CN107144635B - 一种木质材料超声无损分类检测系统的检测方法 - Google Patents

一种木质材料超声无损分类检测系统的检测方法 Download PDF

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Abstract

一种木质材料超声无损分类检测系统，包括上位机、超声无损检测仪、机架、发射换能器和接收换能器，所述发射换能器和接收换能器通过上下耦合剂层与待测木材的上下表面相接触，其特征在于：所述发射换能器和接收换能器分别通过第一电动调节机构和第二电动调节机构安装在机架上以使发射换能器和接收换能器可沿XYZ三方向调整位置，还包括夹持装置和图像采集装置。该木质材料超声无损分类检测系统不仅可正确分类待测木材、而且可检测待测木材质量、且检测效率大大提高。另外还提供一种应用于上述木质材料超声无损分类检测系统的检测方法。

Description

一种木质材料超声无损分类检测系统的检测方法
技术领域
本发明涉及分类检测技术领域，具体涉及一种木质材料超声无损分类检测系统的检测方法。
背景技术
现有的木质材料超声无损分类检测系统，其结构如图1所示，包括上位机1a、超声无损检测仪2a、机架3a、以及安装在机架3a上且上下相对设置的发射换能器4a和接收换能器5a，所述超声无损检测仪2a包括超声信号激励模块6a、信号调理模块7a、数字化信号处理模块8a，所述超声无损检测仪2a的超声信号激励模块6a与发射换能器4a电连接，所述发射换能器4a和接收换能器5a通过上下耦合剂层9a与待测木材的上下表面相接触，所述发射换能器4a的轴线与接收换能器5a的轴线重合，所述接收换能器5a与超声无损检测仪2a的信号调理模块7a电连接，所述信号调理模块7a与数字化信号处理模块8a电连接，所述数字化信号处理模块8a与上位机1a通信连接。假设发射换能器4a设置在接收换能器5a的上面，其工作过程如下：检测时，超声信号激励模块6a产生预设幅值和脉宽的方波信号作为输入，激励发射换能器4a产生超声波，超声波透过上层耦合剂层9a，垂直于待检木材的上表面透射进入待测木材内部，并在待测木材内部沿材料的弹性对称轴传播，在待测木材内部经历一系列的透射和反射后，一部分超声波透射出待测木材，经过下层耦合剂层9a后进入接收换能器5a，得到输出信号Eout；同时，将发射换能器4a和接收换能器5a通过一层耦合剂层9a对心贴紧，测取接收换能器5a的参考信号Er，所述输出信号Eout和参考信号Er经信号调理模块7a和数字化信号处理模块8a后传输给上位机1a，由上位机1a根据输出信号Eout和参考信号Er自动分析待测木材的种类。
但是现有的木质材料超声无损分类检测系统仍然存在以下技术问题：由于现有的木质材料超声无损分类检测系统在分类的时候，一般没有考虑到待测木材本身存在的表面缺陷和/或内部缺陷，不仅无法得知待测木材的质量，而且假如发射换能器4a发射的超声波恰好经过缺陷所在的区域，这样就会使接收换能器5a得到的输出信号Eout并不准确，从而影响了上位机1a对待测木材的正确分类；即使能够判断出存在缺陷，但由于现有的发射换能器4a和接收换能器5a一般是手动调节位置的，假设可以手动调节发射换能器4a和接收换能器5a的位置以避开缺陷位置，但还要同时保持发射换能器4a的轴线与接收换能器5a的轴线重合，这无疑增加了调节的难度，并且有些时候需要多次调节才能避开缺陷位置，因此检测效率大大下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种不仅可正确分类待测木材、而且可检测待测木材质量、且检测效率大大提高的木质材料超声无损分类检测系统。
