本發(fā)明屬于木材無損檢測領域，涉及一種檢測精確度高，操作簡便的樹木缺陷檢測方法。

背景技術：

隨著計算機技術、傳感技術及無損檢測技術的發(fā)展，樹木物理、力學性質(zhì)和缺陷的檢測技術也上升到了新的水平。由于應力波無損檢測技術的經(jīng)濟性和方便性，受到林業(yè)研究人員和業(yè)界的廣泛關注。

現(xiàn)有技術的應力波無損檢測技術存在如下缺點：以橫截面為主對木材內(nèi)部進行檢測，檢測不全面，無法準確檢測木材內(nèi)部的缺陷。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有技術中的檢測方法檢測不全面，無法準確檢測木材內(nèi)部缺陷的不足，提供了一種檢測精確度高，操作簡便的樹木缺陷檢測方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種樹木缺陷檢測方法，包括m個應力波傳感器、應力波檢測儀、存儲器和計算機；應力波檢測儀分別與每個應力波傳感器、存儲器和計算機電連接，m＝2n，n為自然數(shù)；包括如下步驟：

(3-1)選取活的樹木，在高度范圍l至h內(nèi)，測量樹木的樹干的周長和直徑d；在計算機中畫出高度范圍l至h內(nèi)的樹干立體模型圖，在樹干立體模型圖上選取一條徑向邊緣線，設定均過徑向邊緣線的2n-1條縱截面，使第1個縱截面過樹干橫截面的直徑，第1個縱截面、第2個縱截面至第n縱截面依次逆時針排列，第n+1個縱截面至第2n-1縱截面依次順時針排列，相鄰縱截面之間的夾角為90/n度；

(3-2)安裝應力波傳感器；

(3-3)檢測應力波縱向傳播速度vl和橫向傳播速度vr；

(3-4)計算每條應力波傳播路徑的應力波傳播速度理論值v′；

(3-5)使用脈沖錘按照第1應力波傳感器至第m應力波傳感器的順序進行敲擊，記錄被敲擊的應力波傳感器之外的其它應力波傳感器收到應力波的時刻，計算得到每條應力波傳播路徑的傳播速度實驗值v；

利用公式計算第k縱截面中的每條應力波傳播路徑的傳播速度誤差e；

將滿足e≥w的每條應力波傳播路徑設為異常路徑，將異常路徑保存到計算機中，w為誤差閾值；

(3-6)當k＜2n-1，則使k增加1；

將第1個應力波傳感器至第n個應力波傳感器自上至下安裝到第k縱截面的左側，將第n+1個應力波傳感器至第m個應力波傳感器自下至上安裝到第k縱截面右側；第k縱截面兩側的各個傳感器一一對稱分布，同側的傳感器間距為h1；轉入步驟(3-5)；

(3-7)計算機將異常路徑集中的區(qū)域設為缺陷區(qū)域，在計算機中畫出缺陷區(qū)域。

本發(fā)明的各個傳感器分別設置于樹木兩側，通過改變傳感器之間的間距來檢測不同位置大小的樹木內(nèi)部缺陷情況，通過改變傳感器與徑截面的角度α，從而使檢測更為全面。

應力波檢測儀、存儲器對所采集到的應力波傳播速度、時間等進行計算統(tǒng)計，無線藍牙模塊將信息傳達至計算機，通過計算機顯示出來，根據(jù)系統(tǒng)選擇的樹種、形狀、尺寸進行分析，并得出樹木內(nèi)部缺陷狀況的判斷。

本發(fā)明通過數(shù)學模型得出縱截面上應力波理論傳播速度，再通過實驗得出樣本木材內(nèi)部應力波傳播速度狀況，并對比二者之間的關系標記出異常路徑，從而找到缺陷位置以及確定缺陷大小。本發(fā)明檢測精度高，對于檢測縱向木材健康狀況具有較強實用性，具有較強推廣與應用價值。

作為優(yōu)選，步驟(3-2)包括如下步驟：

將第1個應力波傳感器至第n個應力波傳感器自上至下安裝到第k縱截面的左側，將第n+1個應力波傳感器至第m個應力波傳感器自下至上安裝到第k縱截面右側；第k縱截面兩側的各個傳感器一一對稱分布，同側的傳感器間距為h1。

作為優(yōu)選，步驟(3-3)包括如下步驟：

用脈沖錘敲擊第1個應力波傳感器，計算機利用第n個應力波傳感器和第m個應力波傳感器接收應力波信號，計算應力波縱向傳播速度vl和橫向傳播速度vr；計算機根據(jù)樹干立體模型圖計算出任意兩個應力波傳感器的連線與水平面的夾角θ。

