CN107300587B - 树木缺陷检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种树木缺陷检测方法，本发明通过数学模型得出纵截面上应力波理论传播速度，再通过实验得出样本木材内部应力波传播速度状况，并对比二者之间的关系标记出异常路径，从而找到缺陷位置以及确定缺陷大小；本发明具有检测精度高，实用性强的特点。

Description

树木缺陷检测方法
技术领域
本发明属于木材无损检测领域，涉及一种检测精确度高，操作简便的树木缺陷检测方法。
背景技术
随着计算机技术、传感技术及无损检测技术的发展，树木物理、力学性质和缺陷的检测技术也上升到了新的水平。由于应力波无损检测技术的经济性和方便性，受到林业研究人员和业界的广泛关注。
现有技术的应力波无损检测技术存在如下缺点：以横截面为主对木材内部进行检测，检测不全面，无法准确检测木材内部的缺陷。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中的检测方法检测不全面，无法准确检测木材内部缺陷的不足，提供了一种检测精确度高，操作简便的树木缺陷检测方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种树木缺陷检测方法，包括m个应力波传感器、应力波检测仪、存储器和计算机；应力波检测仪分别与每个应力波传感器、存储器和计算机电连接，m＝2n，n为自然数；包括如下步骤：
(3-1)选取活的树木，在高度范围L至H内，测量树木的树干的周长和直径d；在计算机中画出高度范围L至H内的树干立体模型图，在树干立体模型图上选取一条径向边缘线，设定均过径向边缘线的2n-1条纵截面，使第1个纵截面过树干横截面的直径，第1个纵截面、第2个纵截面至第n纵截面依次逆时针排列，第n+1个纵截面至第2n-1纵截面依次顺时针排列，相邻纵截面之间的夹角为90/n度；
(3-2)安装应力波传感器；
(3-3)检测应力波纵向传播速度Vl和横向传播速度Vr；
(3-4)计算每条应力波传播路径的应力波传播速度理论值V′；
(3-5)使用脉冲锤按照第1应力波传感器至第m应力波传感器的顺序进行敲击，记录被敲击的应力波传感器之外的其它应力波传感器收到应力波的时刻，计算得到每条应力波传播路径的传播速度实验值v；
利用公式
Figure BDA0001215542210000021
计算第k纵截面中的每条应力波传播路径的传播速度误差e；
将满足e≥W的每条应力波传播路径设为异常路径，将异常路径保存到计算机中，W为误差阈值；
(3-6)当k＜2n-1，则使k增加1；
将第1个应力波传感器至第n个应力波传感器自上至下安装到第k纵截面的左侧，将第n+1个应力波传感器至第m个应力波传感器自下至上安装到第k纵截面右侧；第k纵截面两侧的各个传感器一一对称分布，同侧的传感器间距为h1；转入步骤(3-5)；
(3-7)计算机将异常路径集中的区域设为缺陷区域，在计算机中画出缺陷区域。
本发明的各个传感器分别设置于树木两侧，通过改变传感器之间的间距来检测不同位置大小的树木内部缺陷情况，通过改变传感器与径截面的角度α，从而使检测更为全面。
应力波检测仪、存储器对所采集到的应力波传播速度、时间等进行计算统计，无线蓝牙模块将信息传达至计算机，通过计算机显示出来，根据系统选择的树种、形状、尺寸进行分析，并得出树木内部缺陷状况的判断。
本发明通过数学模型得出纵截面上应力波理论传播速度，再通过实验得出样本木材内部应力波传播速度状况，并对比二者之间的关系标记出异常路径，从而找到缺陷位置以及确定缺陷大小。本发明检测精度高，对于检测纵向木材健康状况具有较强实用性，具有较强推广与应用价值。
作为优选，步骤(3-2)包括如下步骤：
将第1个应力波传感器至第n个应力波传感器自上至下安装到第k纵截面的左侧，将第n+1个应力波传感器至第m个应力波传感器自下至上安装到第k纵截面右侧；第k纵截面两侧的各个传感器一一对称分布，同侧的传感器间距为h1。
作为优选，步骤(3-3)包括如下步骤：
用脉冲锤敲击第1个应力波传感器，计算机利用第n个应力波传感器和第m个应力波传感器接收应力波信号，计算应力波纵向传播速度Vl和横向传播速度Vr；计算机根据树干立体模型图计算出任意两个应力波传感器的连线与水平面的夹角θ。
