基于空氣耦合超聲波的木材無損檢測系統(tǒng)研制

方益明，藺陸軍，魯植雄，馮海林

（1.南京農(nóng)業(yè)大學 工學院，江蘇 南京 210031；2.浙江農(nóng)林大學 暨陽學院，浙江 諸暨 311800；3.浙江農(nóng)林大學 浙江省林業(yè)智能監(jiān)測與信息技術研究重點實驗室，浙江 臨安 311300）

基于空氣耦合超聲波的木材無損檢測系統(tǒng)研制

方益明1，藺陸軍2,3，魯植雄1，馮海林3

（1.南京農(nóng)業(yè)大學 工學院，江蘇 南京 210031；2.浙江農(nóng)林大學 暨陽學院，浙江 諸暨 311800；3.浙江農(nóng)林大學 浙江省林業(yè)智能監(jiān)測與信息技術研究重點實驗室，浙江 臨安 311300）

空氣耦合超聲波不需要液態(tài)耦合劑，可以實現(xiàn)真正的非接觸式無損檢測，已成為一種可靠的木材無損檢測技術，但國內(nèi)還沒有相應的檢測設備。介紹了空氣耦合超聲波及成像技術的原理，研制了一種用于木材無損檢測的空氣耦合超聲波掃描成像系統(tǒng)。詳細介紹了超聲波發(fā)射接收系統(tǒng)、龍門式掃描機械臂及其控制系統(tǒng)、上位機軟件等模塊的設計方法。設計的系統(tǒng)可以實現(xiàn)單軸精度為0.01 mm的二維掃描，最大掃描區(qū)域為500 mm×300 mm。還可以針對樣本木材的特性，方便地設定空氣耦合超聲波的頻率、幅度、增益等參數(shù)。采用水杉Metasequoia glyptostroboides實木板、杉木Cunninghamia lanceolata指接板進行了實驗，空氣耦合超聲波信號的幅度對木材裂縫、節(jié)子以及密度變化等較為敏感。該系統(tǒng)生成的掃描圖像可以清晰地反映樣本木材中裂縫、節(jié)子以及指接處的位置、形狀和大小等信息。該系統(tǒng)可以應用于木材裂縫、節(jié)子等缺陷的無損檢測，也可以用于木材在平面內(nèi)的密度分布檢測。圖10表1參15

木材科學與技術；空氣耦合超聲波；木材無損檢測；掃描成像；密度；節(jié)子；裂縫

超聲波是一種重要的木材無損檢測技術，對超聲波信號的傳播參數(shù)進行分析可以測定木材的楊氏模量、密度、含水率等物理參數(shù)，還可以檢測木材內(nèi)部的腐朽、孔洞、節(jié)子等缺陷［1］。然而傳統(tǒng)的超聲波檢測技術屬于接觸式檢測范疇，需要在待測材料表面涂抹液態(tài)耦合劑或者在液體中進行浸入式檢測，以便更好地將超聲波導入待測材料。木材具有多孔性，并不適合采用這種方式進行檢測［2］?？諝怦詈铣暡ㄊ侵赋暡〒Q能器與待測木材之間不接觸、直接利用空氣作為耦合介質的超聲波檢測方法［3-4］。這種檢測方法克服了傳統(tǒng)超聲波檢測需要液態(tài)耦合劑的固有缺陷，不會弄臟或者損壞待測木材。目前，空氣耦合超聲波已經(jīng)被廣泛應用于木材物理參數(shù)檢測［5-6］、缺陷檢測［2,7］、人造板檢測［8-9］、木板畫檢測［10］等。大量研究結果表明，空氣耦合超聲波的傳播參數(shù)與木材的物理特性、內(nèi)部缺陷等有密切的對應關系。利用空氣耦合超聲波技術，可以實現(xiàn)木材特性參數(shù)的精準、快速檢測。目前，商業(yè)化的空氣耦合超聲波檢測設備主要有美國Ultran公司的SencondWave M510，QMI公司的AirScan，日本探頭株式會社的NAUT等。這些設備價格非常昂貴，而且是針對碳復合材料等其他材料研制的［11］，限制了空氣耦合超聲波在中國木材加工檢測領域中的應用。筆者研制了基于空氣耦合超聲波技術的木材掃描成像系統(tǒng)，并對該成像系統(tǒng)進行了實驗測試，分析了測試結果。

