林业科学  2012, Vol. 48 Issue (4): 97-101   PDF    
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陈勇平, 刘秀英, 李华, 韩扬, 黎冬青, 张涛
Chen Yongping, Liu Xiuying, Li Hua, Han Yang, Li Dongqing, Zhang Tao
不同数量传感器下云杉模拟缺陷材应力波成像规律探讨
Research on Stress Wave Tomography of Spruce Logs with Artificial Defects under Different Number Sensors
林业科学, 2012, 48(4): 97-101.
Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(4): 97-101.

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收稿日期:2011-12-25
修回日期:2011-04-12

作者相关文章

陈勇平
刘秀英
李华
韩扬
黎冬青
张涛

不同数量传感器下云杉模拟缺陷材应力波成像规律探讨
陈勇平1, 刘秀英1, 李华1, 韩扬2, 黎冬青2, 张涛2    
1. 中国林科业科学研究院木材工业研究所 国家林业局木材科学与技术重点实验室 北京 100091;
2. 北京市古代建筑研究所 北京 100050
摘要: 以云杉原木圆盘为对象,研究不同面积、不同轮廓形状的空洞缺陷及用不同数量传感器情况时应力波成像技术检测缺陷图像与实际缺陷的关系。结果表明:应力波成像系统可以直观显示木材内部缺陷,其检测精度与空洞等实际缺陷面积和被测木材的截面积比率、使用传感器数量及空洞等缺陷轮廓形状有关; 当空洞实际面积与被测木材截面积比从1.6%上升到25.0%时,应力波成像系统显示缺陷图像面积与实际缺陷面积相对误差从22.6%下降到9.7%;成像用传感器数量在6~24个之间时,应力波成像系统均能显示空洞等缺陷的存在,但成像用传感器的数量会影响检测精度; 缺陷轮廓形状对应力波成像有一定影响,缺陷面积一定时,狭长形缺陷容易被检出,近圆形缺陷检测相对误差小。
关键词:应力波成像技术    精确度    相对误差    缺陷    传感器    
Research on Stress Wave Tomography of Spruce Logs with Artificial Defects under Different Number Sensors
Chen Yongping1, Liu Xiuying1, Li Hua1 , Han Yang2, Li Dongqing2, Zhang Tao2    
1. Key Laboratory of Wood Science and Technology of State Forestry Administration Research Institute of Wood Industry, CAF Beijing 100091;
2. Beijing Research Institute of Architectural Heritages Beijing 100050
Abstract: In order to raise the precision of stress wave imaging technology(SWIT), under the conditions of different area and outline of simulated cavity defects in timber discs of spruce, different number of used sensors, the relationship between imaging graph defects and real defects is studied. The result shows: SWIT can display graph of defects, the precision of imaging graph relates to rate of real defect area and area of the tested wood cross section, the number of used sensors and outline shape of the defects. When the rate rises from 1.6% to 25.0%, the relative error of graph defect area and real defect area drops from 22.6% to 9.7%. When the number of used sensors is from 6 to 24, the graph of SWIT can show the existence of real defect. But the number of sensors used influences the precision of SWIT. Outline shape of defects has certain effect on detection of defects. Under the condition of the same defect area, the defects of long and narrow shape are easy to be shown by graph. The relation error of defect area of suborbicular shape is smaller than that of long and narrow shape.
Key words: stress wave imaging technology    precision    relative error    defect    sensor    

应力波扫描成像技术可以显示古建筑木构件内部缺陷(安源等, 2008; 李华等, 2009; 于子绚, 2009),为此可针对缺陷情况实施防护或修缮方案,从而更好地保护古建筑。但在实际的古建筑木构件检测中,应力波成像技术得到的图像还存在缺陷轮廓和缺陷面积的精确度等问题,这是因为应力波在木构件断面传播时,经波速计算以及矩阵变换和图像重构技术生成的二维(梁善庆, 2008; 王立海等, 2008; 徐华东等, 2010; Deflorio et al., 2008)以及三维图形,在一定程度上受到很多因素的干扰,比如缺陷面积大小和形状、传感器数量、程序的算法、木材树种、含水率等。为了减小检测结果的误差、提高图像质量及准确性,本文研究了传感器选用数量、内部缺陷面积以及缺陷轮廓形状等因素在应力波成像技术准确性方面的影响。

