基于電荷型加速度傳感器的木材無損檢測系統(tǒng)設計

徐 磊，齊會云，王 瓊，張宇思

(1.南京林業(yè)大學信息科學技術學院，江蘇 南京 210037；2.啟基永昌通訊有限公司，江蘇 南京 210002；3.江蘇第二師范學院，江蘇 南京 210013)

0 引言

在現(xiàn)代社會，綠色健康已經(jīng)成為人們生活的主題，因此實木家具越來越受人們的歡迎，隨著家居需求量的增大，木材緊缺已經(jīng)成為亟待解決的問題。在總林木數(shù)量不變的情況下，如何提高林木的使用率，就是間接的解決木材緊缺的問題。樹木在生長的過程中，可能會因為蟲害、自然災害等原因，在其內部出現(xiàn)裂紋、空洞等損傷。尤其是一些珍稀木種，如果可以在不鋸開木材的情況下，就可以知道木材內部的裂紋和空洞位置，就可以采取合理的切削方法，來避開裂紋和空洞，做到物盡其用，減少廢料，可以大大提高其利用率。

當木材內部有裂紋或者空洞時，聲波在內部傳輸時就會沿著裂紋或者空洞的周圍傳播，傳播時間就會加長[1-3]。本文就基于此原理，利用應力波，通過計算應力波在木材內部的傳輸時間，設計了一款木材無損檢測設備，來檢測木材內部的裂紋和空洞等損傷，在不打開原材料的前提下給木材加工者提供木料內部結構圖，方便切削者根據(jù)內部結構進行合理的切割，大大提高木料的利用率[4,5]。

1 整體方案設計

本次設計以STM32F429作為控制器，STM32F429是一款超低功耗的單片機，采用+3.3 V供電，特別適合應用于電池供電的野外工作場合。

系統(tǒng)主要采用敲擊波作為波源，將兩個傳感器安裝在木料的兩端，在敲擊的瞬間，通過敲擊側的電荷傳感器檢測到應力波在木料內部傳輸?shù)拈_始時刻，單片機開始計時。當敲擊波通過木料傳輸?shù)侥玖狭硪欢说碾姾蓚鞲衅鲿r，傳感器給單片機發(fā)出信號，停止計時，兩個傳感器的接收到信號的時間差，就是敲擊波在內部的傳輸時間，通過與標準木料的傳輸速度相比，再借助于仿真軟件，可以模擬出木料內部缺陷的大小和大致位置，其總原理框圖如圖1所示[6]。

圖1 系統(tǒng)結果框圖

2 硬件電路設計

2.1 電荷放大電路的設計

電荷式加速度傳感器是將外部加速度的變化轉化為電荷信號，在本次設計中，使用的電荷放大器是將傳感器輸出的電荷信號轉化為微弱電壓信號的電路。

經(jīng)傳感器輸出的電荷信號，經(jīng)過一個51 Ω的電阻之后，首先經(jīng)過了一個105的電容，起到了隔直濾波的作用，可以將信號中的直流偏置噪聲濾除,使高頻信號通過。然后，又經(jīng)過了一個比例積分校正環(huán)節(jié),不僅可以加快系統(tǒng)的反應速度，提高穩(wěn)定度，還能對相位起到補償作用。

電荷放大電路將電荷信號轉化為小的電壓信號，但是信號太微弱了，單片機無法進行檢測，所以設計了如圖2所示的信號處理電路，對信號進行放大、濾波。

電荷放大器的輸出和輸入是反相的關系，因為先經(jīng)過一個反相器，將輸入和輸出轉化為與敲擊方向正相關的關系，然后經(jīng)過一個放大倍數(shù)可調的同相放大器，通過改變反饋電阻可以改變電路的放大倍數(shù)，將微弱的電壓信號轉化為0～5 V標準的電壓信號。最后，經(jīng)過一個二階巴特沃斯低通濾波電路，將信號轉化為一個幅值逐漸減小的近似正弦波信號[7]。

2.2 全波精密整流

因為經(jīng)過調理后的應力波信號近似為峰值逐漸衰減的正弦波信號，而且產(chǎn)生的波形的首個半波可能為正，也可能為負，其正負隨著傳感器安裝位置的不同而不同。為了防止首半波為負時丟失，設計了如圖3所示的全波精密整流電路。

