專利名稱：應(yīng)力波在木材中的傳播時(shí)間測(cè)量方法以及無損檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量方法以及檢測(cè)系統(tǒng)，尤其是測(cè)量應(yīng)力波在木材中傳播時(shí)間的方法以及應(yīng)力波木材無損檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
木材是一種人類使用歷史最長(zhǎng)的可再生的天然資源。隨著社會(huì)進(jìn)步，人們對(duì)生產(chǎn)、生活質(zhì)量要求的提高，對(duì)木材的需求量逐漸增加。充分有效地利用木材資源，使之產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，是各國(guó)林業(yè)科研工作者共同關(guān)心和不斷研究的課題。由于傳統(tǒng)的木材檢測(cè)大多采用人工的方法，甚至還得將木材試樣破壞后進(jìn)行檢測(cè)，因而這些檢測(cè)方法已不能滿足木材生產(chǎn)中非破壞性快速檢測(cè)和持續(xù)檢測(cè)的需要。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，以及超聲波、X-射線或Y射線、紅外線、激光、微波和應(yīng)力波等技術(shù)的發(fā)展，木材物理、力學(xué)性質(zhì)和缺陷的無損檢測(cè)技術(shù)也上升到了新的水平，并形成一門新興、綜合性的木材檢測(cè)技術(shù)。木材的彈性模量是一個(gè)重要參量，它反映了木材的物理及力學(xué)性質(zhì)。為了對(duì)木材性質(zhì)進(jìn)行非破壞性檢測(cè)，可以通過測(cè)量木材的彈性模量來評(píng)估材料的優(yōu)劣。因此，如何應(yīng)用應(yīng)力波技術(shù)，通過測(cè)量木材的彈性模量，來實(shí)現(xiàn)對(duì)木材質(zhì)量狀況的評(píng)估，是我們目前的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種測(cè)量應(yīng)力波在木材中傳播時(shí)間的方法，以根據(jù)測(cè)得的應(yīng)力波的傳播速度來準(zhǔn)確計(jì)算木材彈性模量，從而判斷木材內(nèi)部是否存在缺陷；該方法應(yīng)具有測(cè)量精度高、效率高、無輻射的特點(diǎn)，并且成本低、測(cè)試方便。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種基于應(yīng)力波技術(shù)的木材無損檢測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)、 可靠、準(zhǔn)確地計(jì)算應(yīng)力波在木材中的傳播速度與木材彈性模量，從而判斷木材內(nèi)部是否存在缺陷；該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有速度快、抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)精度較高的特點(diǎn)。本發(fā)明提供的技術(shù)方案是應(yīng)力波在木材中的傳播時(shí)間測(cè)量方法，包括以下步驟
1)在被測(cè)木材的橫截面的周向確定六個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分別作為被測(cè)木材的3個(gè)起始端和3個(gè)終止端，安裝6個(gè)加速度傳感器，其中3個(gè)作為起始傳感器，3個(gè)作為終止傳感器，形成9條檢測(cè)線路；每條檢測(cè)線路采集到的應(yīng)力波信號(hào)輸入到以單片機(jī)作為微控制器的處理電路；
2)使用脈沖錘敲擊木材一端的端面，使之產(chǎn)生應(yīng)力波的傳播；當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)“起始”端傳感器時(shí)，處理電路的計(jì)時(shí)器開始工作，當(dāng)它到達(dá)“終止”端傳感器時(shí)，計(jì)時(shí)器停止工作，保存并顯示相應(yīng)的時(shí)間；
3)微控制器采用滑動(dòng)平均算法對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行處理，計(jì)算相應(yīng)的彈性模量， 直接與標(biāo)準(zhǔn)參考值進(jìn)行比較，或供用戶在PC機(jī)上進(jìn)一步分析與處理；其中滑動(dòng)平均算法_ I M-I
的公式為:1 =孓；上式中，7表示第《個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理后的輸出值，Α-,.
