基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】一種基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置及檢測方法。傳統的微波、超聲波核磁共振和X射線成像技術在木材檢測領域的應用存在不足。一種基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，其組成包括：裝置本體，裝置本體（8）內部具有模擬信號調理電路（6）、激勵源采集電路（2）、信號選擇模塊電路和多路開關控制電路（1），多路開關控制電路通過導線（7）電連接電極（4），電極連接在立木截面（5）上；模擬信號調理電路又包括低通濾波電路（6?1）、解調電路（6?2）、交流二級放大電路（6?3）、差動一級放大電路（6?4）和高通濾波電路（6?5）。本發明申請應用于基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置及檢測方法。
【專利說明】
基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置及檢測方法
[0001 ] 技術領域:
本發明涉及一種探傷檢測領域，尤其涉及一種基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置及檢測方法。
[0002]【背景技術】:
目前，微波、超聲波以及核磁共振和X射線成像等技術在木材無損檢測領域中都有了一些嘗試和應用；雖然這些技術在木材無損檢測中各具特色，但也都明顯存在一些不足;在應用微波法對木材缺陷及其物理性質進行檢測時，往往受到木材含水率情況的影響，對立木檢測的分辨率與適應性都有待提高；另外由于木材結構十分復雜，利用超聲波技術對木材進行探傷檢測時，木材與超聲波探測頭之間會存在一定的接觸間隙，需要質量較好的耦合劑進行粘連才能實現有效連接;而利用X射線檢測木材的性質雖然應用比較廣泛，但由于其設備成本較高，因此目前還處于實驗研究階段;另外，上述方法也都存在不易攜帶、操作不便等問題，更重要的是，這些方法通常只能對立木中晚期的腐朽情況進行檢測，而對立木的早期腐朽變色情況的診斷性能不佳。
[0003]
【發明內容】
:
本發明的目的是提供一種基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置及檢測方法。
[0004]上述的目的通過以下的技術方案實現:
一種基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，其組成包括:裝置本體，所述的裝置本體內部具有模擬信號調理電路、激勵源采集電路、信號選擇模塊電路和多路開關控制電路，所述的多路開關控制電路通過導線電連接電極，所述的電極連接在立木截面上;所述的模擬信號調理電路又包括低通濾波電路、解調電路、交流二級放大電路、差動一級放大電路和高通濾波電路，所述的低通濾波電路電連接解調電路，所述的解調電路電連接交流二級放大電路，所述的交流二級放大電路電連接差動一級放大電路，所述的差動一級放大電路電連接高通濾波電路;所述的激勵源采集電路又包括AD9850信號發生器、壓控電流源電路、CPU控制器、數據采樣電路、幅值控制電路和串口通訊電路，所述的AD9850信號發生器和所述的壓控電流源電路分別電連接CPU控制器，所述的數據采樣電路和所述的串口通訊電路也分別電連接(PU控制器，所述的幅值控制電路電連接于壓控電流源電路。
[0005]所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，所述的串口通訊電路電連接于成像計算機，所述的多路開關控制電路電接于所述的高通濾波電路，所述的高通濾波電路依次電連接于所述的差動一級放大電路和所述的交流二級放大電路，所述的數據采樣電路電連接于所述的低通濾波電路，所述的幅值控制電路電連接于所述的解調電路，所述的AD9850信號發生器電連接所述的壓控電流源電路，所述的壓控電流源電路電連接于所述的信號選擇模塊電路。