本发明的技术解决方案是：一种木质材料超声无损分类检测系统，包括上位机、超声无损检测仪、机架、以及安装在机架上且上下相对设置的发射换能器和接收换能器，所述超声无损检测仪包括超声信号激励模块、信号调理模块、数字化信号处理模块，所述超声无损检测仪的超声信号激励模块与发射换能器电连接，所述发射换能器和接收换能器通过上下耦合剂层与待测木材的上下表面相接触，所述接收换能器与超声无损检测仪的信号调理模块电连接，所述信号调理模块与数字化信号处理模块电连接，所述数字化信号处理模块与上位机通信连接，其特征在于：所述发射换能器和接收换能器分别通过第一电动调节机构和第二电动调节机构安装在机架上以使发射换能器和接收换能器可沿XYZ三方向调整位置，还包括设置在机架上的用于固定待测木材的夹持装置、以及用于获取待测木材、发射换能器和接收换能器位置信息的图像采集装置，所述图像采集装置与上位机通信连接，所述第一电动调节机构和第二电动调节机构均与数字化信号处理模块电连接。
采用上述结构后，本发明具有以下优点：
本发明木质材料超声无损分类检测系统利用图像采集装置可获得待测木材的三维模型并识别表面缺陷，上位机可根据三维模型和表面缺陷进行轨迹规划，规划的轨迹点避开表面缺陷处；其次利用图像采集装置可获得待测木材、发射换能器和接收换能器的位置以方便控制各电动调节机构，可实现多个规划的轨迹点的检测，从而可通过多个规划的轨迹点检测到的输出信号Eout1、Eout2…EoutN的平均值来进行分类，使得分类结果较为准确；此外还可根据多个规划的轨迹点的差异性来判断是否存在内部缺陷，从而也可对待测木材的质量进行了检测；上述检测过程无需人工参与，而是由上位机自动协调控制各部件工作，智能化水平和检测效率均较高。
作为优选，所述图像采集装置包括两个摄像头，所述两个摄像头分别位于待测木材的上方和下方。在待测木材的上方和下方分别设置摄像头可使三维模型的提取和表面缺陷的识别更为精确，并且两个摄像头相比专用的三维扫描仪价格要低廉很多。
作为优选，所述两个摄像头均为电动旋转摄像头。该设置可自动调节摄像头的位置，适应性更强，并且可多角度拍摄图像以使三维模型的提取和表面缺陷的识别更为精确。
作为优选，所述夹持装置由透明材料制成。该设置可便于图像采集装置采集待测木材的图像。
作为优选，还包括RFID读写器和RFID标签，所述上位机通过RFID读写器读取或写入RFID标签，所述RFID标签用于粘附在测试完毕的木材上。该设置可将分类结果和木材质量等信息通过RFID读写器写入RFID卡，并粘附在相应的木材上，可方便使用。
本发明要解决的另一技术问题是：提供一种不仅可正确分类待测木材、而且可检测待测木材质量、且检测效率大大提高的应用于木质材料超声无损分类检测系统的检测方法。
本发明的另一技术解决方案是：一种应用于木质材料超声无损分类检测系统的检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)上位机自动控制第一电动调节机构和第二电动调节机构以增大两者的间隙，将待测木材固定在夹持装置上；
(2)上位机控制图像采集装置自动采集待测木材、发射换能器和接收换能器的图像，上位机自动根据采集到的待测木材的图像提取待测木材的三维模型并识别表面缺陷，然后根据三维模型进行轨迹规划，且所有规划的轨迹点均不位于表面缺陷所在的位置处；
(3)在待测木材的上下表面分别涂覆上下耦合剂层，上位机自动控制第一电动调节机构和第二电动调节机构以使发射换能器和接收换能器到达第一规划轨迹点并使两者通过上下耦合剂层与待测木材的上下表面相接触，启动超声无损检测仪的超声信号激励模块产生预设幅值和脉宽的方波信号作为输入，激励发射换能器产生超声波，接收换能器接收部分透射出待测木材的超声波输出的第一输出信号Eout1；
(4)第一规划轨迹点测试完毕后继续按步骤(3)测试第二至第N规划轨迹点并得到第二至第N输出信号Eout2…EoutN，在各规划的轨迹点处保持发射换能器的中心轴线与接收换能器的中心轴线重合；
