专利名称：基于应力波技术的木材无损检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种检测系统，尤其是测量应力波在木材中传播时间的无损检测系统。
背景技术：
木材是一种人类使用历史最长的可再生的天然资源。随着社会进步，人们对生产、生活质量要求的提高，对木材的需求量逐渐增加。充分有效地利用木材资源，使之产生最大的经济与社会效益，是各国林业科研工作者共同关心和不断研究的课题。由于传统的木材检测大多采用人工的方法，甚至还得将木材试样破坏后进行检测，因而这些检测方法已不能满足木材生产中非破坏性快速检测和持续检测的需要。近年来，随着计算机技术和传感技术的发展，以及超声波、X-射线或Y射线、红外线、激光、微波和应力波等技术的发展，木材物理、力学性质和缺陷的无损检测技术也上升到了新的水平，并形成一门新兴、综合性的木材检测技术。木材的弹性模量是一个重要参量，它反映了木材的物理及力学性质。为了对木材性质进行非破坏性检测，可以通过测量木材的弹性模量来评估材料的优劣。因此，如何应用应力波技术，通过测量木材的弹性模量，来实现对木材质量状况的评估，是我们目前的课题。
发明内容本实用新型的目的是提供一种基于应力波技术的木材无损检测系统，以实时、可靠、准确地计算应力波在木材中的传播速度与木材弹性模量，从而判断木材内部是否存在缺陷；该系统应当具有速度快、抗干扰能力强、检测精度较高的特点，并且检测成本低、测试方便。本实用新型提供的技术方案是基于应力波技术的木材无损检测系统，包括依序电导通的信号采集、信号处理和微控制器三个部分；其中信号采集部分包括加速度传感器、 脉冲锤、计数器；信号处理部分由转换处理“起始”和“终止”两个应力波脉冲波形的阻抗匹配模块、信号放大电路模块、滤波整形电路模块依次连接而成；微控制器部分的输入端与信号处理部分的输出端接通，以计算应力波传播时间以及被测木材的弹性模量。所述的阻抗匹配模块采用UA741芯片，加速度传感器经过电阻后接入该芯片。所述的信号放大电路模块采用0P07芯片，阻抗匹配模块的输出端接入该芯片的输入端。所述的滤波整形电路模块采用MAX7408芯片，信号放大电路模块的输出端接入该芯片的输入端。所述的微控制器采用ATmegaie单片机。实验结果表明，本实用新型对于无缺陷的木材，通过测量应力波传播时间换算得到的木材弹性模量接近或等于相关文献公布的参考值；如果某些木材的应力波传播速度明显小于在正常木材中的传播速度，换算获得的弹性模量偏离正常的参考值，就可以确定这些木材内部存在缺陷。本实用新型提供的应力波木材无损检测系统，针对木材非均勻和各向异性的特点，使用高灵敏度的传感器，可以快速捕获木材中传播的微弱应力波信号；同时，使用滤波选频网络抑制电路及环境噪声，提高了硬件系统抗干扰能力，提高了应力波信号采集过程的可靠性。另外，本实用新型使用滑动平均算法对测量数据序列进行处理，进一步减小误差、提高了测量的精度和可靠性。本实用新型能够确定木材是否有内部缺陷或对被测试木材进行等级划分；不但具有很高的可靠性、无辐射、测试方便的特点，而且能够节省成本、提高检测效率和精度；不仅可以应用在木材加工企业进行产品质量检测，也可应用到古树名木和古建筑木质结构的健康监测，具有广阔的应用前景。
图1是应力波时间测量方法示意图。图2是测量木材内部缺陷时的木材横截面示意图。图3是应力波无损检测系统的各电路模块连接关系图。图4是图3中的控制模块内的各电路连接关系图。图5是应力波无损检测系统的软件流程图。
具体实施方式
为了阐明我们的方法，先介绍一些基本概念。1、应力波是指对弹性介质施加应力，引起弹性形变，由于介质的连续性，弹性形变产生弹性力，而弹性力又引起弹性形变。由此，在介质内部形成波的传播形式，又称之为弹性应力波。2、木材的弹性模量是指木材受到应力引起形变时恢复其原形状和结构的能力。 它能够反映木材的物理和力学性能。当木材内部存在应力波的传播时，下列等式成立 B = V2p ；上式中，Z表示应力波在木材中的传播速度，P表示木材的密度。3^ ^llJ (Non destructive Testing Non destructive Evaluation,
NDT或NDE)，又称非破坏性检测；是指利用材料的不同物理力学或化学性质在不破坏目标物体内部及外观结构与特性的前提下，对物体相关特性(如形状、位移、应力、光学特性、流体性质、力学性质等)进行测试与检验，尤其是对各种缺陷的检测。4、滑动(移动)平均算法是指一种简单平滑预测技术，它的基本思想是根据时间序列资料、逐项推移，依次计算包含一定项数的序时平均值，以反映长期趋势的方法。因此， 当时间序列的数值由于受周期变动和随机波动的影响，起伏较大，不易显示出事件的发展趋势时，使用滑动平均法可以消除这些因素的影响，显示出事件的发展方向与趋势(即趋势线)，然后依趋势线分析预测序列的长期趋势。本实用新型中，木材的弹性模量是一个重要参量，它反映了木材的物理和力学性能，对于木材的质量检测需要比较其弹性模量大小是否符合无损木材的弹性模量值(标准参考值)。为此，实时、非破坏性地检测并评估木材质量的好坏必须首先计算其弹性模量，但是该参量往往无法直接取得，只能间接测量。我们已知5 = Γ2ρ ；式中K表示应力波在木材中的传播速度，P表示该材料的密度。求得A的关键在于如何得到K。长期以来，测量应力波在木材中的传播速度比较困难。