JaaaQ
表示沒有經(jīng)過濾波處理的測(cè)量數(shù)據(jù)，;T表示滑動(dòng)平均的項(xiàng)數(shù)。所述的兩個(gè)加速度傳感器分別通過螺釘與被測(cè)木材相連。應(yīng)力波木材無損檢測(cè)系統(tǒng)，包括依序電導(dǎo)通的信號(hào)采集、信號(hào)處理和微控制器三個(gè)部分；其中信號(hào)采集部分包括加速度傳感器、脈沖錘、計(jì)數(shù)器；信號(hào)處理部分由轉(zhuǎn)換處理 “起始”和“終止”兩個(gè)應(yīng)力波脈沖波形的阻抗匹配模塊、信號(hào)放大電路模塊、濾波整形電路模塊依次連接而成；微控制器部分的輸入端與信號(hào)處理部分的輸出端接通，以計(jì)算應(yīng)力波傳播時(shí)間以及被測(cè)木材的彈性模量。所述的阻抗匹配模塊采用UA741芯片，加速度傳感器經(jīng)過電阻后接入該芯片。所述的信號(hào)放大電路模塊采用0P07芯片，阻抗匹配模塊的輸出端接入該芯片的輸入端。所述的濾波整形電路模塊采用MAX7408芯片，信號(hào)放大電路模塊的輸出端接入該芯片的輸入端。所述的微控制器采用ATmegaie單片機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明提出的無損檢測(cè)方法對(duì)于無缺陷的木材，通過測(cè)量應(yīng)力波傳播時(shí)間換算得到的木材彈性模量接近或等于相關(guān)文獻(xiàn)公布的參考值；如果某些木材的應(yīng)力波傳播速度明顯小于在正常木材中的傳播速度，換算獲得的彈性模量偏離正常的參考值，就可以確定這些木材內(nèi)部存在缺陷。本發(fā)明提出的木材無損檢測(cè)方法，能夠確定木材是否有內(nèi)部缺陷或?qū)Ρ粶y(cè)試木材進(jìn)行等級(jí)劃分；不但具有很高的可靠性、無輻射、測(cè)試方便的特點(diǎn)，而且能夠節(jié)省成本、提高檢測(cè)效率和精度；不僅可以應(yīng)用在木材加工企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)，也可應(yīng)用到古樹名木和古建筑木質(zhì)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明提供的應(yīng)力波木材無損檢測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)木材非均勻和各向異性的特點(diǎn)，使用高靈敏度的傳感器，可以快速捕獲木材中傳播的微弱應(yīng)力波信號(hào)；同時(shí)，使用濾波選頻網(wǎng)絡(luò)抑制電路及環(huán)境噪聲，提高了硬件系統(tǒng)抗干擾能力，提高了應(yīng)力波信號(hào)采集過程的可靠性。另外，本發(fā)明使用滑動(dòng)平均算法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)序列進(jìn)行處理，進(jìn)一步減小誤差、提高了測(cè)量的精度和可靠性。


圖1是應(yīng)力波時(shí)間測(cè)量方法示意圖。圖2是測(cè)量木材內(nèi)部缺陷時(shí)的木材橫截面示意圖。圖3是應(yīng)力波無損檢測(cè)系統(tǒng)的各電路模塊連接關(guān)系圖。圖4是圖3中的控制模塊內(nèi)的各電路連接關(guān)系圖。圖5是應(yīng)力波無損檢測(cè)系統(tǒng)的軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式
為了闡明我們的方法，先介紹一些基本概念。 1、應(yīng)力波是指對(duì)彈性介質(zhì)施加應(yīng)力，引起彈性形變，由于介質(zhì)的連續(xù)性，彈性形變產(chǎn)生彈性力，而彈性力又引起彈性形變。由此，在介質(zhì)內(nèi)部形成波的傳播形式，又稱之為彈性應(yīng)力波。2、木材的彈性模量是指木材受到應(yīng)力引起形變時(shí)恢復(fù)其原形狀和結(jié)構(gòu)的能力。它能夠反映木材的物理和力學(xué)性能。當(dāng)木材內(nèi)部存在應(yīng)力波的傳播時(shí)，下列等式成立 S = V21O ；上式中，Z表示應(yīng)力波在木材中的傳播速度，P表示木材的密度。3^ ^llJ (Non destructive Testing Non destructive Evaluation,