[0006]所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，所述的電連接為通過導線做為連接介質。
[0007]所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置的檢測方法，其工作流程如下:本系統的控制中心向下位機發送采集指令，下位機的CPU控制器接收到命令后，利用信號選通模塊，循環選擇相鄰兩個電極作為電流輸入端，剩余的電極對作為電壓測量端;根據靜電場理論，當在立木橫截面的任何一對相鄰電極間輸入電流時都會在內部建立一個場域，如將場域內的相同電勢的點連接成線，就成了一系列的等位線;其中起始于邊界節點的等位線會終止在輸入電流的兩個電極之間;立木橫截面上的任何兩個電極間的電壓通過高通濾波去除直流成分干擾后，進入高阻抗差分放大器，再經過二級差分放大，利用AD637模塊進行真有效值的計算，最終輸出的直流信號通過TCL2543芯片進行AD轉換保存在下位機E2PR0M中；當下位機收集好所有的獨立電壓測量值后，通過RS232口上傳給控制中心；控制中心利用等位線反投影算法處理分析這些數據并利用成像方式顯示被測立木橫截面內容的電阻率變化情況;其中等位線反投影算法的基本思想是，假設內部電阻率發生變化后等位線分布沒有發生變化的情況下，內部電阻率的變化會影響到與其相關的邊界電壓值發生改變;控制中心首先將這些采集器傳上來的邊界節點電壓值進行標準化處理，根據相應的影響關系(等位線投影區域)反投影到內部單元的電阻率的變化情況，并通過I個循環輸入將這些反饋結果進行疊加，最終生成一個能反映出內容單元電阻率變化的圖像;其中標準化處理的方法是將采集到的電壓值與電阻率均勻分布情況下通過正問題求解計算得到的邊界電壓相減后再相除，以消除量綱影響;影響關系則可通過反投影矩陣表達;另外，傳統等位線反投影算法利用的是當內部單元電阻率發生變化時會影響到邊界節點電壓的變化這一原理，而這種變化在算法中都被均勻地反饋到投影區域中，因此會造成了實際上未變化的單元根據投影矩陣也同樣被誤認為發生了改變;為此，本系統通過設定影響面積權重參數，將投影區域大的邊界電壓對單元的影響縮小，以減少星狀偽影的影響;最后系統將求得的各個單元電阻率的值轉換成顏色值進行立木橫截面電阻率成像的顯示。
[0008]本發明的有益效果:
1.本發明的立木探傷檢測裝置，可以有效檢測出立木的早期腐朽變色情況，提高立木的存活率減少木材損失，同時操作方便，結構簡單便于攜帶。
[0009]本發明的立木探傷檢測裝置，所依據的方案是電阻斷層成像(ERT)技術，利用測量得到的立木截面電阻分布構建二維截面圖像，進而分析立木內部特征。
[0010]本發明的立木探傷檢測裝置，ERT的工作方式是電流激勵、電壓測量;交變電流通過一對電極施加到被測立木表面上，當立木內的電阻率分布變化時，電流場的分布也會隨之變化，相應地會引起立木外周上的測量電壓也要發生變化;也就是說立木外周測量電壓的變化能夠反映出立木內部電阻率的變化;根據立木外周的測量電壓，通過一定的成像算法，可以重建出立木截面的阻抗分布，并由此建立起立木截面的二維圖像。
[0011]本發明的立木探傷檢測裝置，由于在電阻抗成像系統中，傳感器電極和立木表面會有一定的接觸電阻，為了消除該電阻的影響，本裝置采用的是內阻很大的恒流源作為激勵信號。
[0012]本發明的立木探傷檢測裝置，由于立木表面測得的信號強度不一，裝置需要對這些測量電極下得到的弱電壓信號進行調理。
[0013]本發明的立木探傷檢測裝置，采用信號選通模塊，負責處理各個不同激勵電極和測量電極之間的切換導通;裝置采用16個電極的電阻抗成像技術，因此需要四個16路模擬開關進行循環導通激勵輸入和電壓測量。
