专利名称：一种基于频率特征的木材应力波无损检测方法
技术领域：
本发明属于木材质量检测技术领域，尤其涉及一种基于频率特征的木材应力波无损检测方法。
背景技术：
木材应力波无损检测技术的基本原理如图I所示,利用脉冲锤敲击木材,使其内部产生应力波的传播，通过安装在原木周围的传感器，可采集到各观测点上的应力波信号，对应力波信号进行时域、频域分析，确定木质材料的性质(如弹性模量和缺陷等)。基于应力波的木材无损检测技术具有实现简单、使用方便等优点，得到了广泛应用，但通常用于反映木材内部缺陷检测的特征是应力波在木材中的传播时间或传播速度，这种方法不能判断出木材中腐朽的位置，而且测量结果分散性较大，检测结果很难达到高度准确性。 频率响应函数是系统输入信号和输出信号的傅立叶变换之比，它包含了木材内部物理参数的所有信息。正是基于这一性质，中外众多研究者都提出了利用木材频率响应特征的无损检测技术。随后出现了基于频域特征的应力波无损检测技术，Bozhang等人研究了木材频率响应特性，健康木中应力波信号高频成分衰减较小，可以应用这种方法有效识别木材中的早期腐朽，余观夏等人提出应力波信号频谱的谱线面积与木材的成分有对应关系，可利用频谱面积大小来表示对应木材成分的多少，并通过对已知内部腐朽情况的原木试样进行测试，证实了该方法是可行的，而且具有测试结果非常直观等优点。但是这些方法都没有考虑木材中应力波信号的反射、折射、透射等现象，在实际检测过程中，传感器观测到的应力波信号中混杂了大量的反射波、折射波等信号，给检测结果带来了误差。如图2所示为一原木的横截面，A点为脉冲锤敲击点，B点为观测传感器的安装位置，由于腐朽点F的存在，应力波除了沿直线AB向B点传播外(假设这部分应力波信号为S1 (t))，B点还接收到反射信号S2 (t)。根据频率响应函数的定义
Hab υω)==+MmL = Ηχ ω)+Ηι ω) (ι) Αβ ΧΑ ω) XaUo^) ΧΑ{ ω) ΧΑ(Μ式中ΧΑ (j ω )、Xb (j ω )分别是A点、B点观测信号的傅立叶变换；S1 (j ω )、S2 (j ω )分别是信号S1 (t)、S2 (t)的傅立叶变换。显然，真正反映AB间木材物理特性的应该是H1 (j ω)，若简单地以观测信号傅立叶变换之比HAB(j )表征AB间木材的物理特性，必然会导致较大误差。
发明内容
本发明提供了一种基于频率特征的木材应力波无损检测方法，旨在解决现有技术提供的利用木材频率响应特征的无损检测方法，都没有考虑木材中应力波信号的反射、折射、透射现象，传感器观测到的应力波信号中混杂了大量的反射波、折射波信号，检测结果的误差较大的问题。本发明的目的在于提供一种基于频率特征的木材应力波无损检测方法，该方法包括以下步骤步骤一，在原木周围均匀地安装I个通过信号线缆连接至数据采集卡的压电式加速度传感器，用脉冲锤敲击其中编号为O的传感器，然后通过数据采集卡完成压电式加速度传感器输出信号的采集，保存为X。(n), X1 (n), . . . , Xi (n). . . , X1^1 (η)；步骤二，对采集到的信号做K点快速傅立叶变换，得到XtlGO, X1 (k),,XiGO，...，Xh (k)，k = 0，1，ΛΚ-1，然后求出第O个传感器至其他各观测传感器之间的实际频率响应函数
权利要求
1.一种基于频率特征的木材应力波无损检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一，在原木周围均匀地安装I个通过信号线缆连接至数据采集卡的压电式加速度传感器，用脉冲锤敲击编号为O的传感器，然后通过数据采集卡完成压电式加速度传感器输出信号的采集，保存为 X。(n), X1 (η). . . , Xi (η). . . , X1^1 (η)；步骤二，对采集到的信号做K点快速傅立叶变换，得到XtlGO, X1 (k), ...