NDT或NDE)，又稱非破壞性檢測(cè)；是指利用材料的不同物理力學(xué)或化學(xué)性質(zhì)在不破壞目標(biāo)物體內(nèi)部及外觀結(jié)構(gòu)與特性的前提下，對(duì)物體相關(guān)特性(如形狀、位移、應(yīng)力、光學(xué)特性、流體性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)等)進(jìn)行測(cè)試與檢驗(yàn)，尤其是對(duì)各種缺陷的檢測(cè)。4、滑動(dòng)(移動(dòng))平均算法是指一種簡(jiǎn)單平滑預(yù)測(cè)技術(shù)，它的基本思想是根據(jù)時(shí)間序列資料、逐項(xiàng)推移，依次計(jì)算包含一定項(xiàng)數(shù)的序時(shí)平均值，以反映長(zhǎng)期趨勢(shì)的方法。因此， 當(dāng)時(shí)間序列的數(shù)值由于受周期變動(dòng)和隨機(jī)波動(dòng)的影響，起伏較大，不易顯示出事件的發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，使用滑動(dòng)平均法可以消除這些因素的影響，顯示出事件的發(fā)展方向與趨勢(shì)(即趨勢(shì)線)，然后依趨勢(shì)線分析預(yù)測(cè)序列的長(zhǎng)期趨勢(shì)。本發(fā)明中，木材的彈性模量是一個(gè)重要參量，它反映了木材的物理和力學(xué)性能， 對(duì)于木材的質(zhì)量檢測(cè)需要比較其彈性模量大小是否符合無損木材的彈性模量值(標(biāo)準(zhǔn)參考值)。為此，實(shí)時(shí)、非破壞性地檢測(cè)并評(píng)估木材質(zhì)量的好壞必須首先計(jì)算其彈性模量，但是該參量往往無法直接取得，只能間接測(cè)量。我們已知式中K表示應(yīng)力波在木材中的傳播速度，P表示該材料的密度。求得萬的關(guān)鍵在于如何得到K。長(zhǎng)期以來，測(cè)量應(yīng)力波在木材中的傳播速度比較困難。為了解決
上述問題，我們假設(shè)應(yīng)力波通過長(zhǎng)度Z的勻質(zhì)材料所花的時(shí)間為 ，則F = I ,這就要求我

們準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)力波在長(zhǎng)度為Z的木材內(nèi)部傳播的時(shí)間。1、應(yīng)力波傳播時(shí)間測(cè)量方法
應(yīng)力波傳播時(shí)間測(cè)量的主要過程是將兩個(gè)加速度傳感器分別放置在被測(cè)木材的起始端和終止端，使用脈沖錘敲擊木材，產(chǎn)生并傳導(dǎo)應(yīng)力波，當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)“起始”端傳感器時(shí)， 檢測(cè)系統(tǒng)計(jì)時(shí)器開始工作，當(dāng)它到達(dá)“終止”端傳感器時(shí)，計(jì)時(shí)器停止工作，保存并顯示相應(yīng)的時(shí)間。微控制器采用滑動(dòng)平均算法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)序列進(jìn)行處理，計(jì)算相應(yīng)的彈性模量，直接與標(biāo)準(zhǔn)參考值進(jìn)行比較，或供用戶在PC機(jī)上進(jìn)一步分析與處理。2、木材應(yīng)力波無損檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
包括依序電導(dǎo)通的信號(hào)采集、信號(hào)處理和微控制器三個(gè)部分；其中信號(hào)采集部分包括加速度傳感器、脈沖錘、計(jì)數(shù)器；信號(hào)處理部分主要轉(zhuǎn)換處理“起始”和“終止”兩個(gè)應(yīng)力波脈沖波形，其結(jié)構(gòu)由傳感器、阻抗匹配模塊、信號(hào)放大電路模塊、濾波整形電路模塊依次連接而成；微控制部分主要負(fù)責(zé)測(cè)量應(yīng)力波傳播時(shí)間，并計(jì)算被測(cè)木材的彈性模量。阻抗匹配模塊
傳感器獲取信號(hào)后末端接一個(gè)IOK的電阻，使得傳感器獲得的電壓值更加穩(wěn)定，減少環(huán)境對(duì)于傳感器的噪聲干擾。而后接入U(xiǎn)A741芯片，UA741采用電壓跟隨器接法，uA741是寬帶低噪聲運(yùn)算放大器，具有很高的輸入阻抗和很低的輸出阻抗，非常適用于傳感器后端的信號(hào)調(diào)理，使傳感器獲得的信號(hào)與后一級(jí)電路處理之間進(jìn)行阻抗匹配、調(diào)理。信號(hào)處理公式Uimt = Uis 為輸入信號(hào)電壓伏值，Ui 為輸出信號(hào)電壓伏值)信號(hào)頻率變化20KHz
以下頻率不改變；信號(hào)相位變化信號(hào)相位偏移率^ 1%、<2ΚΗζ信號(hào)相位偏移率 < 3%、< 5ΚΗζ信號(hào)相位偏移率S 7%、<WKHz信號(hào)相位偏移率S12%、> WKHz信號(hào)相位偏移率215%。信號(hào)放大電路模塊
輸入信號(hào)經(jīng)過阻抗匹配電路后接入信號(hào)放大電路模塊，信號(hào)放大電路模塊功能旨在將傳感器獲得微弱信號(hào)進(jìn)行無失真放大，為后一級(jí)信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。信號(hào)放大電路模塊采用0Ρ07高精度低噪聲運(yùn)算放大器，可以在低噪聲狀態(tài)下，不失真地放大輸入信
{R \
號(hào)。信號(hào)處理公式/ + 1來Uis ;信號(hào)頻率變化200KHz以下頻率不改變；信號(hào)相
位變化< IKHz信號(hào)相位偏移率S 0.1%、< 5KHz信號(hào)相位偏移率S α5%信號(hào)
