徐 磊，齊會(huì)云，王 瓊，張宇思

(1.南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)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(xué)院，江蘇 南京 210013)

0 引言

在現(xiàn)代社會(huì)，綠色健康已經(jīng)成為人們生活的主題，因此實(shí)木家具越來(lái)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(wèn)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(wèn)題。樹(shù)木在生長(zhǎng)的過(guò)程中，可能會(huì)因?yàn)橄x(chóng)害、自然災(zāi)害等原因，在其內(nèi)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(kāi)木材的情況下，就可以知道木材內(nèi)部的裂紋和空洞位置，就可以采取合理的切削方法，來(lái)避開(kāi)裂紋和空洞，做到物盡其用，減少?gòu)U料，可以大大提高其利用率。

當(dāng)木材內(nèi)部有裂紋或者空洞時(shí)，聲波在內(nèi)部傳輸時(shí)就會(huì)沿著裂紋或者空洞的周圍傳播，傳播時(shí)間就會(huì)加長(zhǎng)[1-3]。本文就基于此原理，利用應(yīng)力波，通過(guò)計(jì)算應(yīng)力波在木材內(nèi)部的傳輸時(shí)間，設(shè)計(jì)了一款木材無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，來(lái)檢測(cè)木材內(nèi)部的裂紋和空洞等損傷，在不打開(kāi)原材料的前提下給木材加工者提供木料內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，方便切削者根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的切割，大大提高木料的利用率[4,5]。

1 整體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)以STM32F429作為控制器，STM32F429是一款超低功耗的單片機(jī)，采用+3.3 V供電，特別適合應(yīng)用于電池供電的野外工作場(chǎng)合。

系統(tǒng)主要采用敲擊波作為波源，將兩個(gè)傳感器安裝在木料的兩端，在敲擊的瞬間，通過(guò)敲擊側(cè)的電荷傳感器檢測(cè)到應(yīng)力波在木料內(nèi)部傳輸?shù)拈_(kāi)始時(shí)刻，單片機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)敲擊波通過(guò)木料傳輸?shù)侥玖狭硪欢说碾姾蓚鞲衅鲿r(shí)，傳感器給單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，停止計(jì)時(shí)，兩個(gè)傳感器的接收到信號(hào)的時(shí)間差，就是敲擊波在內(nèi)部的傳輸時(shí)間，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(jié)果框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電荷放大電路的設(shè)計(jì)

電荷式加速度傳感器是將外部加速度的變化轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)，在本次設(shè)計(jì)中，使用的電荷放大器是將傳感器輸出的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱電壓信號(hào)的電路。

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

電荷放大電路將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為小的電壓信號(hào)，但是信號(hào)太微弱了，單片機(jī)無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)，所以設(shè)計(jì)了如圖2所示的信號(hào)處理電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。

電荷放大器的輸出和輸入是反相的關(guān)系，因?yàn)橄冉?jīng)過(guò)一個(gè)反相器，將輸入和輸出轉(zhuǎn)化為與敲擊方向正相關(guān)的關(guān)系，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的同相放大器，通過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)化為0～5 V標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)。最后，經(jīng)過(guò)一個(gè)二階巴特沃斯低通濾波電路，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)幅值逐漸減小的近似正弦波信號(hào)[7]。

2.2 全波精密整流

因?yàn)榻?jīng)過(guò)調(diào)理后的應(yīng)力波信號(hào)近似為峰值逐漸衰減的正弦波信號(hào)，而且產(chǎn)生的波形的首個(gè)半波可能為正，也可能為負(fù)，其正負(fù)隨著傳感器安裝位置的不同而不同。為了防止首半波為負(fù)時(shí)丟失，設(shè)計(jì)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(dāng)輸入信號(hào)ui>0時(shí)，二極管D1截止，D2導(dǎo)通，第一個(gè)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(shí)，在第二個(gè)TL081的反相端，R5和R4分別與R6構(gòu)成反向加法器，輸出uo=-(-2ui+ui)=ui；當(dāng)ui<0時(shí)，第一個(gè)TL081的輸出腳(6腳)瞬間輸出為2ui，此時(shí)二極管D1就會(huì)導(dǎo)通，D2截止，相當(dāng)于開(kāi)路，由于反饋電阻R3的作用，uo1的輸出與第一個(gè)TL081的反向輸入端的電位相同，根據(jù)運(yùn)算放大器“虛短虛斷”原理，可以認(rèn)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(shí)uo1=0，R4與R6構(gòu)成反向等比例放大，輸出uo=-ui。