为了解决上述问题，我们假设应力波通过长度ζ的勻质材料所花的时间为t,mv=~ ；这
就要求我们准确测量应力波在长度为ζ的木材内部传播的时间。1、应力波传播时间测量方法应力波传播时间测量的主要过程是将两个加速度传感器分别放置在被测木材的起始端和终止端，使用脉冲锤敲击木材，产生并传导应力波，当应力波到达“起始”端传感器时，检测系统计时器开始工作，当它到达“终止”端传感器时，计时器停止工作，保存并显示相应的时间。微控制器采用滑动平均算法对测量数据序列进行处理，计算相应的弹性模量， 直接与标准参考值进行比较，或供用户在PC机上进一步分析与处理。2、木材应力波无损检测系统的设计方案包括依序电导通的信号采集、信号处理和微控制器三个部分；其中信号采集部分包括加速度传感器、脉冲锤、计数器；信号处理部分主要转换处理“起始”和“终止”两个应力波脉冲波形，其结构由传感器、阻抗匹配模块、信号放大电路模块、滤波整形电路模块依次连接而成；微控制部分主要负责测量应力波传播时间，并计算被测木材的弹性模量。阻抗匹配模块传感器获取信号后末端接一个IOK的电阻，使得传感器获得的电压值更加稳定， 减少环境对于传感器的噪声干扰。而后接入UA741芯片，UA741采用电压跟随器接法，UA741 是宽带低噪声运算放大器，具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，非常适用于传感器后端的信号调理，使传感器获得的信号与后一级电路处理之间进行阻抗匹配、调理。信号处
理公式U碰=Uix ;(Uin为输入信号电压伏值，U磁为输出信号电压伏值)信号频率变化 20KHz以下频率不改变；信号相位变化< IKHz信号相位偏移率、S2￡7fe信号相位偏移率S 3%、< SKHz信号相位偏移率S 7%、<10KHz信号相位偏移率S12%、> IOiCife信号相位偏移率215%。信号放大电路模块输入信号经过阻抗匹配电路后接入信号放大电路模块，信号放大电路模块功能旨在将传感器获得微弱信号进行无失真放大，为后一级信号处理电路的设计做准备。信号放大电路模块采用0Ρ07高精度低噪声运算放大器，可以在低噪声状态下，不失真地放大输入
信号。信号处理公式
权利要求1.基于应力波技术的木材无损检测系统，包括依序电导通的信号采集、信号处理和微控制器三个部分；其中信号采集部分包括加速度传感器、脉冲锤、计数器；信号处理部分由转换处理“起始”和“终止”两个应力波脉冲波形的阻抗匹配模块、信号放大电路模块、滤波整形电路模块依次连接而成；微控制器部分的输入端与信号处理部分的输出端接通，以计算应力波传播时间以及被测木材的弹性模量。
2.根据权利要求1所述的基于应力波技术的木材无损检测系统，其特征在于所述的阻抗匹配模块采用UA741芯片，加速度传感器经过电阻后接入该芯片。
3.根据权利要求1所述的基于应力波技术的木材无损检测系统，其特征在于所述的信号放大电路模块采用0P07芯片，阻抗匹配模块的输出端接入该芯片的输入端。
4.根据权利要求1所述的基于应力波技术的木材无损检测系统，其特征在于所述的滤波整形电路模块采用MAX7408芯片，信号放大电路模块的输出端接入该芯片的输入端。
5.根据权利要求2或3或4所述的基于应力波技术的木材无损检测系统，其特征在于所述的微控制器采用ATmegaie单片机。
专利摘要本实用新型涉及一种基于应力波技术的木材无损检测系统。所要解决的技术问题是提供的系统应当具有速度快、抗干扰能力强、检测精度较高的特点，并且检测成本低、测试方便。技术方案是基于应力波技术的木材无损检测系统，包括依序电导通的信号采集、信号处理和微控制器三个部分；其中信号采集部分包括加速度传感器、脉冲锤、计数器；信号处理部分由转换处理“起始”和“终止”两个应力波脉冲波形的阻抗匹配模块、信号放大电路模块、滤波整形电路模块依次连接而成；微控制器部分的输入端与信号处理部分的输出端接通，以计算应力波传播时间以及被测木材的弹性模量。阻抗匹配模块采用uA741芯片，加速度传感器经过电阻后接入该芯片。
文档编号G01N29/07GK202230060SQ20112031044
公开日2012年5月23日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者李光辉 申请人:浙江农林大学