一种基于声发射技术的木材损伤监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及木材领域，尤其是一种基于声发射技术的木材损伤监测方法。
【背景技术】
[0002] 在美国，木结构建筑处于市场主导地位，被广泛用于建造住宅、厂房、学校、旅馆、 商业建筑、体育馆等。在加拿大，木材工业是国家支柱产业之一，其木结构住宅的工业化、标 准化和配套安装技术非常成熟，在北欧的芬兰和瑞典，民居住房的90%为一层或二层的木 结构建筑，在日本，也有大量的木构建筑，即使在人口稠密的东京也是如此。在我国，有很多 木质结构的古建筑，那是人类历史的瑰宝。
[0003] 在城市景观不断发展的今天，人们对生活景观的品质有着越来越高的追求。木材 作为一种在园林中常用的建材，以其独特的自身属性和特有的景观效果，在城市景观中发 挥着其他材料不可替代的作用，其应用越来越受到设计师的重视。
[0004] 木材具有天然的花纹和色彩以及良好的加工性能，木材在家具行业也应用很多。
[0005] 然而，木材也具有干缩湿涨及各向异性等特点，长期使用时会在空气中易产生开 裂、扭曲变形等损伤，存在一定的安全风险。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于声发射技术的木材损伤监测方法，通过对木材的受 力集中的重要部位进行检测，分析木材的受力状况，确定木材可能损伤的位置，从而有效地 避免木材的损伤可能带来的人员和财产的损失。
[0007] 本发明是由基于声发射的木材损伤信号采集系统和分析监测系统两大部分组成。 所述信号采集系统主要用于声发射信号的采集，主要包括声发射传感器、前置放大器、滤波 电路、主放大电路、模数转换电路、FP6A控制模块、无线传输模块；所述分析监测系统包括 木材损伤源定位分析和累积能量预测分析两个模块。
[0008] 所述信号采集系统是在木材的受力集中的重要部位表面安置声发射传感器，用 于采集木材损伤而产生的微弱的声发射信号。将所述声发射传感器与所述前置放大器连 接，对所述微弱的声发射信号经所述前置放大器进行放大、去除噪声干扰。再将所述前置 放大器的输出信号经过滤波电路进行处理，利用滤波特性能够采集频带宽度在IOOKHz至 300KHz之间的声发射信号。所述滤波电路的输出经主放大电路被放大至伏特级后输入给模 数转换模块，将所述声发射信号转换为数字量。用所述FPGA控制模块对所述A/D转换电路 进行转换时序控制，并将所述转换后的数据量传输到所述FPGA控制模块内部的FIFO进行 缓存，再经过所述无线传输模块将数据传至上位机。
[0009] 所述木材损伤源定位分析模块对采集的声发射信号进行小波降噪并重构，然后采 用线性定位的方法对声发射源进行定位，并在木材损伤声发射源定位监测界面予以显示， 以便采取相应的预防措施，避免木材损伤带来的损失。
[0010] 所述累积能量预测分析模块对声发射信号运用小波包分析提取能量特征值，构造 相应的训练样本集，构建神经网络，针对声发射信号累积能量随时间变化的序列进行神经 网络模型仿真预测，利用累积能量时间序列的前5个值，预测下一个累积能量值，实现木材 受力声发射信号累积能量的有效预测，为监测提供有效数据。
[0011] 本发明通过声发射传感器采集木材损伤的声发射信号，将采集的声发射信号经放 大器放大再由采集器采集，避免信号在传输过程中的衰减，使信号保存得比较完整。将采集 得到的声发射信号经软件处理可以直观准确地确定木材损伤的位置，并且采用神经网络预 测累积能量，可以提前对木材进一步损伤采取预防措施，从而有效地避免了木材损伤可能 带来的人员和财产的重大损失。本发明的方法无损简单，易于实现，且采用的传感器少，很 大程度地节约了成本。
【附图说明】
[0012] 附图1为声发射信号采集示意图
[0013] 附图2为声发射信号采集系统内部结构图
[0014] 附图3为声发射信号采集系统前置放大电路图
[0015] 附图4为声发射信号采集系统滤波电路图
[0016] 附图5为声发射信号采集系统主放大电路图
[0017] 附图6为声发射信号采集系统内部结构图中AD转换流程图
[0018] 附图7为声发射信号采集系统内部结构图中FIFO流程图
[0019] 附图8为声发射信号采集系统UART发送模块程序流程图
[0020] 附图9为声发射信号采集系统采集的两通道声发射信号图
[0021] 附图10为木材损伤声发射信号三层小波分解结构图
[0022] 附图11为木材损伤声发射信号降噪处理流程图
[0023] 附图12为木材损伤位置定位示意图
[0024] 附图13为声发射源定位流程图
[0025] 附图14为互相关系数图
[0026] 附图15为木材损伤声发射源的定位结果图
[0027] 附图16为木材损伤声发射源的定位相对误差图
[0028] 附图17为木材损伤声发射源定位的人机交互界面设计程序框图
[0029] 附图18为木材损伤声发射源定位的人机交互界面信号采集及分解降噪面板图 [0030] 附图19为木材损伤声发射源定位的人机交互界面频谱分析面板图
[0031] 附图20为木材损伤声发射源定位的人机交互界面声发射源定位面板图
[0032] 附图21为累计能量图
[0033] 附图22为BP网络训练程序流程图
[0034] 附图23为网络训练结果图
[0035] 附图24为网络验证图
【具体实施方式】
[0036] 本发明提出的基于声发射技术的木材损伤监测方法，结合附图和实施例详细说明 如下。本发明以木材为被测对象，监测木材受损发出的声发射信号。附图1为木材受力损 伤声发射信号采集示意图。该声发射信号的频带宽度在100KHz-300KHz之间，故本设计中 的声发射传感器选用60Hz-400KHz、中心频率为150KHz的超声波传感器。先将声发射传感 器放置于木材受力集中的重要部位，当木材在受内力或外力的情况下产生形变时会有应力 波产生，声发射传感器将应力波转换成电信号，由于这个电信号本来很微弱，且在木材中传 播时会衰减，为了更好地保存采集得到的声发射信号，将所述声发射传感器采集的信号送 入所述信号采集系统进行处理，为以后的信号分析奠定基础。
[0037] 木材损伤声发射信号采集系统
[0038] 附图2为信号采集系统内部结构图。所述信号采集系统首先对采集的声发射信号 进行前端处理，包括信号放大、滤波等预处理。再将调理后的声发射信号传输到所述FPGA 控制模块。所述FPGA控制模块采用FPGA器件实现整个系统的控制逻辑，它控制着采集通 道模数转换的起/停、转换后的数据存放、声发射信号特征参数的提取及数据的无线传输。 最后上位机对接收的数据进行小波分析处