1 空氣耦合超聲波掃描成像系統(tǒng)的原理

1.1 透射式空氣耦合超聲波檢測

圖1為木材無損檢測中常用的透射式空氣耦合超聲波檢測系統(tǒng)。發(fā)射換能器激發(fā)出的超聲波經(jīng)過空氣后直接進入待測木材，在穿過待測木材后再次經(jīng)過空氣，到達接收換能器。如圖1所示，在木材與空氣的分界面上，超聲波會出現(xiàn)折射與反射現(xiàn)象。設傳播介質的密度為ρn，超聲波在介質中的傳播速度為Cn，其中n=1,2,3，分別對應于圖1中所示的空氣層、待測木材層和空氣層。介質的聲阻抗為：

超聲波在2個 “木材/空氣”分界面上的透射率分別為［12］：

式（2）中：θ1為超聲波的入射角，θ2和θ3均為超聲波的折射角。若超聲波垂直入射，即入射角θ1=0°，則超聲波經(jīng)過2個分界面后總的透射率為：

在空氣聲阻抗Z1固定不變的情況下，T123的大小與待測木材的聲阻抗Z2密切相關。Z2越接近空氣的聲阻抗Z1，則T123越大。根據(jù)式（1）可知，Z2的大小與木材密度ρ2成正比，因此接收端的超聲波信號幅度直接反映了待測木材的密度。超聲波在木材內(nèi)部傳播時也會產(chǎn)生導致傳播衰減，如吸收衰減和散射衰減。空氣的聲阻抗為415 Rayl，木材的典型聲阻抗為1.57×106Rayl，聲阻抗失配非常嚴重［12-13］，超聲波在 “空氣/木材”分界面上損失的能量遠大于吸收衰減以及材料不均勻性引起的散射衰減［14］。

1.2 空氣耦合超聲波掃描成像技術

圖2所示為空氣耦合超聲波掃描成像系統(tǒng)的結構圖，將匹配的換能器對固定在龍門式掃描機械臂上，在木材的待測區(qū)域內(nèi)沿圖2中虛線所示的路線進行逐點檢測，利用超聲波聲速或傳播衰減構建圖像。

2 空氣耦合超聲波掃描成像系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構

圖3顯示了空氣耦合超聲波木材掃描成像系統(tǒng)的結構圖，主要包含3個部分：主控器、空氣耦合超聲波發(fā)射接收模塊、掃描控制模塊。主控器是系統(tǒng)的核心，由工控機實現(xiàn)，主要功能為控制各模塊協(xié)同工作，并根據(jù)采集到的超聲波信號構建待測材料的掃描圖像；空氣耦合超聲波發(fā)射接收模塊與主控器之間通過USB總線連接，其主要功能是產(chǎn)生特定頻率、幅度的脈沖信號，激勵發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波，空氣耦合超聲波發(fā)射接收模塊還與接收換能器一起實現(xiàn)超聲波信號的采集功能；掃描控制模塊與主控器之間通過RS232接口進行連接，主要任務是根據(jù)設定的掃描路線在待檢測區(qū)域內(nèi)移動超聲波換能器，實現(xiàn)逐點檢測。

圖1 透射式空氣耦合超聲波檢測技術原理Figure 1 Schematic of transmitted-through air-coupled ultrasonic technique

圖2 空氣耦合超聲波掃描成像系統(tǒng)原理圖Figure 2 Schematic of air-coupled ultrasonic imaging system

圖3 空氣耦合超聲波木材掃描成像系統(tǒng)框圖Figure 3 Structure of the air-coupled ultrasonic imaging system

2.2 超聲波換能器及發(fā)射接收器

由于高頻超聲波在木材中傳播時會迅速衰減［1］，所以在木材無損檢測中，通常選用低頻超聲波換能器。選用Airstar公司的空氣耦合超聲波換能器，中心頻率為125 kHz。還選用了Airstar公司的AS2100型空氣耦合超聲波發(fā)射接收器，實現(xiàn)超聲信號的激勵與采集。該發(fā)射接收器由發(fā)射卡與接收卡組成，采用雙通道12 V/1.7 A的直流電源供電。發(fā)射卡與接收卡之間用6芯電纜連接。接收卡上有USB接口，完成主控器與超聲波發(fā)射接收器之間的數(shù)據(jù)通訊。超聲波換能器及發(fā)射接收器的各項參數(shù)如表1所示。

2.3 掃描機械臂及其控制系統(tǒng)