在全波精密整流電路中，當輸入信號ui>0時，二極管D1截止，D2導通，第一個TL081工作在反相放大的狀態(tài)，輸出腳(6腳)瞬間輸出為-2ui，uo1近似輸出-2ui，此時，在第二個TL081的反相端，R5和R4分別與R6構成反向加法器，輸出uo=-(-2ui+ui)=ui；當ui<0時，第一個TL081的輸出腳(6腳)瞬間輸出為2ui，此時二極管D1就會導通，D2截止，相當于開路，由于反饋電阻R3的作用，uo1的輸出與第一個TL081的反向輸入端的電位相同，根據(jù)運算放大器“虛短虛斷”原理，可以認為TL081的反相輸入端電位與同相輸入端電位相等，約等于0，故此時uo1=0，R4與R6構成反向等比例放大，輸出uo=-ui。

2.3 峰值檢測和鎖存電路的設計

為了得到精確的傳播時間，需要檢測兩個傳感器接收到的第一個波峰的時間差，就得到了應力波傳播的時間[8]。因此，如何精確地檢測到第一個波峰，直接影響著測量的精度，本設計采用如圖4所示的峰值檢測電路。三極管9013起到取樣保持開關的作用，當三極管的基極有復位信號時，三極管9013導通，10 μF的電容和100 Ω的電阻組成放電回路，放掉10 μF電容上的保持電壓，清除峰值保持信號。

通過峰值檢測電路，可以得到敲擊波的首峰，為了不讓下一個波峰對其產(chǎn)生影響，本設計采用一個通過門電路設計的峰值鎖存電路。

圖4 檢峰和鎖峰電路

3 軟件設計

系統(tǒng)上電之后，先進行初始化，初始化完成之后系統(tǒng)就等著檢測第一個應力波的到來，當靠近波源一側的傳感器檢測到第一個波峰之后，給單片機發(fā)送信號，開啟定時器，開始計時。同時另一側的傳感器等待第一個波峰的到來，當另一側的傳感器也接收到第一個波峰時，說明應力波在木料內部傳輸結束，給單片機發(fā)送信號，關閉計數(shù)器，停止計時。然后系統(tǒng)將檢測到的數(shù)據(jù)上傳給上位機，上位機通過Matlab仿真，近似模擬出木料內部的結構圖，系統(tǒng)整體流程圖如圖5所示。

4 實驗數(shù)據(jù)

為了保證實驗數(shù)據(jù)測量的準確性，我們選用直徑為23 cm的香樟木進行實驗，首先對內部完好沒有缺陷的圓木進行測試，然后在同一段圓木中間挖一個直徑9 cm的空洞，再次進行測量。

將傳感器安裝在圓木外側直徑兩點上，在靠近一個電荷傳感器的位置進行敲擊，產(chǎn)生應力波，靠近波源的電荷傳感器首先接收到應力波，應力波經(jīng)過圓木和空洞后傳輸?shù)搅硪粋鹊碾姾蓚鞲衅?，?jīng)過電荷放大、濾波后，信號近似為幅值逐漸減小的正弦波信號，為了檢測出應力波在木料內部傳播的時間，我們需要檢測兩個波峰之間的時間，經(jīng)過首峰檢測電路后和鎖峰電路之后的波形如圖6所示，圖中高電平持續(xù)的時間，就是應力波在木料內部傳播的時間，可以送單片機進行計算。

圖6 峰值檢測和鎖峰后輸出波形

將處理后的應力波在木料內部傳輸時間波形送單片機進行檢測，可以得出應力波在木料內部的傳播時間，可以近似計算出在木料內部的傳輸速度。將有缺陷木料的傳輸速度與無缺陷木料的傳輸速度進行對比，結果如表1所示。

從表1可以看出，應力波在直徑23 cm的完好木料內部傳輸時，平均傳輸時間為512.5 μs，平均速度為448.87 m/s，在有缺損額木料內部傳輸?shù)钠骄鶗r間為574.31 μs，平均速度為400.54 m/s?？梢缘贸?，在缺損木料內部傳輸時間明顯變長，速度明顯降低。

如果在圓周方向安裝12對電荷傳感器，通過敲擊不同位置的電荷傳感器，就可以得到24組應力波在木料內部傳輸?shù)臅r間和速度，就可以通過Matlab軟件進行仿真，近似的模擬出木料內部缺陷的大小和位置。

表1 應力波在有無缺損木材內部傳輸對比

5 結論

實驗可以證明，設計的木材無損檢測系統(tǒng)可以精確地檢測出應力波在木料內部的傳輸時間和速度，通過多對電荷傳感器協(xié)同工作，借助于Matlab軟件，可以近似模擬出木料的剖面缺陷圖，為木材切削者合理切削提供依據(jù)，減少廢料，提高利用率，在木料加工行業(yè)具有廣大的應用前景。