(5)所有规划轨迹点测试完毕后，上位机自动调节第一电动调节机构和第二电动调节机构使发射换能器和接收换能器通过一层耦合剂层对心贴紧，并测取接收换能器的参考信号Er，所述参考信号Er和各规划轨迹点的输出信号Eout1、Eout2…EoutN经超声无损检测仪的信号调理模块和数字化信号处理模块后传输给上位机；
(6)上位机根据各规划轨迹点的输出信号Eout1、Eout2…EoutN的差异性判断待测木材是否存在缺陷，若是，则初步剔除各规划的轨迹点Eout1、Eout2…EoutN中位于缺陷处的点并进入下一步，若否，则不进行剔除而直接进入下一步；
(7)上位机设计木质材料分类器自动根据剔除后剩余的规划轨迹点的输出信号的平均值Eout'和参考信号Er自动分析待测木材的种类，若无法得到分类结果，则继续剔除部分规划的轨迹点并重复本步骤，若所有规划的轨迹点均剔除完毕，仍无法得到分类结果，则说明该待测木材已完全损坏。
采用上述方法后，本发明具有以下优点：
本发明应用于木质材料超声无损分类检测系统的检测方法利用图像采集装置可获得待测木材的三维模型并识别表面缺陷，上位机可根据三维模型和表面缺陷进行轨迹规划，规划的轨迹点避开表面缺陷处；其次利用图像采集装置可获得待测木材、发射换能器和接收换能器的位置以方便控制各电动调节机构，可实现多个规划的轨迹点的检测，从而可通过多个规划的轨迹点检测到的输出信号Eout1、Eout2…EoutN的平均值来进行分类，使得分类结果较为准确；此外还可根据多个规划的轨迹点的差异性来判断是否存在内部缺陷，从而也可对待测木材的质量进行了检测；上述检测过程无需人工参与，而是由上位机自动协调控制各部件工作，智能化水平和检测效率均较高。
作为优选，还包括RFID读写器和RFID标签，在所述步骤(7)得到分类结果后，由上位机通过RFID读写器将分类结果及缺陷信息写入RFID标签，再将RFID标签粘附在测试完毕的木材上。该设置可将分类结果和缺陷信息写入RFID标签并与相应的木材绑定，使得后续的使用更加方便合理，只要通过上位机读取RFID标签即可获得相关的信息，更利于信息的整合。
作为优选，所述步骤(7)中木质材料分类器采用基于PSO-SVM的木质材料分类器，利用粒子群优化算法PSO对支持向量机SVM的结构参数进行优化，并应用ReliefF算法对上位机提取的多个特征参数进行分析处理，选择其中最具代表性的特征参数作为木质材料分类器的输入。通过ReliefF算法选取出最有代表性的分类能力较强木材超声信号特征，降低使用特征的维数，实现保证分类准确率同时又减少分类工作量，从而提高在线分类的效率；采用粒子群优化算法PSO对支持向量机SVM进行优化，解决了支持向量机参数选择的难题，明显提高了木质材料的分类准确率。
附图说明：
图1为现有木质材料超声无损分类检测系统的功能原理图；
图2为本发明木质材料超声无损分类检测系统的功能原理图；
现有技术图中：1a-上位机，2a-超声无损检测仪，3a-机架，4a-发射换能器，5a-接收换能器，6a-超声信号激励模块，7a-信号调理模块，8a-数字化信号处理模块，9a-耦合剂层；
本发明图中：1-上位机，2-超声无损检测仪，3-机架，4-发射换能器，5-接收换能器，6-超声信号激励模块，7-信号调理模块，8-数字化信号处理模块，9-耦合剂层，10-第一电动调节机构，11-第二电动调节机构，12-夹持装置，13-图像采集装置，15-摄像头，16-RFID读写器，17-RFID标签。
具体实施方式
下面结合附图，并结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1：