作为优选，步骤(3-4)包括如下步骤：
设定每个应力波传感器的位置地址为(α，θ)，任意两个应力波传感器之间构成1条应力波传播路径，α为每个应力波传感器所在的纵截面与第1纵截面之间的夹角；
利用公式
Figure BDA0001215542210000041
计算每条应力波传播路径的应力波传播速度理论值V′。
作为优选，应力波纵向传播速度Vl和横向传播速度Vr的计算方法如下：
计算机记录脉冲锤敲击第1个应力波传感器的时刻T1，第n个应力波传感器收到应力波信号的时刻T2，第m个应力波传感器接收应力波信号的时刻T3；
利用公式
Figure BDA0001215542210000042
计算Vl，利用公式
Figure BDA0001215542210000043
计算Vr。
作为优选，计算机根据树干立体模型图计算出在每个纵截面中被敲击的应力波传感器和其它应力波传感器之间的距离D，
计算机记录脉冲锤敲击应力波传感器的时刻T4，其它应力波传感器收到应力波信号的时刻T5；
用公式
Figure BDA0001215542210000044
计算v。
作为优选，在高度范围L至H内，每间隔1cm至3cm测量一次树干的周长和直径。
作为优选，W为13％至17％。
因此，本发明具有如下有益效果：检测精确度高、操作方便、实用性强，适于推广。
附图说明
图1是本发明的一种原理框图；
图2是本发明的树木的一种结构示意图；
图3本发明的树木实物及传感器布置图；
图4是本发明的一种立体模型图；
图5是本发明的6个纵截面的一种比较图；
图6是本发明的5个纵截面的一种比较图；
图7是本发明的15°纵截面的一种应力波传播速度拟合图；
图8是本发明的30°纵截面的一种应力波传播速度拟合图；
图9是本发明的一种流程图。
图中：应力波传感器1、应力波检测仪2、存储器3、计算机4、蓝牙模块5、树木6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示的实施例是一种树木缺陷检测方法，包括m个应力波传感器1、应力波检测仪2、存储器3和计算机4；应力波检测仪分别与每个应力波传感器、存储器和计算机电连接，m＝12。
如图9所示，包括如下步骤：
步骤100，测量树木、获得纵截面线
选取活的树木，在高度范围1米至1.7米内，测量树木的树干的周长和直径d；每间隔2cm测量一次树干的周长和直径。
在计算机中画出高度范围1米至1.7米内的树干立体模型图，在树干立体模型图上选取一条径向边缘线，设定均过径向边缘线的11条纵截面，使第1个纵截面过树干横截面的直径，第1个纵截面、第2个纵截面至第6纵截面依次逆时针排列，第1个纵截面、第7个纵截面至第11纵截面依次顺时针排列，相邻纵截面之间的夹角为15度；
步骤200，安装应力波传感器
将第1个应力波传感器至第6个应力波传感器自上至下安装到第k纵截面的左侧，将第7个应力波传感器至第12个应力波传感器自下至上安装到第k纵截面右侧；第k纵截面两侧的各个传感器一一对称分布，同侧的传感器间距h1为10厘米；k的初始值为1；
步骤300，检测应力波纵向传播速度Vl和横向传播速度Vr
用脉冲锤敲击第1个应力波传感器，计算机利用第6个应力波传感器和第12个应力波传感器接收应力波信号，计算应力波纵向传播速度Vl和横向传播速度Vr；计算机根据树干立体模型图计算出任意两个应力波传感器的连线与水平面的夹角θ。
步骤400，计算每条应力波传播路径的应力波传播速度理论值V′
设定每个应力波传感器的位置地址为(d，θ)，任意两个应力波传感器之间构成1条应力波传播路径，α为每个应力波传感器所在的纵截面与第1纵截面之间的夹角；
利用公式
Figure BDA0001215542210000061
计算每条应力波传播路径的应力波传播速度理论值V′。
步骤500，计算传播速度误差e，确定异常路径
使用脉冲锤按照第1应力波传感器至第12应力波传感器的顺序进行敲击，记录被敲击的应力波传感器之外的其它应力波传感器收到应力波的时刻，计算得到每条应力波传播路径的传播速度实验值v；
计算机根据树干立体模型图计算出在每个纵截面中被敲击的应力波传感器和其它应力波传感器之间的距离D，
计算机记录脉冲锤敲击应力波传感器的时刻T4，其它应力波传感器收到应力波信号的时刻T5；