[0014]本發明的立木探傷檢測裝置，所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測系統中等位線反投影算法中權系數的確定采用的是正比于投影區域面積大小倒數的方法，可有效降低星狀偽影的影響，進一步提高圖像分辨率。
[0015]【附圖說明】:
附圖1是本發明的立木探傷檢測裝置結構示意圖。
[0016]附圖2是本發明的立木探傷檢測裝置系統圖。
[0017]附圖3是本發明的檢測裝置電阻抗斷層成像原理圖。
[0018]附圖4是本發明的檢測裝置的恒流源激勵信號產生模塊原理圖。
[0019]附圖5是本發明的檢測裝置的低通濾波電路原理圖。
[0020]附圖6是本發明的檢測裝置的正弦激勵信號產生模塊電路原理圖。
[0021]附圖7是本發明的檢測裝置的微弱信號檢測模塊差分信號輸入電路原理圖。
[0022]附圖8是本發明的檢測裝置的微弱信號檢測模塊差分信號程控放大原理圖。
[0023]附圖9是本發明的檢測裝置的微弱信號檢測模塊電路原理圖。
[0024]附圖10是本發明的檢測裝置的信號選通模塊電路原理圖。
[0025]附圖11是本發明的檢測裝置的主控模塊電路原理圖。
[0026]附圖12是本發明的檢測裝置的通訊模塊電路原理圖。
[0027]附圖13是本發明的檢測裝置的電源模塊電路原理圖。
[0028]圖中:1一多路開關、信號選通模塊電路;2 —激勵源采集模塊電路;2-1 —壓控電流源電路;2-2 — AD9850信號發生器;2-3 — CPU控制器;2_4 —幅值控制電路;2_5 —數據米樣電路;2-6 —串口通訊電路;3 —成像計算機;4 一電極;5 —立木截面;6 —模擬信號調理模塊電路;6-1 —低通濾波電路;6-2 —解調電路;6-3 —交流二級放大電路;6-4一差動一級放大電路;6-5 —高通濾波電路;7 —導線;8 —殼體；
【具體實施方式】:
實施例1:
一種基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，其組成包括:裝置本體，所述的裝置本體8內部具有模擬信號調理電路6、激勵源采集電路2、信號選擇模塊電路和多路開關控制電路I，所述的多路開關控制電路通過導線7電連接電極4，所述的電極連接在立木截面5上；所述的模擬信號調理電路又包括低通濾波電路6-1、解調電路6-2、交流二級放大電路6-3、差動一級放大電路6-4和高通濾波電路6-5，所述的低通濾波電路電連接解調電路，所述的解調電路電連接交流二級放大電路，所述的交流二級放大電路電連接差動一級放大電路，所述的差動一級放大電路電連接高通濾波電路;所述的激勵源采集電路又包括AD9850信號發生器2-2、壓控電流源電路2-1、CPU控制器2-3、數據采樣電路2-5、幅值控制電路2-4和串口通訊電路2-6，所述的AD9850信號發生器和所述的壓控電流源電路分別電連接CPU控制器，所述的數據采樣電路和所述的串口通訊電路也分別電連接CPU控制器，所述的幅值控制電路電連接于壓控電流源電路。
[0029]實施例2:
根據實施例1所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，所述的串口通訊電路電連接于成像計算機3，所述的多路開關控制電路電接于所述的高通濾波電路，所述的高通濾波電路依次電連接于所述的差動一級放大電路和所述的交流二級放大電路，所述的數據采樣電路電連接于所述的低通濾波電路，所述的幅值控制電路電連接于所述的解調電路，所述的AD9850信號發生器電連接所述的壓控電流源電路，所述的壓控電流源電路電連接于所述的信號選擇模塊電路。
[0030]實施例3:
根據實施例2所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，所述的電連接為通過導線做為連接介質。
[0031]實施例4:
