專利名稱：一種基于頻率特征的木材應力波無損檢測方法
技術領域：
本發明屬于木材質量檢測技術領域，尤其涉及一種基于頻率特征的木材應力波無損檢測方法。
背景技術：
木材應力波無損檢測技術的基本原理如圖I所示,利用脈沖錘敲擊木材,使其內部產生應力波的傳播，通過安裝在原木周圍的傳感器，可采集到各觀測點上的應力波信號，對應力波信號進行時域、頻域分析，確定木質材料的性質(如彈性模量和缺陷等)。基于應力波的木材無損檢測技術具有實現簡單、使用方便等優點，得到了廣泛應用，但通常用于反映木材內部缺陷檢測的特征是應力波在木材中的傳播時間或傳播速度，這種方法不能判斷出木材中腐朽的位置，而且測量結果分散性較大，檢測結果很難達到高度準確性。 頻率響應函數是系統輸入信號和輸出信號的傅立葉變換之比，它包含了木材內部物理參數的所有信息。正是基于這一性質，中外眾多研究者都提出了利用木材頻率響應特征的無損檢測技術。隨后出現了基于頻域特征的應力波無損檢測技術，Bozhang等人研究了木材頻率響應特性，健康木中應力波信號高頻成分衰減較小，可以應用這種方法有效識別木材中的早期腐朽，余觀夏等人提出應力波信號頻譜的譜線面積與木材的成分有對應關系，可利用頻譜面積大小來表示對應木材成分的多少，并通過對已知內部腐朽情況的原木試樣進行測試，證實了該方法是可行的，而且具有測試結果非常直觀等優點。但是這些方法都沒有考慮木材中應力波信號的反射、折射、透射等現象，在實際檢測過程中，傳感器觀測到的應力波信號中混雜了大量的反射波、折射波等信號，給檢測結果帶來了誤差。如圖2所示為一原木的橫截面，A點為脈沖錘敲擊點，B點為觀測傳感器的安裝位置，由于腐朽點F的存在，應力波除了沿直線AB向B點傳播外(假設這部分應力波信號為S1 (t))，B點還接收到反射信號S2 (t)。根據頻率響應函數的定義
Hab υω)==+MmL = Ηχ ω)+Ηι ω) (ι) Αβ ΧΑ ω) XaUo^) ΧΑ{ ω) ΧΑ(Μ式中ΧΑ (j ω )、Xb (j ω )分別是A點、B點觀測信號的傅立葉變換；S1 (j ω )、S2 (j ω )分別是信號S1 (t)、S2 (t)的傅立葉變換。顯然，真正反映AB間木材物理特性的應該是H1 (j ω)，若簡單地以觀測信號傅立葉變換之比HAB(j )表征AB間木材的物理特性，必然會導致較大誤差。

發明內容
本發明提供了一種基于頻率特征的木材應力波無損檢測方法，旨在解決現有技術提供的利用木材頻率響應特征的無損檢測方法，都沒有考慮木材中應力波信號的反射、折射、透射現象，傳感器觀測到的應力波信號中混雜了大量的反射波、折射波信號，檢測結果的誤差較大的問題。本發明的目的在于提供一種基于頻率特征的木材應力波無損檢測方法，該方法包括以下步驟步驟一，在原木周圍均勻地安裝I個通過信號線纜連接至數據采集卡的壓電式加速度傳感器，用脈沖錘敲擊其中編號為O的傳感器，然后通過數據采集卡完成壓電式加速度傳感器輸出信號的采集，保存為X。(n), X1 (n), . . . , Xi (n). . . , X1^1 (η)；步驟二，對采集到的信號做K點快速傅立葉變換，得到XtlGO, X1 (k),,XiGO，...，Xh (k)，k = 0，1，ΛΚ-1，然后求出第O個傳感器至其他各觀測傳感器之間的實際頻率響應函數
權利要求
1.一種基于頻率特征的木材應力波無損檢測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一，在原木周圍均勻地安裝I個通過信號線纜連接至數據采集卡的壓電式加速度傳感器，用脈沖錘敲擊編號為O的傳感器，然后通過數據采集卡完成壓電式加速度傳感器輸出信號的采集，保存為 X。(n), X1 (η). . . , Xi (η). . . , X1^1 (η)；步驟二，對采集到的信號做K點快速傅立葉變換，得到XtlGO, X1 (k), ...