用公式
Figure BDA0001215542210000071
计算v。
利用公式
Figure BDA0001215542210000072
计算第k纵截面中的每条应力波传播路径的传播速度误差e；
将满足e≥W的每条应力波传播路径设为异常路径，将异常路径保存到计算机中，W为误差阈值，W＝15％；
步骤600，换位置安装应力波传感器
当k＜11，则使k增加1；
将第1个应力波传感器至第6个应力波传感器自上至下安装到第k纵截面的左侧，将第7个应力波传感器至第11个应力波传感器自下至上安装到第k纵截面右侧；第k纵截面两侧的各个传感器一一对称分布，同侧的传感器间距为h1；转入步骤500；
步骤700，确定缺陷区域
计算机将异常路径集中的区域设为缺陷区域，在计算机中画出缺陷区域。
其中，应力波纵向传播速度Vl和横向传播速度Vr的计算方法如下：
计算机记录脉冲锤敲击第1个应力波传感器的时刻T1，第6个应力波传感器收到应力波信号的时刻T2，第12个应力波传感器接收应力波信号的时刻T3；
利用公式
Figure BDA0001215542210000081
计算Vl，利用公式
Figure BDA0001215542210000082
计算Vr。
实例：
实验采用如图3所示的雪松，检测与径截面夹角的为15°的一个纵截面，在这个截面两侧分别布置6个应力波传感器，单侧每个传感器间距为10cm，传感器编号为1-12；
实验时使用脉冲锤按顺序从1号敲击到12号，记录应力波在各个传感器之间的传播时间。单次实验分别检测包括径截面在内的11个不同角度α的纵截面。通过分析11个不同截面夹角α的纵截面上应力波传播速度可了解到在纵向上木材内部缺陷状况，比如缺陷位置、大小和形状等。具体实验步骤如下：
步骤一，在被测树木表面分别进行6次固定传感器工作，每次固定传感器工作中传感器包括12个应力波信号发射接收传感器(图4)；
步骤二，每次固定传感器工作结束后，将固定好的各传感器分别与应力波检测仪连接，并将应力波检测仪与计算机连接，在测试软件上输入周长大小，然后使用脉冲锤敲击应力波信号发射传感器，并通过计算机采集该应力波信号发射传感器到剩余11个应力波信号接收传感器的应力波传播时间数据，并得到速度数据，共计144个应力波传播速度数据，得到一组应力波传播速度数据模型，随后换至另外的纵截面进行采集；
步骤三，将实际测得的应力波传播速度与健康树木上采集的速度对比，找出不符合规律的数据，绘制应力波信号传播路线图，综合11个不同纵截面上的传播路线图可确定树木内部缺陷所在位置及大小。
步骤四，将应力波信号发射传感器到各应力波信号接收传感器的应力波信号传播路线映射到初始应力波信号传播路线图中，得到的初始应力波信号传播路线图中包括6*144条应力波信号传播路线，即获得如图5所示的6个不同角度α的纵截面上的应力波传播速度二维图。
步骤五，对6个不同角度α的纵截面上应力波传播速度二维图进行分析，得出纵向上应力波传播速度与理论应力波传播规律的差异，从而判断出缺陷位置及大小。
步骤六，如图5所示，将不同纵截面上的应力波传播速度进行分类，正常速度用实线线段表示，异常速度用虚线线段表示，得出6个不同纵截面上的速度线段图，图5中的1至12为传感器的标号。
将经过缺陷位置的两个纵截面的两组应力波传播速度数据进行拟合，可以很明显的看出在经过缺陷位置时的应力波传播速度明显下降，可以通过类似的方法找到树木内部缺陷的位置。如图7、图8所示，可以看出在经过9、10号传感器时，经过缺陷位置的应力波速度拟合曲线会有一个明显的下降，与所提出的应力波传播速度模型不符。
健康区域内的应力波波速变化不大，而经过缺陷区域后波速会比在健康区域降低15％以上。
同理，对5个不同角度α的纵截面上应力波传播速度二维图进行分析，得出纵向上应力波传播速度与理论应力波传播规律的差异，从而判断出缺陷位置及大小。
如图6所示，将不同纵截面上的应力波传播速度进行分类，正常速度用实线线段表示，异常速度用虚线线段表示，得出5个不同纵截面上的速度线段图。
步骤七，从图5、图6中的应力波在不同纵截面上的线段图可以看出，缺陷集中在3、4、9、10号传感器之间，在经过这一区域的应力波传播速度均有所下降，虚线线段表示速度低于正常值，实线表示正常速度。如图7所示，通过图5所判断出的大致位置可以模拟出缺陷的区域以及大小。通过对比图3的雪松样本，发现缺陷位置与实际检测的位置大致相同，缺陷主要分布在3、4、9、10号传感器内部。