根據實施例2所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，采用的是一種電流注入、電壓測量方法，在一對相鄰電極上注入交變激勵電流，并在其它所有相鄰電極上測量電壓差，得到一組能反映立木內部電阻分布的圖像，該測量方法稱之為相鄰配置;如在被測量的立木表面四周放置N=16個電極，這樣每一次電流注入，就會有一組N-l=15獨立的電壓測量結果(除去相鄰的兩個驅動電極間)；然而由于接觸阻抗的存在，在與驅動電極共電極的測量電極上得到的測量電壓會含有較大的誤差，因此不能作為重建電阻圖像的數據來源;這樣一來，每一次電流注入下的獨立測量電壓次數就變為N_3=13;為了獲得更多的獨立電壓測量數據，本發明需要采用循環方式在所有相鄰電極上依次注入電流，共進行N=16次，每次電流注入下均能獲得N_3=13次電壓測量結果，這樣一共有N*(N-3)=208個獨立電壓測量。
[0032]實施例5:
根據實施例2所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，包括激勵信號輸入模塊，該模塊通過信號選通模塊選通的相鄰驅動電極(16對)對施加0.5毫安的交變雙極性電流，在立木橫截面上產生靜電場，然后利用微弱信號采集模塊根據信號選通模塊指定的測量電極對循環采集(13個)電壓信號，然后將收集到的16*13=208個電壓信號通過RS-232串口送到上位機進行圖像重建以及后續的分析處理，這里所有模塊的邏輯控制都由主控單元模塊提供。
[0033]實施例6:
根據實施例2所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，如附圖4所示，是激勵信號產生模塊中AD9850正弦信號發生器電路原理圖，其中AD9850當供電電壓5V時，可外接125M晶振，最大能輸出62.5MHZ的正弦信號。具有32位的調整頻率位，分辨率為0.029IHZ ；5位數字相位調解，可提供不同相位的輸出信號;AD9850輸出的是電流信號，通過外接電阻將電流信號轉換為電壓信號;其中電流強度由外接電阻R8控制，當R8=3.9K時輸出電流值大小為10.24毫安，其中；AD9850芯片提供并行和串行兩種接口方式;AD9850配置采用的40位寄存器，低32位是頻率控制字，高8位是輸入方式以及相位控制字;為了節省主控模塊端的I/O口，本發明采用的是串行接口方式，需要注意的是AD9850初始化時是并口輸入，并口方式是首先輸入40位中的高8位即W32-W40;這樣，初始化上電時只需要給W_CLK和FQ_UD上升沿即可將控制字寫入，將AD9850配置成串行輸入模式;采用串行模式輸入時，與并行輸入方式不同，40位控制字中的輸入順序是LSB低位在前MSB高位在后;其中AD9850的第9腳接入的是外界時鐘信號輸入，即晶振輸出端;21腳(1UT)端口輸出的是一定頻率的電流信號，22腳輸出的是與21腳成180度相位差的相同頻率的電流信號，外接250歐的電阻，同時經過截止頻率為40KHZ的5階巴特沃斯低通濾波器以及AD620相減后生成Vpp=2.5v的雙極性電壓信號;其中AD620是共模抑制比為10db(G=1)帶寬為120KHZ(G=100)，輸入失調漂移0.6uV/°C的僅需外接電阻可調增益的低成本、低功耗高精度的儀表放大器;其中AD620第6腳輸出的雙極性電壓信號進入雙運放電壓控制電流源模塊中，其中主控端采用的程控PGA203芯片，電壓跟隨器采用的是TI公司生產的運算放大器0P602，第12腳輸出端輸出的是0.5，1，2毫安可調恒流信號。
[0034]實施例7:
根據實施例2所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，如附圖7所示，是微弱信號檢測模塊，測量電極對的差分信號通過RC高通濾波耦合到AD620差分輸入端，可有效避免極化效應產生的直流信號，同時AD620可有效去除共模輸入電壓，差分電壓信號能順利通過AD620模塊;AD620芯片的1，8腳接50K歐姆時增益倍數為2，懸空時增益倍數為1;AD620輸出端輸入到程控放大器PGA202+PGA203，增益控制端分別為1,10,100,1000以及1,2,4,8；可根據輸入信號的幅值進行適當調節，信號經過放大后進入AD637進行真有效值的提取，然后輸入到12位的TCL2543進行AD轉換，最后輸入到主控模塊。