，Xi (k), · Xh (k)，k = 0，1，ΛΚ-1，然后求出第O個傳感器至其他各觀測傳感器之間的實際頻率響應函數=i = I5A / -I；X0(k)步驟三，定義相同條件下健康木材中第O個傳感器至其他各觀測傳感器之間的頻率響應函數為H0, i (k)，然后將Hi (k)減去H0, i (k)，得到Yi (k) = Hi (k) -H0, i (k), i = I, Λ I-I ;步驟四構建Y= [Y' JkhY' 2(k)，A，Y' η (k)]'作為觀察矩陣，對其作基于二階統計量的盲源分離，估計出混合矩陣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)為第0個傳感器至木材內部第j個缺陷點之間的頻率響應函數，Gjji(k)為第j個缺陷點至第i個觀測點之間的頻率響應函數；步驟五，對估計出的J個進行k均值聚類分析；步驟六，根據聚類的結果判別木材內部有無缺陷，類別數量決定缺陷區域的多少，每類中數據對象的數量表示該缺陷區域的大小。
2.如權利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟三中，HcmGO反映的是應力波信號沿球面方向的傳播特征，與缺陷信息無關，可由健康木材內的頻率響應函數得出。
3.如權利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟五中，Gy(k)為第j個缺陷點至第i 個觀測點之間的頻率響應函數，包含了大量的關于缺陷的信息。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，對于健康木材，可視為勻質木材，各Gii (k) 的數值大小相等；對于有缺陷的木材，缺陷點上的Gp(k)數值與其他區域不同，相近的缺陷點數值大致相同。
5.如權利要求I所述的方法，其特征在于，將Y=[Y' JkhY' 2(k), A, Y1^m1 作為觀察矩陣，對其作基于二階統計量的盲源分離，估計出混合矩陣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為第O個傳感器至木材內部第j個缺陷點之間的頻率響應函數，Gj, ,(k) 為第j個缺陷點至第i個觀測點之間的頻率響應函數，詳細步驟為(1)估計Y的相關矩陣人k=0(2)對<(O)作特征值分解(EVD)毛(O) = UyLyVy = VyAyVy = VsAsVs + VnAnVn其中(I-I)XJ維矩陣Vm= [v1； V2, Avh]是與J個按下降順序排列的的主要特征值A s = diag { λ I彡λ 2L彡λ j相對應的特征矢量；(I-I) X (I-I-J)維矩陣Vn包含(I-l-J) 個噪聲特征An= { λ J+1 ^ L ^ λ 對應的噪聲特征矢量，并且λ τ > λ ^ ;(3)白噪聲方差估計成(I-I-J)個不重要特征值的均值；(4)進行穩健的預白化變換
6.如權利要求I所述的方法，其特征在于，對估計出的J個07(幻進行k均值聚類分析， 具體做法為(1)對于給定大小為J的數據集，令L=I，選取3個初始聚類中心Zi (L)，i = 1,2,3 ；(2)計算每個數據對象^.⑷與k個聚類中心的距離￡>(0/Α:)，Ζ,(Ζ)), j = 1，2，A，J，i=1，2，3，如果滿足乃吃⑷，
全文摘要
本發明公開了一種基于頻率特征的木材應力波無損檢測方法，在原木周圍均勻地安裝壓電式加速度傳感器，用脈沖錘敲擊其中編號為0的傳感器，利用數據采集卡完成傳感器輸出信號的采集，保存；對采集到的信號做K點快速傅立葉變換，然后求出實測頻率響應函數；根據實測頻率響應函數及健康木的頻率響應函數，構建觀察矩陣；作基于二階統計量的盲源分離，估計缺陷點與觀測點之間的頻率響應函數；最后以聚類結果為依據判別木材內部有無缺陷、缺陷數量以及缺陷大小。該根據木材頻率響應函數的應力波無損檢測方法，不受反射波、折射波信號的干擾，檢測結果更加準確，能自動檢測出木材內部是否存在缺陷、缺陷大小的信息，檢測過程簡便，實用性強。
文檔編號G01N29/12GK102928514SQ20121041112
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月14日 優先權日2012年10月14日
發明者馮海林, 方益明, 李光輝, 李劍 申請人:浙江農林大學