流信号，
22
脚输出的是与
21
脚成
180
度相位差的相同频率的电流信号，外接
250
欧的电阻，同时经过截止频率为
40KHZ
的
5
阶巴特沃斯低通滤波器以及
AD620
相减后生成
Vpp=2.5v
的双极性电压信号；其中
AD620
是共模抑制比为
100db
（
G=10
）带宽为
120KHZ(G=100)
，输入失调漂移
0.6uV/
℃的仅需外接电阻可调增益的低成本、低功耗高精度的仪表放大器；其中
AD620
第
6
脚输出的双极性电压信号进入双运放电压控制电流源模块中，其中主控端采用的程控
PGA203
芯片，电压跟随器采用的是
TI
公司生产的运算放大器
OP602
，第
12
脚输出端输出的是
0.5
，
1
，
2
毫安可调恒流信号。
实施例
7
：
根据实施例
2
所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，如附图
7
所示，是微弱信号检测模块，测量电极对的差分信号通过
RC
高通滤波耦合到
AD620
差分输入端，可有效避免极化效应产生的直流信号，同时
AD620
可有效去除共模输入电压，差分电压信号能顺利通过
AD620
模块；
AD620
芯片的
1
，
8
脚接
50K
欧姆时增益倍数为
2
，悬空时增益倍数为
1
；
AD620
输出端输入到程控放大器
PGA202+PGA203
，增益控制端分别为
1
，
10
，
100
，
1000
以及
1
，
2
，
4
，
8
；可根据输入信号的幅值进行适当调节，信号经过放大后进入
AD637
进行真有效值的提取，然后输入到
12
位的
TCL2543
进行
AD
转换，最后输入到主控模块。
实施例
8
：
根据实施例
2
所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，如附图
10
所示，为信号选通模块，激励信号输入的驱动电极对的选通利用的是
ADG1406
芯片，导通电阻
9.5
欧姆，轨对轨
CMOS
模拟开关；其中一个
ADG1406
的公共端接入恒流源的信号输出端，另一个
ADG1406
公共端直接接地即可；通过控制每一个芯片的
4
位逻辑控制单元输入端循环选通相邻的一对驱动电极作为激励信号的输入端；测量电极端采用的是两个
CD4067CMOS
模拟开关，导通电阻
125
欧姆，由于信号输出端是仪表放大器，输入阻抗很大因此导通电阻的影响可忽略不计。
实施例
9
：
根据实施例
2
所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，如附图
11
所示，为主控模块以及外围通讯和存储模块，以及振荡，复位电路，和指示灯以及单键盘输入单元，其中主控模块为
STC89C52RC
，
512
字节
RAM
，
8K
字节
Flash
，通讯接口是
RS232
串口，实现与上位机通讯；存储模块采用的是
AT24C16
，
2048
字节，串行
IIC
总线接口的
EEPROM
；其中电源模块采用的正负
12
伏供电，通过
7805
和
7905
稳压芯片后转换成正负
5v
电压，实现系统不同单元的供电；其中数字地和模拟地采用通过
0
欧姆电阻在电源入口处相连实现模数隔离。
实施例
10
：
一种利用实施例
1
至
9
所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置的检测方法，其工作流程如下：本系统的控制中心向下位机发送采集指令，下位机的
CPU
控制器接收到命令后，利用信号选通模块，循环选择相邻两个电极作为电流输入端，剩余的电极对作为电压测量端；根据静电场理论，当在立木横截面的任何一对相邻电极间输入电流时都会在内部建立一个场域，如将场域内的相同电势的点连接成线，就成了一系列的等位线；其中起始于边界节点的等位线会终止在输入电流的两个电极之间；立木横截面上的任何两个电极间的电压通过高通滤波去除直流成分干扰后，进入高阻抗差分放大器，再经过二级差分放大，利用
AD637
模块进行真有效值的计算，最终输出的直流信号通过
TCL2543
芯片进行
AD
转换保存在下位机
E2PROM
中；当下位机收集好所有的独立电压测量值后，通过
RS232
口上传给控制中心；控制中心利用等位线反投影算法处理分析这些数据并利用成像方式显示被测立木横截面内容的电阻率变化情况；其中等位线反投影算法的基本思想是，假设内部电阻率发生变化后等位线分布没有发生变化的情况下，内部电阻率的变化会影响到与其相关的边界电压值发生改变；控制中心首先将这些采集器传上来的边界节点电压值进行标准化处理，根据相应的影响关系（等位线投影区域）反投影到内部单元的电阻率的变化情况，并通过