一种木质材料超声无损分类检测系统，包括上位机1、超声无损检测仪2、机架3、以及安装在机架3上且上下相对设置的发射换能器4和接收换能器5，所述超声无损检测仪2包括超声信号激励模块6、信号调理模块7、数字化信号处理模块8，所述超声无损检测仪2的超声信号激励模块6与发射换能器4电连接，所述发射换能器4和接收换能器5通过上下耦合剂层9与待测木材的上下表面相接触，所述接收换能器5与超声无损检测仪2的信号调理模块7电连接，所述信号调理模块7与数字化信号处理模块8电连接，所述数字化信号处理模块8与上位机1通信连接，所述发射换能器4和接收换能器5分别通过第一电动调节机构10和第二电动调节机构11安装在机架3上以使发射换能器4和接收换能器5可沿XYZ三方向调整位置，还包括设置在机架3上的用于固定待测木材的夹持装置12、以及用于获取待测木材、发射换能器4和接收换能器5位置信息的图像采集装置13，所述图像采集装置13与上位机1通信连接，所述第一电动调节机构10和第二电动调节机构11均与数字化信号处理模块8电连接，所述第一电动调节机构10、第二电动调节机构11、夹持装置12采用现有技术即可。
本发明木质材料超声无损分类检测系统利用图像采集装置13可获得待测木材的三维模型并识别表面缺陷，上位机1可根据三维模型和表面缺陷进行轨迹规划，规划的轨迹点避开表面缺陷处；其次利用图像采集装置13可获得待测木材、发射换能器4和接收换能器5的位置以方便控制各电动调节机构，可实现多个规划的轨迹点的检测，从而可通过多个规划的轨迹点检测到的输出信号Eout1、Eout2…EoutN的平均值来进行分类，使得分类结果较为准确；此外还可根据多个规划的轨迹点的差异性来判断是否存在内部缺陷，从而也可对待测木材的质量进行了检测；上述检测过程无需人工参与，而是由上位机1自动协调控制各部件工作，智能化水平和检测效率均较高。
作为优选，所述图像采集装置13包括两个摄像头15，所述两个摄像头15分别位于待测木材的上方和下方。在待测木材的上方和下方分别设置摄像头15可使三维模型的提取和表面缺陷的识别更为精确，并且两个摄像头15相比专用的三维扫描仪价格要低廉很多。
作为优选，所述两个摄像头15均为电动旋转摄像头15。该设置可自动调节摄像头15的位置，适应性更强，并且可多角度拍摄图像以使三维模型的提取和表面缺陷的识别更为精确。
作为优选，所述夹持装置12由透明材料制成。该设置可便于图像采集装置13采集待测木材的图像。
作为优选，还包括RFID读写器16和RFID标签17，所述上位机1通过RFID读写器16读取或写入RFID标签17，所述RFID标签17用于粘附在测试完毕的木材上。该设置可将分类结果和木材质量等信息通过RFID读写器16写入RFID卡，并粘附在相应的木材上，可方便使用。
实施例2：
一种应用于木质材料超声无损分类检测系统的检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)上位机1自动控制第一电动调节机构10和第二电动调节机构11以增大两者的间隙，将待测木材固定在夹持装置12上；
(2)上位机1控制图像采集装置13自动采集待测木材、发射换能器4和接收换能器5的图像，上位机1自动根据采集到的待测木材的图像提取待测木材的三维模型并识别表面缺陷，然后根据三维模型进行轨迹规划，且所有规划的轨迹点均不位于表面缺陷所在的位置处；
(3)在待测木材的上下表面分别涂覆上下耦合剂层9，上位机1自动控制第一电动调节机构10和第二电动调节机构11以使发射换能器4和接收换能器5到达第一规划轨迹点并使两者通过上下耦合剂层9与待测木材的上下表面相接触，启动超声无损检测仪2的超声信号激励模块6产生预设幅值和脉宽的方波信号作为输入，激励发射换能器4产生超声波，接收换能器5接收部分透射出待测木材的超声波输出的第一输出信号Eout1；