结合图4、图5和图6可以看出缺陷大致为边长为10cm的正方形缺陷，这也与实际相吻合。通过11个不同纵截面夹角α的截面二维成像图我们可以清楚的判断出缺陷的位置及大小，说明了本发明的可行性。
本发明可以有效的检测出木材内部缺陷的位置及大小，精确度高。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种树木缺陷检测方法，其特征是，包括m个应力波传感器(1)、应力波检测仪(2)、存储器(3)和计算机(4)；应力波检测仪分别与每个应力波传感器、存储器和计算机电连接，m＝2n，n为自然数；包括如下步骤：
(1-1)选取活的树木，在高度范围L至H内，测量树木的树干的周长和直径d；在计算机中画出高度范围L至H内的树干立体模型图，在树干立体模型图上选取一条径向边缘线，设定均过径向边缘线的2n-1条纵截面，使第1个纵截面过树干横截面的直径，第1个纵截面、第2个纵截面至第n纵截面依次逆时针排列，第1个纵截面、第n+1个纵截面至第2n-1纵截面依次顺时针排列，相邻纵截面之间的夹角为90/n度；
(1-2)安装应力波传感器；
将第1个应力波传感器至第n个应力波传感器自上至下安装到第k纵截面的左侧，将第n+1个应力波传感器至第m个应力波传感器自下至上安装到第k纵截面右侧；第k纵截面两侧的各个传感器一一对称分布，同侧的传感器间距为h1；
(1-3)检测应力波纵向传播速度Vl和横向传播速度Vr；
用脉冲锤敲击第1个应力波传感器，计算机利用第n个应力波传感器和第m个应力波传感器接收应力波信号，计算应力波纵向传播速度Vl和横向传播速度Vr；计算机根据树干立体模型图计算出任意两个应力波传感器的连线与水平面的夹角θ；
应力波纵向传播速度Vl和横向传播速度Vr的计算方法如下：
计算机记录脉冲锤敲击第1个应力波传感器的时刻T1，第n个应力波传感器收到应力波信号的时刻T2，第m个应力波传感器接收应力波信号的时刻T3；
利用公式
Figure FDA0002499512450000021
计算Vl，利用公式
Figure FDA0002499512450000022
计算Vr；
(1-4)计算每条应力波传播路径的应力波传播速度理论值V′；
设定每个应力波传感器的位置地址为(α，θ)，任意两个应力波传感器之间构成1条应力波传播路径，α为每个应力波传感器所在的纵截面与第1纵截面之间的夹角；
利用公式
Figure FDA0002499512450000023
计算每条应力波传播路径的应力波传播速度理论值V′；
(1-5)使用脉冲锤按照第1应力波传感器至第m应力波传感器的顺序进行敲击，记录被敲击的应力波传感器之外的其它应力波传感器收到应力波的时刻，计算得到每条应力波传播路径的传播速度实验值v；
利用公式
Figure FDA0002499512450000024
计算第k纵截面中的每条应力波传播路径的传播速度误差e；
将满足e≥W的每条应力波传播路径设为异常路径，将异常路径保存到计算机中，W为误差阈值；
(1-6)当k<2n-1，则使k增加1；
将第1个应力波传感器至第n个应力波传感器自上至下安装到第k纵截面的左侧，将第n+1个应力波传感器至第m个应力波传感器自下至上安装到第k纵截面右侧；第k纵截面两侧的各个传感器一一对称分布，同侧的传感器间距为h1；转入步骤(1-5)；
(1-7)计算机将异常路径集中的区域设为缺陷区域，在计算机中画出缺陷区域。
2.根据权利要求1所述的树木缺陷检测方法，其特征是，计算机根据树干立体模型图计算出在每个纵截面中被敲击的应力波传感器和其它应力波传感器之间的距离D，
计算机记录脉冲锤敲击应力波传感器的时刻T4，其它应力波传感器收到应力波信号的时刻T5；
用公式
Figure FDA0002499512450000031
计算v。
3.根据权利要求1或2所述的树木缺陷检测方法，其特征是，在高度范围L至H内，每间隔1cm至3cm测量一次树干的周长和直径。
4.根据权利要求1或2所述的树木缺陷检测方法，其特征是，W为13％至17％。
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