相位偏移率^ 0.8%、< 25KHz信號(hào)相位偏移率S 2% ,>5 Κ 信號(hào)相位偏移率2 5%。濾波整形電路模塊
輸入信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大電路模塊放大信號(hào)后接入濾波整形電路模塊，濾波整形電路模塊功能旨在抑制高頻干擾噪聲信號(hào)，獲取沖擊應(yīng)力波中一定頻率的信號(hào)作為信號(hào)研究和處理的標(biāo)準(zhǔn)，濾波整形電路采用ΜΑΧ7408芯片，ΜΑΧ7408是五階、低通、橢圓函數(shù)、開關(guān)電容濾
波器，可以截至Λ以上頻率的信號(hào)，獲取電路測(cè)試所需要的一定頻率的信號(hào)。信
號(hào)處理公式/ = (信號(hào)截止頻率)；(f 為外部時(shí)鐘輸入頻率，f為截止頻率)信號(hào)
IUU^ CLKJC
頻率變化4厶頻率截止；信號(hào)相位變化頻率的信號(hào)相位均延時(shí)50uS A力頻率的信號(hào)截止沒有相位波信號(hào)。微控制器部分(包括圖3中的控制模塊和顯示模塊)
本發(fā)明提供的木材無損檢測(cè)系統(tǒng)使用Atmel公司AVR系列的ATmegal6單片機(jī)作為控制器，AI~megal6是高性能、低功耗的8位AVR單片機(jī)，用AI~megal6的兩個(gè)外部INTO和INTl 中斷來接收由應(yīng)力波信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路所觸發(fā)的“起始”和“終止”信號(hào)，并用一個(gè)內(nèi)在的8位定時(shí)器TimerO對(duì)傳輸?shù)臅r(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，在計(jì)數(shù)結(jié)束后經(jīng)過算法修正，將數(shù)據(jù)顯示在LCD12864帶字庫的圖形液晶上，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在片內(nèi)的FLASH上，進(jìn)行延時(shí)后復(fù)位計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)寄存器再重復(fù)接收信號(hào)并保存數(shù)據(jù)。與此同時(shí)還可以將獲取的數(shù)據(jù)通過串口 UART 將FLASH中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)或者其他嵌入式設(shè)備?；瑒?dòng)平均算法
滑動(dòng)(移動(dòng))平均算法是指一種簡(jiǎn)單平滑預(yù)測(cè)技術(shù)，它的基本思想是根據(jù)時(shí)間序列逐項(xiàng)推移，依次計(jì)算包含一定項(xiàng)數(shù)的序時(shí)平均值，以反映長(zhǎng)期趨勢(shì)的方法。因此，當(dāng)時(shí)間序列的數(shù)值由于受周期變動(dòng)和隨機(jī)波動(dòng)的影響，起伏較大，不易顯示出事件的發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，使用滑動(dòng)平均法可以消除這些因素的影響，顯示出事件的發(fā)展方向與趨勢(shì)(即趨勢(shì)線)，然后依趨勢(shì)線分析預(yù)測(cè)序列的長(zhǎng)期趨勢(shì)。具體描述如下
把#個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)^，Z2…，％看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為見采用先進(jìn)先出的方法，即每進(jìn)行一次新的采樣，把測(cè)量結(jié)果放入隊(duì)尾，而去掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)
權(quán)利要求
1.應(yīng)力波在木材中的傳播時(shí)間測(cè)量方法，包括以下步驟1)在被測(cè)木材的橫截面的周向確定六個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分別作為被測(cè)木材的3個(gè)起始端和3個(gè)終止端，安裝6個(gè)加速度傳感器，其中3個(gè)作為起始傳感器，3個(gè)作為終止傳感器，形成9條檢測(cè)線路；每條檢測(cè)線路采集到的應(yīng)力波信號(hào)輸入到以單片機(jī)作為微控制器的處理電路；2)使用脈沖錘敲擊木材一端的端面，使之產(chǎn)生應(yīng)力波；當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)“起始”端傳感器時(shí)，處理電路的計(jì)時(shí)器開始工作，當(dāng)它到達(dá)“終止”端傳感器時(shí)，計(jì)時(shí)器停止工作，保存并顯示相應(yīng)的時(shí)間；3)微控制器采用滑動(dòng)平均算法對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行處理，計(jì)算相應(yīng)的彈性模量， 