掃描機械臂采用龍門式結構，如圖4所示，由x，y 2個方向的滑臺構成。x，y方向均采用步進電機驅動，采用同步帶傳動。步進電機主軸的運動通過錐齒輪箱減速、換向后，從箱的兩端出軸帶動兩組同步帶輪轉動，直線導軌上的滑塊與同步帶固定相聯(lián)，因此同步帶可帶動滑塊自由滑動。x方向的掃描行程為500 mm，y方向的掃描行程為300 mm，單軸精度均為0.01 mm。掃描機械臂的控制系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機作為核心控制器，主要完成3項任務：① 根據(jù)手動位置調節(jié)器的指令控制x方向和y方向的步進電機進行控制，使空氣耦合超聲波換能器移動到指定的位置；②根據(jù)上位機的指令控制x方向和y方向的步進電機，使空氣耦合超聲波換能器沿設定的掃描路線進行自動掃描；③顯示當前電機的狀態(tài)。

2.4 上位機軟件設計

上位機軟件采用Borland C++Builder編寫，主要包含人機接口、掃描過程控制、數(shù)據(jù)通訊等模塊，軟件系統(tǒng)結構如圖5所示。人機接口模塊的主要作用是提供接口，使用戶可以根據(jù)測試需求設置超聲波頻率、電壓、采樣頻率、掃描間隔等參數(shù)，以及觀察掃描結果等。掃描過程控制的主要功能是根據(jù)用戶設置的掃描參數(shù)向超聲波發(fā)射接收器、龍門式掃描機械臂的驅動程序發(fā)出命令，實現(xiàn)整個系統(tǒng)協(xié)調工作。數(shù)據(jù)通訊驅動模塊則完成命令發(fā)送、數(shù)據(jù)接收等功能。掃描結束后，軟件保存掃描圖像，并以文本文件形式保存每次掃描的結果，為今后利用第3方軟件分析數(shù)據(jù)提供便利。

表1 超聲波換能器及發(fā)射接收器的性能參數(shù)Table 1 Parameters of the ultrasonic transducers,pulser and receiver

圖4 龍門式掃描機械臂的結構圖Figure 4 Structure of the gantry scanner

圖5 軟件系統(tǒng)結構圖Figure 5 Structure of the software modules

3 木材掃描成像系統(tǒng)性能測試

研制的空氣耦合超聲波木材掃描成像系統(tǒng)以及軟件界面如圖6所示。為了測試空氣耦合超聲波木材成像儀的準確性，采用多塊木板分別進行測試。

圖6 研制的木材掃描成像系統(tǒng)實物圖Figure 6 The photo of the developed wood imaging system

圖7所示為含節(jié)子缺陷的水杉Metasequoia glyptostroboides木板照片，厚度為13 mm，在節(jié)子中間（實線方框內(nèi)）有一肉眼可以識別的裂縫。采用研制的空氣耦合超聲波木材掃描成像系統(tǒng)對其進行掃描，使用的參數(shù)為：脈沖電壓為200 V，串內(nèi)脈沖個數(shù)為5，脈沖串頻率為50 Hz，串內(nèi)載波頻率110 kHz，接收信號放大增益為100 dB，采樣頻率為500 kHz，掃描間隔為0.5 mm，掃描區(qū)域為370 mm×110 mm。

首先通過手動位置調節(jié)器將超聲波換能器分別移至圖7中A，B，C點位置上，采集穿透木材后的超聲波信號，并進行歸一化處理，各位置上采集到的信號波形如圖8所示。如前所述，不同位置上的超聲波信號幅度受材質密度的影響較大。B點位于節(jié)子區(qū)域，木材的密度較大，所以傳播衰減較大，接收到的超聲波信號幅度較小。C點位于節(jié)子中間的裂縫區(qū)域，超聲波傳播過程中，不需要穿透木材，因此接收到的超聲波信號幅度最大。A點所在區(qū)域為早材區(qū)域，密度較低，肉眼觀察也可以判斷出A點附近的材質較為疏松，與B點上采集到的信號相比，信號幅度較大；但與C點上采集到的信號相比，其信號幅度快速衰減。

圖7 含節(jié)子缺陷的水杉木板實物圖Figure 7 The photo of the Metasequoia glyptostroboides sample with knot

圖8 不同位置上采集到的掃描信號Figure 8 Signals received at different positions

采用研制的空氣耦合超聲波木材成像儀對圖7所示的木材進行掃描成像，結果如圖9所示。圖中紅色表示木材的材質密度最大，接收到的超聲波信號幅度最低；藍色表示木材的密度最小，或者所在區(qū)域為裂縫、空洞，接收到的超聲波信號幅度最大。從圖9中可以清晰地觀察到節(jié)子以及節(jié)子中間的裂縫，掃描圖像基本符合樣本木材的實際情況。對比圖7，圖9顯示的節(jié)子以及裂縫明顯偏大，是因為超聲波換能器發(fā)出的是5 mm粗的波束，致使掃描圖像出現(xiàn)畸變。