，Xi (k), · Xh (k)，k = 0，1，ΛΚ-1，然后求出第O个传感器至其他各观测传感器之间的实际频率响应函数=i = I5A / -I；X0(k)步骤三，定义相同条件下健康木材中第O个传感器至其他各观测传感器之间的频率响应函数为H0, i (k)，然后将Hi (k)减去H0, i (k)，得到Yi (k) = Hi (k) -H0, i (k), i = I, Λ I-I ;步骤四构建Y= [Y' JkhY' 2(k)，A，Y' η (k)]'作为观察矩阵，对其作基于二阶统计量的盲源分离，估计出混合矩阵W= [G' oa(k), Gi 0,2(k), AGi和源向量GjJk), i = 1，Λ 1-1，j = L2A，J，其中GQ,j(k)为第0个传感器至木材内部第j个缺陷点之间的频率响应函数，Gjji(k)为第j个缺陷点至第i个观测点之间的频率响应函数；步骤五，对估计出的J个进行k均值聚类分析；步骤六，根据聚类的结果判别木材内部有无缺陷，类别数量决定缺陷区域的多少，每类中数据对象的数量表示该缺陷区域的大小。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，在步骤三中，HcmGO反映的是应力波信号沿球面方向的传播特征，与缺陷信息无关，可由健康木材内的频率响应函数得出。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，在步骤五中，Gy(k)为第j个缺陷点至第i 个观测点之间的频率响应函数，包含了大量的关于缺陷的信息。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，对于健康木材，可视为匀质木材，各Gii (k) 的数值大小相等；对于有缺陷的木材，缺陷点上的Gp(k)数值与其他区域不同，相近的缺陷点数值大致相同。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，将Y=[Y' JkhY' 2(k), A, Y1^m1 作为观察矩阵，对其作基于二阶统计量的盲源分离，估计出混合矩阵W = [G' 0jl(k), 0j2(k), AG; 0jJ(k)];和源向量 Gj, i (k), i = I, Λ 1-1，j = 1，2, Λ，J，其中GmGO为第O个传感器至木材内部第j个缺陷点之间的频率响应函数，Gj, ,(k) 为第j个缺陷点至第i个观测点之间的频率响应函数，详细步骤为(1)估计Y的相关矩阵人k=0(2)对<(O)作特征值分解(EVD)毛(O) = UyLyVy = VyAyVy = VsAsVs + VnAnVn其中(I-I)XJ维矩阵Vm= [v1； V2, Avh]是与J个按下降顺序排列的的主要特征值A s = diag { λ I彡λ 2L彡λ j相对应的特征矢量；(I-I) X (I-I-J)维矩阵Vn包含(I-l-J) 个噪声特征An= { λ J+1 ^ L ^ λ 对应的噪声特征矢量，并且λ τ > λ ^ ;(3)白噪声方差估计成(I-I-J)个不重要特征值的均值；(4)进行稳健的预白化变换
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，对估计出的J个07(幻进行k均值聚类分析， 具体做法为(1)对于给定大小为J的数据集，令L=I，选取3个初始聚类中心Zi (L)，i = 1,2,3 ；(2)计算每个数据对象^.⑷与k个聚类中心的距离￡>(0/Α:)，Ζ,(Ζ)), j = 1，2，A，J，i=1，2，3，如果满足乃吃⑷，
全文摘要
本发明公开了一种基于频率特征的木材应力波无损检测方法，在原木周围均匀地安装压电式加速度传感器，用脉冲锤敲击其中编号为0的传感器，利用数据采集卡完成传感器输出信号的采集，保存；对采集到的信号做K点快速傅立叶变换，然后求出实测频率响应函数；根据实测频率响应函数及健康木的频率响应函数，构建观察矩阵；作基于二阶统计量的盲源分离，估计缺陷点与观测点之间的频率响应函数；最后以聚类结果为依据判别木材内部有无缺陷、缺陷数量以及缺陷大小。该根据木材频率响应函数的应力波无损检测方法，不受反射波、折射波信号的干扰，检测结果更加准确，能自动检测出木材内部是否存在缺陷、缺陷大小的信息，检测过程简便，实用性强。
文档编号G01N29/12GK102928514SQ20121041112
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月14日 优先权日2012年10月14日
发明者冯海林, 方益明, 李光辉, 李剑 申请人:浙江农林大学