[0035]實施例8:
根據實施例2所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，如附圖10所示，為信號選通模塊，激勵信號輸入的驅動電極對的選通利用的是ADG1406芯片，導通電阻9.5歐姆，軌對軌C M O S模擬開關；其中一個A D G14 O 6的公共端接入恒流源的信號輸出端，另一個ADG1406公共端直接接地即可;通過控制每一個芯片的4位邏輯控制單元輸入端循環選通相鄰的一對驅動電極作為激勵信號的輸入端；測量電極端米用的是兩個CD4067CM0S模擬開關，導通電阻125歐姆，由于信號輸出端是儀表放大器，輸入阻抗很大因此導通電阻的影響可忽略不計。
[0036]實施例9:
根據實施例2所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，如附圖11所示，為主控模塊以及外圍通訊和存儲模塊，以及振蕩，復位電路，和指示燈以及單鍵盤輸入單元，其中主控模塊為STC89C52RC，512字節RAM，8K字節Flash，通訊接口是RS232串口，實現與上位機通訊;存儲模塊采用的是AT24C16，2048字節，串行IIC總線接口的EEPR0M;其中電源模塊采用的正負12伏供電，通過7805和7905穩壓芯片后轉換成正負5v電壓，實現系統不同單元的供電；其中數字地和模擬地采用通過O歐姆電阻在電源入口處相連實現模數隔離。
[0037]實施例10:
一種利用實施例1至9所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置的檢測方法，其工作流程如下:本系統的控制中心向下位機發送采集指令，下位機的CPU控制器接收到命令后，利用信號選通模塊，循環選擇相鄰兩個電極作為電流輸入端，剩余的電極對作為電壓測量端;根據靜電場理論，當在立木橫截面的任何一對相鄰電極間輸入電流時都會在內部建立一個場域，如將場域內的相同電勢的點連接成線，就成了一系列的等位線;其中起始于邊界節點的等位線會終止在輸入電流的兩個電極之間;立木橫截面上的任何兩個電極間的電壓通過高通濾波去除直流成分干擾后，進入高阻抗差分放大器，再經過二級差分放大，利用AD637模塊進行真有效值的計算，最終輸出的直流信號通過TCL2543芯片進行AD轉換保存在下位機E2PR0M中；當下位機收集好所有的獨立電壓測量值后，通過RS232 口上傳給控制中心;控制中心利用等位線反投影算法處理分析這些數據并利用成像方式顯示被測立木橫截面內容的電阻率變化情況;其中等位線反投影算法的基本思想是，假設內部電阻率發生變化后等位線分布沒有發生變化的情況下，內部電阻率的變化會影響到與其相關的邊界電壓值發生改變;控制中心首先將這些采集器傳上來的邊界節點電壓值進行標準化處理，根據相應的影響關系(等位線投影區域)反投影到內部單元的電阻率的變化情況，并通過I個循環輸入將這些反饋結果進行疊加，最終生成一個能反映出內容單元電阻率變化的圖像;其中標準化處理的方法是將采集到的電壓值與電阻率均勻分布情況下通過正問題求解計算得到的邊界電壓相減后再相除，以消除量綱影響；影響關系則可通過反投影矩陣表達；另夕卜，傳統等位線反投影算法利用的是當內部單元電阻率發生變化時會影響到邊界節點電壓的變化這一原理，而這種變化在算法中都被均勻地反饋到投影區域中，因此會造成了實際上未變化的單元根據投影矩陣也同樣被誤認為發生了改變;為此，本系統通過設定影響面積權重參數，將投影區域大的邊界電壓對單元的影響縮小，以減少星狀偽影的影響;最后系統將求得的各個單元電阻率的值轉換成顏色值進行立木橫截面電阻率成像的顯示。
【主權項】
