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基于應(yīng)力波技術(shù)的木材無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法

文檔序號(hào):5922295閱讀:359來(lái)源:國(guó)知局
專(zhuān)利名稱(chēng):基于應(yīng)力波技術(shù)的木材無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型涉及一種檢測(cè)系統(tǒng),尤其是測(cè)量應(yīng)力波在木材中傳播時(shí)間的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)
木材是一種人類(lèi)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(mǎn)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(lái),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(xiàn)或Y射線(xiàn)、紅外線(xiàn)、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(wú)損檢測(cè)技術(shù)也上升到了新的水平,并形成一門(mén)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(guò)測(cè)量木材的彈性模量來(lái)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(guò)測(cè)量木材的彈性模量,來(lái)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)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于應(yīng)力波技術(shù)的木材無(wú)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),并且檢測(cè)成本低、測(cè)試方便。本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案是基于應(yīng)力波技術(shù)的木材無(wú)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(guò)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,本實(shí)用新型對(duì)于無(wú)缺陷的木材,通過(guò)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。本實(shí)用新型提供的應(yīng)力波木材無(wú)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(guò)程的可靠性。另外,本實(shí)用新型使用滑動(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。本實(shí)用新型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(wú)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(shù)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。

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(wú)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(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的軟件流程圖。
具體實(shí)施方式
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(chēng)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 B = V2p ;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(chēng)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(guān)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(xiàn)),然后依趨勢(shì)線(xiàn)分析預(yù)測(cè)序列的長(zhǎng)期趨勢(shì)。本實(shí)用新型中,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(wú)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(wú)法直接取得,只能間接測(cè)量。我們已知5 = Γ2ρ ;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A的關(guān)鍵在于如何得到K。長(zhǎng)期以來(lái),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(wèn)題,我們假設(shè)應(yīng)力波通過(guò)長(zhǎng)度ζ的勻質(zhì)材料所花的時(shí)間為t,mv=~ ;這
就要求我們準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)力波在長(zhǎng)度為ζ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(guò)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(kāi)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(hù)在PC機(jī)上進(jìn)一步分析與處理。2、木材應(yīng)力波無(wú)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U碰=Uix ;(Uin為輸入信號(hào)電壓伏值,U磁為輸出信號(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< IKHz信號(hào)相位偏移率、S2£7fe信號(hào)相位偏移率S 3%、< SKHz信號(hào)相位偏移率S 7%、<10KHz信號(hào)相位偏移率S12%、> IOiCife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(guò)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(wú)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
信號(hào)。信號(hào)處理公式
權(quán)利要求1.基于應(yīng)力波技術(shù)的木材無(wú)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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于應(yīng)力波技術(shù)的木材無(wú)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(guò)電阻后接入該芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于應(yīng)力波技術(shù)的木材無(wú)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0P07芯片,阻抗匹配模塊的輸出端接入該芯片的輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于應(yīng)力波技術(shù)的木材無(wú)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。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的基于應(yīng)力波技術(shù)的木材無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng),其特征在于所述的微控制器采用ATmegaie單片機(jī)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于應(yīng)力波技術(shù)的木材無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供的系統(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),并且檢測(cè)成本低、測(cè)試方便。技術(shù)方案是基于應(yīng)力波技術(shù)的木材無(wú)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。阻抗匹配模塊采用uA741芯片,加速度傳感器經(jīng)過(guò)電阻后接入該芯片。
文檔編號(hào)G01N29/07GK202230060SQ20112031044
公開(kāi)日2012年5月23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)
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