(4)第一规划轨迹点测试完毕后继续按步骤(3)测试第二至第N规划轨迹点并得到第二至第N输出信号Eout2…EoutN，在各规划的轨迹点处保持发射换能器4的中心轴线与接收换能器5的中心轴线重合；
(5)所有规划轨迹点测试完毕后，上位机1自动调节第一电动调节机构10和第二电动调节机构11使发射换能器4和接收换能器5通过一层耦合剂层9对心贴紧，并测取接收换能器5的参考信号Er，所述参考信号Er和各规划轨迹点的输出信号Eout1、Eout2…EoutN经超声无损检测仪2的信号调理模块7和数字化信号处理模块8后传输给上位机1；
(6)上位机1根据各规划轨迹点的输出信号Eout1、Eout2…EoutN的差异性判断待测木材是否存在缺陷，若是，则初步剔除各规划的轨迹点Eout1、Eout2…EoutN中位于缺陷处的点并进入下一步，若否，则不进行剔除而直接进入下一步；
(7)上位机1设计木质材料分类器自动根据剔除后剩余的规划轨迹点的输出信号的平均值Eout'和参考信号Er自动分析待测木材的种类，若无法得到分类结果，则继续剔除部分规划的轨迹点并重复本步骤，若所有规划的轨迹点均剔除完毕，仍无法得到分类结果，则说明该待测木材已完全损坏。
本发明应用于木质材料超声无损分类检测系统的检测方法利用图像采集装置13可获得待测木材的三维模型并识别表面缺陷，上位机1可根据三维模型和表面缺陷进行轨迹规划，规划的轨迹点避开表面缺陷处；其次利用图像采集装置13可获得待测木材、发射换能器4和接收换能器5的位置以方便控制各电动调节机构，可实现多个规划的轨迹点的检测，从而可通过多个规划的轨迹点检测到的输出信号Eout1、Eout2…EoutN的平均值来进行分类，使得分类结果较为准确；此外还可根据多个规划的轨迹点的差异性来判断是否存在内部缺陷，从而也可对待测木材的质量进行了检测；上述检测过程无需人工参与，而是由上位机1自动协调控制各部件工作，智能化水平和检测效率均较高。
作为优选，还包括RFID读写器和RFID标签，在所述步骤(7)得到分类结果后，由上位机通过RFID读写器将分类结果及缺陷信息写入RFID标签，再将RFID标签粘附在测试完毕的木材上。该设置可将分类结果和缺陷信息写入RFID标签并与相应的木材绑定，使得后续的使用更加方便合理，只要通过上位机读取RFID标签即可获得相关的信息，更利于信息的整合。
作为优选，所述步骤(7)中木质材料分类器采用基于PSO-SVM的木质材料分类器，利用粒子群优化算法PSO对支持向量机SVM的结构参数进行优化，并应用ReliefF算法对上位机1提取的多个特征参数进行分析处理，选择其中最具代表性的特征参数作为木质材料分类器的输入，所述基于PSO-SVM的木质材料分类器为现有技术，所述ReliefF算法也为现有技术，这里不再赘述。通过ReliefF算法选取出最有代表性的分类能力较强木材超声信号特征，降低使用特征的维数，实现保证分类准确率同时又减少分类工作量，从而提高在线分类的效率；采用粒子群优化算法PSO对支持向量机SVM进行优化，解决了支持向量机参数选择的难题，明显提高了木质材料的分类准确率。

Claims (3)

1.一种木质材料超声无损分类检测系统的检测方法，所述木质材料超声无损分类检测系统包括上位机(1)、超声无损检测仪(2)、机架(3)、以及安装在机架(3)上且上下相对设置的发射换能器(4)和接收换能器(5)，所述超声无损检测仪(2)包括超声信号激励模块(6)、信号调理模块(7)、数字化信号处理模块(8)，所述超声无损检测仪(2)的超声信号激励模块(6)与发射换能器(4)电连接，所述发射换能器(4)和接收换能器(5)通过上下耦合剂层(9)与待测木材的上下表面相接触，所述接收换能器(5)与超声无损检测仪(2)的信号调理模块(7)电连接，所述信号调理模块(7)与数字化信号处理模块(8)电连接，所述数字化信号处理模块(8)与上位机(1)通信连接，所述发