作為優(yōu)選，步驟(3-4)包括如下步驟：

設定每個應力波傳感器的位置地址為(α，θ)，任意兩個應力波傳感器之間構成1條應力波傳播路徑，α為每個應力波傳感器所在的縱截面與第1縱截面之間的夾角；

利用公式計算每條應力波傳播路徑的應力波傳播速度理論值v′。

作為優(yōu)選，應力波縱向傳播速度vl和橫向傳播速度vr的計算方法如下：

計算機記錄脈沖錘敲擊第1個應力波傳感器的時刻t1，第n個應力波傳感器收到應力波信號的時刻t2，第m個應力波傳感器接收應力波信號的時刻t3；

利用公式計算vl，利用公式計算vr。

作為優(yōu)選，計算機根據(jù)樹干立體模型圖計算出在每個縱截面中被敲擊的應力波傳感器和其它應力波傳感器之間的距離d，

計算機記錄脈沖錘敲擊應力波傳感器的時刻t4，其它應力波傳感器收到應力波信號的時刻t5；

用公式計算v。

作為優(yōu)選，在高度范圍l至h內(nèi)，每間隔1cm至3cm測量一次樹干的周長和直徑。

作為優(yōu)選，w為13％至17％。

因此，本發(fā)明具有如下有益效果：檢測精確度高、操作方便、實用性強，適于推廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種原理框圖；

圖2是本發(fā)明的樹木的一種結構示意圖；

圖3本發(fā)明的樹木實物及傳感器布置圖；

圖4是本發(fā)明的一種立體模型圖；

圖5是本發(fā)明的6個縱截面的一種比較圖；

圖6是本發(fā)明的5個縱截面的一種比較圖；

圖7是本發(fā)明的15°縱截面的一種應力波傳播速度擬合圖；

圖8是本發(fā)明的30°縱截面的一種應力波傳播速度擬合圖；

圖9是本發(fā)明的一種流程圖。

圖中：應力波傳感器1、應力波檢測儀2、存儲器3、計算機4、藍牙模塊5、樹木6。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步的描述。

如圖1所示的實施例是一種樹木缺陷檢測方法，包括m個應力波傳感器1、應力波檢測儀2、存儲器3和計算機4；應力波檢測儀分別與每個應力波傳感器、存儲器和計算機電連接，m＝12。

如圖9所示，包括如下步驟：

步驟100，測量樹木、獲得縱截面線

選取活的樹木，在高度范圍1米至1.7米內(nèi)，測量樹木的樹干的周長和直徑d；每間隔2cm測量一次樹干的周長和直徑。

在計算機中畫出高度范圍1米至1.7米內(nèi)的樹干立體模型圖，在樹干立體模型圖上選取一條徑向邊緣線，設定均過徑向邊緣線的11條縱截面，使第1個縱截面過樹干橫截面的直徑，第1個縱截面、第2個縱截面至第6縱截面依次逆時針排列，第1個縱截面、第7個縱截面至第11縱截面依次順時針排列，相鄰縱截面之間的夾角為15度；

步驟200，安裝應力波傳感器

將第1個應力波傳感器至第6個應力波傳感器自上至下安裝到第k縱截面的左側，將第7個應力波傳感器至第12個應力波傳感器自下至上安裝到第k縱截面右側；第k縱截面兩側的各個傳感器一一對稱分布，同側的傳感器間距h1為10厘米；k的初始值為1；

步驟300，檢測應力波縱向傳播速度vl和橫向傳播速度vr

用脈沖錘敲擊第1個應力波傳感器，計算機利用第6個應力波傳感器和第12個應力波傳感器接收應力波信號，計算應力波縱向傳播速度vl和橫向傳播速度vr；計算機根據(jù)樹干立體模型圖計算出任意兩個應力波傳感器的連線與水平面的夾角θ。

步驟400，計算每條應力波傳播路徑的應力波傳播速度理論值v′

設定每個應力波傳感器的位置地址為(d，θ)，任意兩個應力波傳感器之間構成1條應力波傳播路徑，α為每個應力波傳感器所在的縱截面與第1縱截面之間的夾角；

利用公式計算每條應力波傳播路徑的應力波傳播速度理論值v′。

步驟500，計算傳播速度誤差e，確定異常路徑

使用脈沖錘按照第1應力波傳感器至第12應力波傳感器的順序進行敲擊，記錄被敲擊的應力波傳感器之外的其它應力波傳感器收到應力波的時刻，計算得到每條應力波傳播路徑的傳播速度實驗值v；

計算機根據(jù)樹干立體模型圖計算出在每個縱截面中被敲擊的應力波傳感器和其它應力波傳感器之間的距離d，

計算機記錄脈沖錘敲擊應力波傳感器的時刻t4，其它應力波傳感器收到應力波信號的時刻t5；

用公式計算v。

利用公式計算第k縱截面中的每條應力波傳播路徑的傳播速度誤差e；

將滿足e≥w的每條應力波傳播路徑設為異常路徑，將異常路徑保存到計算機中，w為誤差閾值，w＝15％；

步驟600，換位置安裝應力波傳感器

當k＜11，則使k增加1；

將第1個應力波傳感器至第6個應力波傳感器自上至下安裝到第k縱截面的左側，將第7個應力波傳感器至第11個應力波傳感器自下至上安裝到第k縱截面右側；第k縱截面兩側的各個傳感器一一對稱分布，同側的傳感器間距為h1；轉入步驟500；

