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超声波是一种重要的木材无损检测技术,对超声波信号的传播参数进行分析可以测定木材的杨氏模量、密度、含水率等物理参数,还可以检测木材内部的腐朽、孔洞、节子等缺陷[1]。然而传统的超声波检测技术属于接触式检测范畴,需要在待测材料表面涂抹液态耦合剂或者在液体中进行浸入式检测,以便更好地将超声波导入待测材料。木材具有多孔性,并不适合采用这种方式进行检测[2]。空气耦合超声波是指超声波换能器与待测木材之间不接触、直接利用空气作为耦合介质的超声波检测方法[3-4]。这种检测方法克服了传统超声波检测需要液态耦合剂的固有缺陷,不会弄脏或者损坏待测木材。目前,空气耦合超声波已经被广泛应用于木材物理参数检测[5-6]、缺陷检测[2, 7]、人造板检测[8-9]、木板画检测[10]等。大量研究结果表明,空气耦合超声波的传播参数与木材的物理特性、内部缺陷等有密切的对应关系。利用空气耦合超声波技术,可以实现木材特性参数的精准、快速检测。目前,商业化的空气耦合超声波检测设备主要有美国Ultran公司的SencondWave M510,QMI公司的AirScan,日本探头株式会社的NAUT等。这些设备价格非常昂贵,而且是针对碳复合材料等其他材料研制的[11],限制了空气耦合超声波在中国木材加工检测领域中的应用。笔者研制了基于空气耦合超声波技术的木材扫描成像系统,并对该成像系统进行了实验测试,分析了测试结果。
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图 3显示了空气耦合超声波木材扫描成像系统的结构图,主要包含3个部分:主控器、空气耦合超声波发射接收模块、扫描控制模块。主控器是系统的核心,由工控机实现,主要功能为控制各模块协同工作,并根据采集到的超声波信号构建待测材料的扫描图像;空气耦合超声波发射接收模块与主控器之间通过USB总线连接,其主要功能是产生特定频率、幅度的脉冲信号,激励发射换能器产生超声波,空气耦合超声波发射接收模块还与接收换能器一起实现超声波信号的采集功能;扫描控制模块与主控器之间通过RS232接口进行连接,主要任务是根据设定的扫描路线在待检测区域内移动超声波换能器,实现逐点检测。
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由于高频超声波在木材中传播时会迅速衰减[1],所以在木材无损检测中,通常选用低频超声波换能器。选用Airstar公司的空气耦合超声波换能器,中心频率为125 kHz。还选用了Airstar公司的AS2100型空气耦合超声波发射接收器,实现超声信号的激励与采集。该发射接收器由发射卡与接收卡组成,采用双通道12 V/1.7 A的直流电源供电。发射卡与接收卡之间用6芯电缆连接。接收卡上有USB接口,完成主控器与超声波发射接收器之间的数据通讯。超声波换能器及发射接收器的各项参数如表 1所示。
类别 参数名称 取值范围 换能器 中心频率 125 kHz 波束直径 5 mm 发射卡 脉冲波形 方波脉冲串 脉冲电压 0~200 V,步长10 V 脉冲串频率 10?50串.s-1,步长1串.s-1 串内脉冲个数 1~10个,步长1个 串内载波频率 30~500 kHz,步长1 kHz 接收卡 增益 0~255 dB,步长1 dB 采样频率 100,120,150,200,300, 400,500,800,1 000,2 000 kHz 模/数转换位数 双极性13位 Table 1. Parameters of the ultrasonic transducers, pulser and receiver
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扫描机械臂采用龙门式结构,如图 4所示,由x,y 2个方向的滑台构成。x,y方向均采用步进电机驱动,采用同步带传动。步进电机主轴的运动通过锥齿轮箱减速、换向后,从箱的两端出轴带动两组同步带轮转动,直线导轨上的滑块与同步带固定相联,因此同步带可带动滑块自由滑动。x方向的扫描行程为500 mm,y方向的扫描行程为300 mm,单轴精度均为0.01 mm。扫描机械臂的控制系统采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制器,主要完成3项任务:①根据手动位置调节器的指令控制x方向和y方向的步进电机进行控制,使空气耦合超声波换能器移动到指定的位置;②根据上位机的指令控制x方向和y方向的步进电机,使空气耦合超声波换能器沿设定的扫描路线进行自动扫描;③显示当前电机的状态。
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上位机软件采用Borland C++ Builder编写,主要包含人机接口、扫描过程控制、数据通讯等模块,软件系统结构如图 5所示。人机接口模块的主要作用是提供接口,使用户可以根据测试需求设置超声波频率、电压、采样频率、扫描间隔等参数,以及观察扫描结果等。扫描过程控制的主要功能是根据用户设置的扫描参数向超声波发射接收器、龙门式扫描机械臂的驱动程序发出命令,实现整个系统协调工作。数据通讯驱动模块则完成命令发送、数据接收等功能。扫描结束后,软件保存扫描图像,并以文本文件形式保存每次扫描的结果,为今后利用第3方软件分析数据提供便利。