圖10A所示為15 mm厚的杉木Cunninghamia lanceolata指接板實物圖，采用研制的空氣耦合超聲波掃描成像系統(tǒng)對其進行檢測。所用參數(shù)為：脈沖電壓為100 V，串內(nèi)載波頻率為120 kHz，串內(nèi)脈沖個數(shù)為10個，脈沖串頻率為50 Hz，接收信號放大增益為為80 dB，采樣頻率為500 kHz，掃描間隔為0.5 mm，掃描區(qū)域為450 mm×260 mm。掃描圖像如圖10B所示。從圖10中可以看出，節(jié)子處對應的掃描圖像均為紅色；深色心材（密度較大）對應的掃描圖像為紅色；紋理較稀疏的區(qū)域（密度較低）對應的掃描圖像為藍色。指接處含有與木質材料不同的膠合劑，會增大超聲波的傳播衰減，對應的超聲波掃描圖像也為紅色。掃描圖像較好地反應了杉木指接板的平面密度分布情況。

圖9 含節(jié)子木材樣本成像結果Figure 9 The imaging result of the sample with knot

圖10 指接板實物圖及掃描成像結果Figure 10 The photo and the imaging result of the finger joint panel

4 結論

根據(jù)空氣耦合超聲波的原理，研究并實現(xiàn)了用于木材無損檢測的空氣耦合超聲波掃描成像系統(tǒng)。設計了掃描成像系統(tǒng)的超聲波發(fā)射接收系統(tǒng)、龍門式掃描機械臂及其控制系統(tǒng)，編寫了上位機軟件。將筆者研制的空氣耦合掃描成像系統(tǒng)應用于水杉、杉木指接板等木材的掃描成像中。實驗結果表明：利用該掃描成像系統(tǒng)建立的掃描圖像能夠準確地檢測出節(jié)子、裂縫等木材缺陷，也能檢測出木材在平面內(nèi)的密度變化情況，具有較大的應用潛力。下一步將研究掃描圖像的校正工作，減少超聲波波束直徑引起的圖像誤差，為提高木材無損檢測準確度提供技術保障。

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An air-coupled ultrasonic imaging system for non-destructive wood testing

FANG Yiming1,LIN Lujun2,3,LU Zhixiong1,FENG Hailin3
（1.College of Engineering,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210031,Jiangsu,China;2.College of Jiyang, Zhejiang A&F University,Zhuji 311800,Zhejiang,China;3.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Forestry Intelligent Monitoring and Information Technology,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China）

Air-coupled ultrasonic techniques,allowing contactless nondestructive testing using air as the coupling media instead of a liquid,have proven to be reliable and indispensable for nondestructive wood testing; however,instrumentation is still not widely available domestically.To help familiarize prospective users,the principle of the air-coupled ultrasonic was described first.Subsequently,a scanning imaging system was developed and its structure comprising a pulser and receiver,a gantry scanner,and computer software,was described in detail.Two-dimensional scanning imaging was conducted with a single-spindle accuracy of 0.01 mm and a maximum scanning area of 500 mm×300 mm.Scanning parameters,such as frequency,amplitude,and gain, were set conveniently according to the sample under testing.Metasequoia glyptostroboides board and Cunninghamia lanceolata finger jointed board were utilized to test the designed scanning imaging system.Results showed that amplitude of the received signal was sensitive to cracks,knots,and density.The constructed images provided information on knots,cracks,and finger joints,including location,shape,and size.Based on preliminary experimental results,the developed scanning imaging system could be used for non-destructive detection of defects including knots and cracks and could be utilized to scan a wooden material for in-plane distri-bution of density.［Ch,10 fig.1 tab.15 ref.］

wood science and technology;air-coupled ultrasonic;nondestructive testing of wood;scanning imaging;density;knots;cracks

S776

A

2095-0756（2017）02-0355-06

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.02.021

2016-03-16；

2016-05-01

國家自然科學基金資助項目（61302185，61272313，61472368）；浙江省自然科學基金資助項目（Y15F020110）；浙江省林業(yè)智能監(jiān)測與信息技術研究重點實驗室資助項目（100151402）

方益明，從事木材無損檢測技術研究。E-mail：ymfang@zafu.edu.cn。通信作者：藺陸軍，講師，從事木材無損檢測儀器研制、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等研究。E-mail：58593680@qq.com