步驟700，確定缺陷區(qū)域

計算機將異常路徑集中的區(qū)域設為缺陷區(qū)域，在計算機中畫出缺陷區(qū)域。

其中，應力波縱向傳播速度vl和橫向傳播速度vr的計算方法如下：

計算機記錄脈沖錘敲擊第1個應力波傳感器的時刻t1，第6個應力波傳感器收到應力波信號的時刻t2，第12個應力波傳感器接收應力波信號的時刻t3；

利用公式計算vl，利用公式計算vr。

實例：

實驗采用如圖3所示的雪松，檢測與徑截面夾角的為15°的一個縱截面，在這個截面兩側分別布置6個應力波傳感器，單側每個傳感器間距為10cm，傳感器編號為1-12；

實驗時使用脈沖錘按順序從1號敲擊到12號，記錄應力波在各個傳感器之間的傳播時間。單次實驗分別檢測包括徑截面在內(nèi)的11個不同角度α的縱截面。通過分析11個不同截面夾角α的縱截面上應力波傳播速度可了解到在縱向上木材內(nèi)部缺陷狀況，比如缺陷位置、大小和形狀等。具體實驗步驟如下：

步驟一，在被測樹木表面分別進行6次固定傳感器工作，每次固定傳感器工作中傳感器包括12個應力波信號發(fā)射接收傳感器(圖4)；

步驟二，每次固定傳感器工作結束后，將固定好的各傳感器分別與應力波檢測儀連接，并將應力波檢測儀與計算機連接，在測試軟件上輸入周長大小，然后使用脈沖錘敲擊應力波信號發(fā)射傳感器，并通過計算機采集該應力波信號發(fā)射傳感器到剩余11個應力波信號接收傳感器的應力波傳播時間數(shù)據(jù)，并得到速度數(shù)據(jù)，共計144個應力波傳播速度數(shù)據(jù)，得到一組應力波傳播速度數(shù)據(jù)模型，隨后換至另外的縱截面進行采集；

步驟三，將實際測得的應力波傳播速度與健康樹木上采集的速度對比，找出不符合規(guī)律的數(shù)據(jù)，繪制應力波信號傳播路線圖，綜合11個不同縱截面上的傳播路線圖可確定樹木內(nèi)部缺陷所在位置及大小。

步驟四，將應力波信號發(fā)射傳感器到各應力波信號接收傳感器的應力波信號傳播路線映射到初始應力波信號傳播路線圖中，得到的初始應力波信號傳播路線圖中包括6*144條應力波信號傳播路線，即獲得如圖5所示的6個不同角度α的縱截面上的應力波傳播速度二維圖。

步驟五，對6個不同角度α的縱截面上應力波傳播速度二維圖進行分析，得出縱向上應力波傳播速度與理論應力波傳播規(guī)律的差異，從而判斷出缺陷位置及大小。

步驟六，如圖5所示，將不同縱截面上的應力波傳播速度進行分類，正常速度用實線線段表示，異常速度用虛線線段表示，得出6個不同縱截面上的速度線段圖，圖5中的1至12為傳感器的標號。

將經(jīng)過缺陷位置的兩個縱截面的兩組應力波傳播速度數(shù)據(jù)進行擬合，可以很明顯的看出在經(jīng)過缺陷位置時的應力波傳播速度明顯下降，可以通過類似的方法找到樹木內(nèi)部缺陷的位置。如圖7、圖8所示，可以看出在經(jīng)過9、10號傳感器時，經(jīng)過缺陷位置的應力波速度擬合曲線會有一個明顯的下降，與所提出的應力波傳播速度模型不符。

健康區(qū)域內(nèi)的應力波波速變化不大，而經(jīng)過缺陷區(qū)域后波速會比在健康區(qū)域降低15％以上。

同理，對5個不同角度α的縱截面上應力波傳播速度二維圖進行分析，得出縱向上應力波傳播速度與理論應力波傳播規(guī)律的差異，從而判斷出缺陷位置及大小。

如圖6所示，將不同縱截面上的應力波傳播速度進行分類，正常速度用實線線段表示，異常速度用虛線線段表示，得出5個不同縱截面上的速度線段圖。

步驟七，從圖5、圖6中的應力波在不同縱截面上的線段圖可以看出，缺陷集中在3、4、9、10號傳感器之間，在經(jīng)過這一區(qū)域的應力波傳播速度均有所下降，虛線線段表示速度低于正常值，實線表示正常速度。如圖7所示，通過圖5所判斷出的大致位置可以模擬出缺陷的區(qū)域以及大小。通過對比圖3的雪松樣本，發(fā)現(xiàn)缺陷位置與實際檢測的位置大致相同，缺陷主要分布在3、4、9、10號傳感器內(nèi)部。

結合圖4、圖5和圖6可以看出缺陷大致為邊長為10cm的正方形缺陷，這也與實際相吻合。通過11個不同縱截面夾角α的截面二維成像圖我們可以清楚的判斷出缺陷的位置及大小，說明了本發(fā)明的可行性。

本發(fā)明可以有效的檢測出木材內(nèi)部缺陷的位置及大小，精確度高。

應理解，本實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。