1 材料与方法 1.1 试验材料

云杉(Picea sp.)原木圆盘取自甘肃,平均直径32 cm,厚度5 cm,试件在气干棚中存放半年后置于(20±2)℃、相对湿度65%±5%条件下至恒重。

1.2 检测设备

研究使用的是德国Rinntech公司生产的应力波脉冲式树木断层成像仪(Impulse tomography, 型号ARBOTOM),主要由Arbotom分析软件、传感器、Arbotom控制器、小锤以及相应的附件组成。可根据需要检测木材1个或多个断面,检测完成后通过分析软件显示断面图像。目前该技术主要应用于活树内部健康状况的监测(梁善庆, 2008; 王立海等, 2008; 徐华东等, 2010)、木结构桥梁的健康诊断(Yamamoto et al., 1998; Ross et al., 1999; Schwarze et al., 2004)以及古建筑木构件的检测。

1.3 试验内容与方法 1.3.1 缺陷面积对检测结果的影响

取云杉圆盘3个,依次在圆盘中心制造圆形直径为4, 8, 12及16 cm的空洞缺陷,用24个传感器应力波成像仪检测其内部缺陷,传感器沿圆盘周边均匀设置。

1.3.2 传感器数量对检测结果的影响

取直径为12 cm圆形空洞缺陷圆盘3个,用应力波成像仪分别进行6,12和24个传感器的检测,传感器沿圆盘周边均匀设置。

1.3.3 缺陷轮廓对检测结果的影响

取云杉圆盘12个,依次在圆盘中心制造六边形、四边形、三角形空洞以及开裂等缺陷材各3个,用24个传感器沿圆盘周边均匀设置的应力波成像仪检测其内部缺陷。在测定中,产生应力波的激发小球对激发点传感器冲击销至少敲击3次,小球从固定的滑道下落冲击以保证力量一致,控制误差在5%以内。试件的参数情况如表 1,应力波检测示意如图 1

表 1 试件的参数 Tab.1 Parameters of samples
图 1 应力波检测示意 Fig.1 Sketch map of stress wave testing a.模拟开裂缺陷Artificial crack; b.模拟三角形空洞缺陷Artificial triangle-cavity;
c.模拟四边形空洞缺陷Artificial quadrilateral-cavity; d.模拟六边形空洞缺陷Artificial hexagon-cavity.
2 结果与分析

设定图片最浅颜色(绿色)对应应力波传播速度为1 200 m·s-1,最深颜色(紫色)对应速度为700 m·s-1。文中检测精度为成像系统显示木材内部缺陷与实际缺陷面积的差值,检测精度越高二者差值越小。

2.1 缺陷面积对检测结果的影响

不同直径的圆形空洞缺陷应力波成像检测主要是研究实际缺陷面积与被测木材断面面积的百分率和检测精度之间的关系,应力波检测结果见表 2图 2,表中图像缺陷面积是通过Photoshop处理图像后导入Autocad通过勾勒缺陷轮廓由系统自动计算获得。

表 2 图像显示的不同直径圆形空洞缺陷面积的相对误差 Tab.2 Relative error of defective area of different diameter circular cavity measured by graphs
图 2 不同直径圆形空洞的应力波成像 Fig.2 Graph of samples of different diameter circular cavity showed by stress wave imaging technology a.4 cm; b.8 cm; c.12 cm; d.16 cm.

空洞直径为4 cm时(图 2a),图像显示缺陷存在但显示不明显; 空洞直径为8 cm时(图 2b),图像显示的空洞可被直观检测到,图像的缺陷和真实的缺陷轮廓有一定差异; 空洞直径上升到12 cm后(图 2c图 2d),检测图像的缺陷和真实缺陷大小的差异逐渐缩小,检测结果接近实际结果。

表 2中同时可以看出,应力波径向传播速度随着空洞直径的增加而减小,应力波检测图像缺陷面积与实际缺陷的相对误差随着空洞直径的增大而减小。

在云杉试验基础上用落叶松(Larix spp.)圆盘进行验证试验显示,空洞面积的大小对应力波检测图像精确度影响显著,在一定范围内,实际空洞面积与被测木材横截面面积的比值越大,图像显示越明显,检测精度越高。

