一種樹木年輪的空氣耦合式超聲波檢測方法及裝置製造方法
2023-07-08 02:32:21 1
一種樹木年輪的空氣耦合式超聲波檢測方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種利用空氣耦合式超聲波檢測樹木年輪參數的方法，同時還涉及實現該方法的裝置，屬於檢測【技術領域】。該方法包括將待測樹木圓盤放置在超聲波發射探頭和接收探頭之間、控制待測樹木圓盤按預定的步幅步進移動並接收超聲波信號、將發射與接收到的超聲波信號進行脈衝壓縮並判斷是否已超出待測樹木圓盤邊界、分析接收到的超聲波信號幅度變化趨勢、計算平均年輪寬度與晚材率等參數。本發明的顯著優點是：不需要人眼觀察，避免人眼疲勞，提高了檢測效率和精度；檢測結果不受待測樹木圓盤的加工精度以及表面顏色的影響；採用了調頻信號脈衝壓縮技術，能夠顯著提高接收到超聲波信號信噪比，進一步提高檢測精度。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種樹木年輪的檢測方法，尤其是一種利用空氣耦合式超聲波檢測樹 木年輪參數的方法，同時還涉及實現該方法的裝置，屬於檢測【技術領域】。 一種樹木年輪的空氣耦合式超聲波檢測方法及裝置
【背景技術】
[0002] 樹木年輪具有定年準確、連續性強、解析度高和地域分布廣泛、易於獲取複本等特 點，是研究全球氣候與環境變化的重要手段之一。年輪中蘊含的晚材率等信息可以作為衡 量木材強度的標準，對林木選種、木材識別與合理利用等都有重要的指導意義。
[0003] 傳統的年輪檢測主要依靠人工操作顯微鏡讀取年輪寬度值，效率低、處理方法繁 瑣、費時費力。在判讀年輪、測量年輪寬度時，需要長時間注視顯微鏡，極易陷入視力疲勞， 降低檢測精度。
[0004] 近年來，很多學者提出了利用圖像處理技術檢測年輪參數，首先利用數位相機或 攝像頭對經過加工的樹木圓盤拍照，再通過灰度轉換、圖像增強、分割等運算，得到年輪參 數。這種測定方法減少了檢測過程中的人工參與，提高了檢測精度和效率，但其實質是通過 顏色差異對早材、晚材進行區分，但樹木橫截面上的色斑、邊材心材的顏色差異等都會導致 檢測結果出現較大誤差。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在於：針對上述現有技術存在的缺點，提出一種無需人工幹預、不受 待測樹木色斑、顏色差異影響，可以精確檢測樹木年輪的空氣耦合式超聲波檢測方法，同時 給出相應的檢測裝置。
[0006] 研究表明，空氣耦合式超聲波檢測中，接收到的超聲波信號幅度主要受兩個因素 影響：材料的聲阻抗與材料表面透射率。
[0007] 超聲波在介質中傳播時，聲阻抗Z等於密度p與傳播速度￥的乘積，S卩= 介 質的密度#越大，則聲阻抗Z越大，穿透介質後的聲壓就越低。
[0008] 空氣耦合式超聲波從空氣進入待測材料時時，會出現明顯的折射與反射現象，只 有極少數能量的超聲波能透射過待測木材，透射率Γ為：
【權利要求】
1. 一種樹木年輪的空氣耦合式超聲波檢測方法，其特徵在於包括以下基本步驟： 第一步、將待測樹木圓盤放置在超聲波發射探頭和超聲波接收探頭之間，並調整超聲 波發射探頭，使超聲波束的焦點位於待測樹木圓盤的中心； 第二步、控制待測樹木圓盤按預定的步幅步進移動，並由超聲波接收探頭接收超聲波 發射探頭髮射的超聲波信號； 第三步、根據接收到的超聲波信號幅度判斷是否已超出待測樹木圓盤邊界，如否則反 饋第二步，如是則進行下一步； 第四步、以接收到的超聲波信號一個完整的峰-谷-峰變化過程對應一個年輪，統計出 待測樹木圓盤的年輪數。
2. 根據權利要求1所述樹木年輪的空氣耦合式超聲波檢測方法，其特徵在於：還包括 第五步，計算平均年輪寬度和晚材率。
3. 根據權利要求1或2所述樹木年輪的空氣耦合式超聲波檢測方法，其特徵在於：所 述超聲波發射探頭髮出的超聲波信號為帶漢明窗的Chirp脈衝信號，所述Chirp脈衝信號
式中，Γ是信號持續時間，單位微秒是起始頻率，單位千赫；是帶寬，單位兆赫Μ 是時間變量，單位微秒。
4. 根據權利要求3所述樹木年輪的空氣耦合式超聲波檢測方法，其特徵在於：所述第 三步中，工控機將所述脈衝信號進行脈衝壓縮運算後再進行比較。
5. 根據權利要求4所述樹木年輪的空氣耦合式超聲波檢測方法，其特徵在於：所述脈 衝壓縮運算按下式進行
式中，iepCO是壓縮後脈衝信號幅度，〇C/)是發射的脈衝信號C(i)的頻譜；l^C/)是 接收到的超聲波脈衝信號汽0頻譜的共軛；為傅立葉逆變換；Re〇為複數的實部。
6. 實現權利要求1所述樹木年輪的空氣耦合式超聲波檢測方法的檢測裝置，其特徵在 於：包括工控機； 所述工控機通過信號發生器控制的發射探頭，用以受控向樹木圓盤發射超聲波信號； 所述發射探頭相對位置安置的接收探頭，用以接收超聲波發射探頭髮射的超聲波信 號； 所述工控機通過驅動電路控制的步進直線滑臺，所述直線滑臺位於所述發射探頭和接 收探頭之間，用以安置樹木圓盤並帶動其按預定步幅步進； 所述接收探頭通過前置放大器和數據採集卡接工控機的檢測信號接收端，用以將接 收到的超聲波信號放大並轉換為幅度數位訊號後傳輸給工控機記錄存儲，並由工控機根據 接收到的超聲波信號幅度數位訊號判斷是否已超出待測樹木圓盤邊界，如否則控制繼續檢 測，如是則以一個完整的峰-谷-峰變化過程對應一個年輪，統計出待測樹木圓盤的年輪 數。
7.根據權利要求6所述的檢測裝置，其特徵在於：所述信號發生器由用以與工控機通 訊連接的USB接口電路、用以生成帶漢明窗Chirp脈衝信號的信號發生電路、用以將生成信 號放大輸出的功率放大電路構成。
【文檔編號】G01N29/09GK104101650SQ201410353275
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月23日 優先權日:2014年7月23日
【發明者】方益明, 魯植雄, 劉奕貫 申請人:南京農業大學