1.一種基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，其組成包括:裝置本體，其特征是:所述的裝置本體內部具有模擬信號調理電路、激勵源采集電路、信號選擇模塊電路和多路開關控制電路，所述的多路開關控制電路通過導線電連接電極，所述的電極連接在立木截面上;所述的模擬信號調理電路又包括低通濾波電路、解調電路、交流二級放大電路、差動一級放大電路和高通濾波電路，所述的低通濾波電路電連接解調電路，所述的解調電路電連接交流二級放大電路，所述的交流二級放大電路電連接差動一級放大電路，所述的差動一級放大電路電連接高通濾波電路;所述的激勵源采集電路又包括AD9850信號發生器、壓控電流源電路、CPU控制器、數據采樣電路、幅值控制電路和串口通訊電路，所述的AD9850信號發生器和所述的壓控電流源電路分別電連接CPU控制器，所述的數據采樣電路和所述的串口通訊電路也分別電連接CPU控制器，所述的幅值控制電路電連接于壓控電流源電路。2.根據權利要求1所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，其特征是:所述的串口通訊電路電連接于成像計算機，所述的多路開關控制電路電接于所述的高通濾波電路，所述的高通濾波電路依次電連接于所述的差動一級放大電路和所述的交流二級放大電路，所述的數據采樣電路電連接于所述的低通濾波電路，所述的幅值控制電路電連接于所述的解調電路，所述的AD9850信號發生器電連接所述的壓控電流源電路，所述的壓控電流源電路電連接于所述的信號選擇模塊電路。3.根據權利要求2所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置，其特征是:所述的電連接為通過導線做為連接介質。4.一種利用權利要求1至3所述的基于電阻斷層成像技術的立木探傷檢測裝置的檢測方法，其特征是:其工作流程如下:本系統的控制中心向下位機發送采集指令，下位機的CPU控制器接收到命令后，利用信號選通模塊，循環選擇相鄰兩個電極作為電流輸入端，剩余的電極對作為電壓測量端;根據靜電場理論，當在立木橫截面的任何一對相鄰電極間輸入電流時都會在內部建立一個場域，如將場域內的相同電勢的點連接成線，就成了一系列的等位線；其中起始于邊界節點的等位線會終止在輸入電流的兩個電極之間；立木橫截面上的任何兩個電極間的電壓通過高通濾波去除直流成分干擾后，進入高阻抗差分放大器，再經過二級差分放大，利用AD637模塊進行真有效值的計算，最終輸出的直流信號通過TCL2543芯片進行AD轉換保存在下位機E2PR0M中；當下位機收集好所有的獨立電壓測量值后，通過RS232 口上傳給控制中心;控制中心利用等位線反投影算法處理分析這些數據并利用成像方式顯示被測立木橫截面內容的電阻率變化情況;其中等位線反投影算法的基本思想是，假設內部電阻率發生變化后等位線分布沒有發生變化的情況下，內部電阻率的變化會影響到與其相關的邊界電壓值發生改變;控制中心首先將這些采集器傳上來的邊界節點電壓值進行標準化處理，根據相應的影響關系(等位線投影區域)反投影到內部單元的電阻率的變化情況，并通過I個循環輸入將這些反饋結果進行疊加，最終生成一個能反映出內容單元電阻率變化的圖像;其中標準化處理的方法是將采集到的電壓值與電阻率均勻分布情況下通過正問題求解計算得到的邊界電壓相減后再相除，以消除量綱影響;影響關系則可通過反投影矩陣表達;另外，傳統等位線反投影算法利用的是當內部單元電阻率發生變化時會影響到邊界節點電壓的變化這一原理，而這種變化在算法中都被均勻地反饋到投影區域中，因此會造成了實際上未變化的單元根據投影矩陣也同樣被誤認為發生了改變;為此，本系統通過設定影響面積權重參數，將投影區域大的邊界電壓對單元的影響縮小，以減少星狀偽影的影響;最后系統將求得的各個單元電阻率的值轉換成顏色值進行立木橫截面電阻率成像的顯示。
【文檔編號】G01N27/04GK105911107SQ201610425429
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】王立海, 陶新民, 孫學東, 徐慶波, 陶思睿, 王興龍
【申請人】東北林業大學