2.3 峰值檢測(cè)和鎖存電路的設(shè)計(jì)

為了得到精確的傳播時(shí)間，需要檢測(cè)兩個(gè)傳感器接收到的第一個(gè)波峰的時(shí)間差，就得到了應(yīng)力波傳播的時(shí)間[8]。因此，如何精確地檢測(cè)到第一個(gè)波峰，直接影響著測(cè)量的精度，本設(shè)計(jì)采用如圖4所示的峰值檢測(cè)電路。三極管9013起到取樣保持開(kāi)關(guān)的作用，當(dāng)三極管的基極有復(fù)位信號(hào)時(shí)，三極管9013導(dǎo)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(hào)。

通過(guò)峰值檢測(cè)電路，可以得到敲擊波的首峰，為了不讓下一個(gè)波峰對(duì)其產(chǎn)生影響，本設(shè)計(jì)采用一個(gè)通過(guò)門電路設(shè)計(jì)的峰值鎖存電路。

圖4 檢峰和鎖峰電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電之后，先進(jìn)行初始化，初始化完成之后系統(tǒng)就等著檢測(cè)第一個(gè)應(yīng)力波的到來(lái)，當(dāng)靠近波源一側(cè)的傳感器檢測(cè)到第一個(gè)波峰之后，給單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，開(kāi)啟定時(shí)器，開(kāi)始計(jì)時(shí)。同時(shí)另一側(cè)的傳感器等待第一個(gè)波峰的到來(lái)，當(dāng)另一側(cè)的傳感器也接收到第一個(gè)波峰時(shí)，說(shuō)明應(yīng)力波在木料內(nèi)部傳輸結(jié)束，給單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，關(guān)閉計(jì)數(shù)器，停止計(jì)時(shí)。然后系統(tǒng)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)Matlab仿真，近似模擬出木料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)整體流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，我們選用直徑為23 cm的香樟木進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先對(duì)內(nèi)部完好沒(méi)有缺陷的圓木進(jìn)行測(cè)試，然后在同一段圓木中間挖一個(gè)直徑9 cm的空洞，再次進(jìn)行測(cè)量。

將傳感器安裝在圓木外側(cè)直徑兩點(diǎn)上，在靠近一個(gè)電荷傳感器的位置進(jìn)行敲擊，產(chǎn)生應(yīng)力波，靠近波源的電荷傳感器首先接收到應(yīng)力波，應(yīng)力波經(jīng)過(guò)圓木和空洞后傳輸?shù)搅硪粋?cè)的電荷傳感器，經(jīng)過(guò)電荷放大、濾波后，信號(hào)近似為幅值逐漸減小的正弦波信號(hào)，為了檢測(cè)出應(yīng)力波在木料內(nèi)部傳播的時(shí)間，我們需要檢測(cè)兩個(gè)波峰之間的時(shí)間，經(jīng)過(guò)首峰檢測(cè)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(shí)間，就是應(yīng)力波在木料內(nèi)部傳播的時(shí)間，可以送單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算。

圖6 峰值檢測(cè)和鎖峰后輸出波形

將處理后的應(yīng)力波在木料內(nèi)部傳輸時(shí)間波形送單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，可以得出應(yīng)力波在木料內(nèi)部的傳播時(shí)間，可以近似計(jì)算出在木料內(nèi)部的傳輸速度。將有缺陷木料的傳輸速度與無(wú)缺陷木料的傳輸速度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

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

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

表1 應(yīng)力波在有無(wú)缺損木材內(nèi)部傳輸對(duì)比

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)可以證明，設(shè)計(jì)的木材無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)可以精確地檢測(cè)出應(yīng)力波在木料內(nèi)部的傳輸時(shí)間和速度，通過(guò)多對(duì)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?gòu)U料，提高利用率，在木料加工行業(yè)具有廣大的應(yīng)用前景。