[发明专利]应力波在木材中的传播时间测量方法以及无损检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量方法以及检测系统，尤其是测量应力波在木材中传播时间的方法以及应力波木材无损检测系统。

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γ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

本发明的目的是提供一种测量应力波在木材中传播时间的方法，以根据测得的应力波的传播速度来准确计算木材弹性模量，从而判断木材内部是否存在缺陷；该方法应具有测量精度高、效率高、无辐射的特点，并且成本低、测试方便。

本发明的另一个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。

本发明提供的技术方案是：应力波在木材中的传播时间测量方法，包括以下步骤：

1）在被测木材的横截面的周向确定六个检测点分别作为被测木材的3个起始端和3个终止端，安装6个加速度传感器，其中3个作为起始传感器，3个作为终止传感器，形成9条检测线路；每条检测线路采集到的应力波信号输入到以单片机作为微控制器的处理电路；

2）使用脉冲锤敲击木材一端的端面，使之产生应力波的传播；当应力波到达“起始”端传感器时，处理电路的计时器开始工作，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；

3）微控制器采用滑动平均算法对所测得的数据序列进行处理，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；其中：滑动平均算法的公式为：                                                ；上式中，表示第n个测量数据经过滤波处理后的输出值，x_n-i表示没有经过滤波处理的测量数据，N表示滑动平均的项数。

所述的两个加速度传感器分别通过螺钉与被测木材相连。

应力波木材无损检测系统，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OP07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ATmega16单片机。

实验结果表明，本发明提出的无损检测方法对于无缺陷的木材，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。

本发明提出的木材无损检测方法，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。