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个循环输入将这些反馈结果进行叠加，最终生成一个能反映出内容单元电阻率变化的图像；其中标准化处理的方法是将采集到的电压值与电阻率均匀分布情况下通过正问题求解计算得到的边界电压相减后再相除，以消除量纲影响；影响关系则可通过反投影矩阵表达；另外，传统等位线反投影算法利用的是当内部单元电阻率发生变化时会影响到边界节点电压的变化这一原理，而这种变化在算法中都被均匀地反馈到投影区域中，因此会造成了实际上未变化的单元根据投影矩阵也同样被误认为发生了改变；为此，本系统通过设定影响面积权重参数，将投影区域大的边界电压对单元的影响缩小，以减少星状伪影的影响；最后系统将求得的各个单元电阻率的值转换成颜色值进行立木横截面电阻率成像的显示。
Claims (4)
1.一种基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，其组成包括：装置本体，其特征是：所述的装置本体内部具有模拟信号调理电路、激励源采集电路、信号选择模块电路和多路开关控制电路，所述的多路开关控制电路通过导线电连接电极，所述的电极连接在立木截面上；所述的模拟信号调理电路又包括低通滤波电路、解调电路、交流二级放大电路、差动一级放大电路和高通滤波电路，所述的低通滤波电路电连接解调电路，所述的解调电路电连接交流二级放大电路，所述的交流二级放大电路电连接差动一级放大电路，所述的差动一级放大电路电连接高通滤波电路；所述的激励源采集电路又包括AD9850信号发生器、压控电流源电路、CPU控制器、数据采样电路、幅值控制电路和串口通讯电路，所述的AD9850信号发生器和所述的压控电流源电路分别电连接CPU控制器，所述的数据采样电路和所述的串口通讯电路也分别电连接CPU控制器，所述的幅值控制电路电连接于压控电流源电路。
2.根据权利要求1所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，其特征是：所述的串口通讯电路电连接于成像计算机，所述的多路开关控制电路电接于所述的高通滤波电路，所述的高通滤波电路依次电连接于所述的差动一级放大电路和所述的交流二级放大电路，所述的数据采样电路电连接于所述的低通滤波电路，所述的幅值控制电路电连接于所述的解调电路，所述的AD9850信号发生器电连接所述的压控电流源电路，所述的压控电流源电路电连接于所述的信号选择模块电路。
3.根据权利要求2所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置，其特征是：所述的电连接为通过导线做为连接介质。
4.一种利用权利要求1至3所述的基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置的检测方法，其特征是：其工作流程如下：本系统的控制中心向下位机发送采集指令，下位机的CPU控制器接收到命令后，利用信号选通模块，循环选择相邻两个电极作为电流输入端，剩余的电极对作为电压测量端；根据静电场理论，当在立木横截面的任何一对相邻电极间输入电流时都会在内部建立一个场域，如将场域内的相同电势的点连接成线，就成了一系列的等位线；其中起始于边界节点的等位线会终止在输入电流的两个电极之间；立木横截面上的任何两个电极间的电压通过高通滤波去除直流成分干扰后，进入高阻抗差分放大器，再经过二级差分放大，利用AD637模块进行真有效值的计算，最终输出的直流信号通过TCL2543芯片进行AD转换保存在下位机E2PROM中；当下位机收集好所有的独立电压测量值后，通过RS232口上传给控制中心；控制中心利用等位线反投影算法处理分析这些数据并利用成像方式显示被测立木横截面内容的电阻率变化情况；其中等位线反投影算法的基本思想是，假设内部电阻率发生变化后等位线分布没有发生变化的情况下，内部电阻率的变化会影响到与其相关的边界电压值发生改变；控制中心首先将这些采集器传上来的边界节点电压值进行标准化处理，根据相应的影响关系（等位线投影区域）反投影到内部单元的电阻率的变化情况，并通过1个循环输入将这些反馈结果进行叠加，最终生成一个能反映出内容单元电阻率变化的图像；其中标准化处理的方法是将采集到的电压值与电阻率均匀分布情况下通过正问题求解计算得到的边界电压相减后再相除，以消除量纲影响；影响关系则可通过反投影矩阵表达；另外，传统等位线反投影算法利用的是当内部单元电阻率发生变化时会影响到边界节点电压的变化这一原理，而这种变化在算法中都被均匀地反馈到投影区域中，因此会造成了实际上未变化的单元根据投影矩阵也同样被误认为发生了改变；为此，本系统通过设定影响面积权重参数，将投影区域大的边界电压对单元的影响缩小，以减少星状伪影的影响；最后系统将求得的各个单元电阻率的值转换成颜色值进行立木横截面电阻率成像的显示。
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