直接與標(biāo)準(zhǔn)參考值進(jìn)行比較，或供用戶在PC機(jī)上進(jìn)一步分析與處理；其中_ ι M-I滑動(dòng)平均算法的公式為-X^irJWi ；上式中，7表示第《個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處ΑΓ t Xn理后的輸出值，表示沒有經(jīng)過濾波處理的測(cè)量數(shù)據(jù),T表示滑動(dòng)平均的項(xiàng)數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)力波在木材中的傳播時(shí)間測(cè)量方法，其特征在于所述的兩個(gè)加速度傳感器分別通過螺釘與被測(cè)木材相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)力波木材無損檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括依序電導(dǎo)通的信號(hào)采集、信號(hào)處理和微控制器三個(gè)部分；其中信號(hào)采集部分包括加速度傳感器(2、 4)、脈沖錘(5)、計(jì)數(shù)器；信號(hào)處理部分由轉(zhuǎn)換處理“起始”和“終止”兩個(gè)應(yīng)力波脈沖波形的阻抗匹配模塊、信號(hào)放大電路模塊、濾波整形電路模塊依次連接而成；微控制器部分的輸入端與信號(hào)處理部分的輸出端接通，以計(jì)算應(yīng)力波傳播時(shí)間以及被測(cè)木材的彈性模量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)力波木材無損檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的阻抗匹配模塊采用UA741芯片，加速度傳感器經(jīng)過電阻后接入該芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)力波木材無損檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的信號(hào)放大電路模塊采用0Ρ07芯片，阻抗匹配模塊的輸出端接入該芯片的輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)力波木材無損檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的濾波整形電路模塊采用ΜΑΧ7408芯片，信號(hào)放大電路模塊的輸出端接入該芯片的輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4或5或6所述的應(yīng)力波木材無損檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的微控制器部分采用ATmegaie單片機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)力波木材無損檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的ATmegaie單片機(jī)內(nèi)帶所述的計(jì)數(shù)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量應(yīng)力波在木材中傳播時(shí)間的方法以及木材無損檢測(cè)系統(tǒng)。目的是根據(jù)測(cè)得的應(yīng)力波的傳播速度來判斷木材內(nèi)部是否存在缺陷，應(yīng)具有測(cè)量精度高、效率高、無輻射的特點(diǎn)。所提供的木材無損檢測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)具有速度快、抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)精度較高的特點(diǎn)。技術(shù)方案是應(yīng)力波在木材中的傳播時(shí)間測(cè)量方法，包括以下步驟1)在被測(cè)木材的橫截面的周向確定六個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，形成9條檢測(cè)線路；每條檢測(cè)線路采集到的應(yīng)力波信號(hào)輸入處理電路；2)使用脈沖錘敲擊木材一端的端面，使之產(chǎn)生應(yīng)力波的傳播；3)微控制器采用滑動(dòng)平均算法對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行處理。應(yīng)力波木材無損檢測(cè)系統(tǒng)，包括依序電導(dǎo)通的信號(hào)采集、信號(hào)處理和微控制器三個(gè)部分。
文檔編號(hào)G01N29/07GK102338776SQ20111024428
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者李光輝 申請(qǐng)人:浙江農(nóng)林大學(xué)