2.2 传感器数量对检测结果的影响

采用6, 12, 24个传感器检测圆盘结果见图 3。由图中可看出,当传感器为6个时(图 3b),图像大多为紫红色,说明该圆盘存在空洞或腐朽缺陷,但缺陷边界相当不明显; 传感器数量增加至12个时(图 3c),缺陷区域大致能表示出来,但轮廓不够明显,从紫红色区域的分布数量来看,说明缺陷大致存在于中心位置; 当传感器增加至24个时(图 3d),图像中紫红色区域分辨已很明显,圆盘中心位置存在严重腐朽或空洞。不同数量传感器的试验表明,应力波成像技术能够直观显示木材内部是否存在缺陷,且随传感器数量增加,检测图像准确性明显提高。因此在相邻传感器互不干扰的情况下,尽可能多布置传感器(3 cm < 间距 < 10 cm为宜)可以提高成像精确度。传感器数量布置多少除与木材直径有关外,还与被检测内部缺陷大小有关,同等条件下要达到相同的精度,木材面积越大、内部缺陷越小,需要布置的传感器越多。

图 3 传感器数量不同的应力波成像 Fig.3 Graph of the sample of stress wave imaging technology by different number of sensors a.0; b.6; c.12; d.24.
2.3 缺陷轮廓对检测结果的影响

图 4图 2显示,人工制造的开裂缺陷(图 4a)、三角形缺陷(图 4b)、四边形缺陷(图 4c)、六边形缺陷(图 4d)和圆形缺陷(图 2c)为深色部分(红色区域),均非常明显,能很好地展示该区域存在开裂、空洞或重度腐朽。

图 4 缺陷轮廓形状不同的应力波成像 Fig.4 Imaging graph of stress wave of different defect outline a.开裂Crack; b.三角形Triangle-cavity; c.四边形Quadrilateral-cavity; d.六边形Hexagon-cavity.

表 3可见,近圆形的空洞缺陷成像精度高于狭长形缺陷,同样面积时的裂缝比四边形的空洞更容易被应力波成像系统显示,这是因为在面积相等的情况下,裂缝缺陷为狭长,其宽度小故而在穿过木材断面路径上的长度长,这样在裂缝两侧传感器对应的应力波波速就下降明显,从而更容易被应力波成像系统检出。

表 3 缺陷轮廓形状不同的应力波成像技术的图像缺陷面积的相对误差 Tab.3 Relative error of defective area of graph of different defect outline by stress wave imaging technology
3 结论

应力波成像能直观地显示木材内部缺陷,但其图像显示缺陷面积和缺陷轮廓受诸多因素影响,所以在根据应力波图像判定实际缺陷时须进行修正。

1) 缺陷成像精度和缺陷图像分辨能力为2个不同概念。一般说来,缺陷面积相同时,缺陷轮廓近狭长,图像的缺陷分辨能力越高; 缺陷轮廓近圆形时,图像的缺陷分辨能力要低于前者,但是成像精度要高于前者。即同等大小缺陷面积的开裂和圆形空洞存在时,开裂比空洞更容易被检测出,但是空洞被检出时图像面积与实际面积更接近。

2) 成像技术显示的图像缺陷面积与实际缺陷面积存在一定的误差,实际缺陷与被测木材横截面面积的比值越小,误差越大; 检测断面合理布置传感器数量可提高成像精确度和检测效率。

3) 在对应力波成像分析软件生成的图像进行缺陷轮廓确定时,最好结合各个传感器之间的传播速度加以分析,同时利用图形图像软件辅助处理。建议在内部缺陷检测面积较小时,采用阻抗图谱仪检测予以修正缺陷轮廓和大小。

参考文献(References)
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[] 梁善庆. 2008. 古树名木应力波断层成像诊断与评价技术研究. 中国林业科学研究院博士学位论文.
[] 王立海, 徐华东, 闫再兴, 等. 2008. 传感器的数量与分布对应力波检测原木缺陷效果的影响. 林业科学, 44(5): 115–121. DOI:10.11707/j.1001-7488.20080522
[] 徐华东, 王立海, 游祥飞, 等. 2010. 应力波在旱柳立木内的传播规律分析及其安全评价. 林业科学, 46(8): 145–150. DOI:10.11707/j.1001-7488.20100822
[] 于子绚. 2009. 应力波检测古建旧木缺陷技术研究. 北京林业大学硕士学位论文.
[] Deflorio G, Fink S, Schwarze F W. 2008. Detection of incipient decay in tree stems with sonic tomography after wounding and fungal inoculation. Wood Science and Technology, 42(2): 117–132. DOI:10.1007/s00226-007-0159-0
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