射换能器(4)和接收换能器(5)分别通过第一电动调节机构(10)和第二电动调节机构(11)安装在机架(3)上以使发射换能器(4)和接收换能器(5)可沿XYZ三方向调整位置，还包括设置在机架(3)上的用于固定待测木材的夹持装置(12)、以及用于获取待测木材、发射换能器(4)和接收换能器(5)位置信息的图像采集装置(13)，所述图像采集装置(13)与上位机(1)通信连接，所述第一电动调节机构(10)和第二电动调节机构(11)均与数字化信号处理模块(8)电连接，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)上位机(1)自动控制第一电动调节机构(10)和第二电动调节机构(11)以增大两者的间隙，将待测木材固定在夹持装置(12)上；
(2)上位机(1)控制图像采集装置(13)自动采集待测木材、发射换能器(4)和接收换能器(5)的图像，上位机(1)自动根据采集到的待测木材的图像提取待测木材的三维模型并识别表面缺陷，然后根据三维模型进行轨迹规划，且所有规划的轨迹点均不位于表面缺陷所在的位置处；
(3)在待测木材的上下表面分别涂覆上下耦合剂层(9)，上位机(1)自动控制第一电动调节机构(10)和第二电动调节机构(11)以使发射换能器(4)和接收换能器(5)到达第一规划轨迹点并使两者通过上下耦合剂层(9)与待测木材的上下表面相接触，启动超声无损检测仪(2)的超声信号激励模块(6)产生预设幅值和脉宽的方波信号作为输入，激励发射换能器(4)产生超声波，接收换能器(5)接收部分透射出待测木材的超声波输出的第一输出信号Eout1；
(4)第一规划轨迹点测试完毕后继续按步骤(3)测试第二至第N规划轨迹点并得到第二至第N输出信号Eout2…EoutN，在各规划的轨迹点处保持发射换能器(4)的中心轴线与接收换能器(5)的中心轴线重合；
(5)所有规划轨迹点测试完毕后，上位机(1)自动调节第一电动调节机构(10)和第二电动调节机构(11)使发射换能器(4)和接收换能器(5)通过一层耦合剂层(9)对心贴紧，并测取接收换能器(5)的参考信号Er，所述参考信号Er和各规划轨迹点的输出信号Eout1、Eout2…EoutN经超声无损检测仪(2)的信号调理模块(7)和数字化信号处理模块(8)后传输给上位机(1)；
(6)上位机(1)根据各规划轨迹点的输出信号Eout1、Eout2…EoutN的差异性判断待测木材是否存在缺陷，若是，则初步剔除各规划的轨迹点Eout1、Eout2…EoutN中位于缺陷处的点并进入下一步，若否，则不进行剔除而直接进入下一步；
(7)上位机(1)设计木质材料分类器自动根据剔除后剩余的规划轨迹点的输出信号的平均值Eout'和参考信号Er自动分析待测木材的种类，若无法得到分类结果，则继续剔除部分规划的轨迹点并重复本步骤，直至所有规划的轨迹点均剔除完毕，若最后仍无法得到分类结果，则说明该待测木材已完全损坏。
2.根据权利要求1所述的一种木质材料超声无损分类检测系统的检测方法，其特征在于：还包括RFID读写器(16)和RFID标签(17)，在所述步骤(7)得到分类结果后，由上位机(1)通过RFID读写器(16)将分类结果及缺陷信息写入RFID标签(17)，再将RFID标签(17)粘附在测试完毕的木材上。
3.根据权利要求1所述的一种木质材料超声无损分类检测系统的检测方法，其特征在于：所述步骤(7)中木质材料分类器采用基于PSO-SVM的木质材料分类器，利用粒子群优化算法PSO对支持向量机SVM的结构参数进行优化，并应用ReliefF算法对上位机(1)提取的多个特征参数进行分析处理，选择其中最具代表性的特征参数作为木质材料分类器的输入。
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