木材無損檢測中傳感器空間分布對測試效果的影響

1、木材無損檢測中傳感器空間分布對測試效果的影響1王立海1,2,閆在興1,呂建雄2,周次林1,楊學(xué)春11.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,哈爾濱(1500402.中國林業(yè)科學(xué)研究院,北京(100009E-mail:lihaiwang摘要:近年來,應(yīng)用應(yīng)力波進(jìn)行木材無損檢測技術(shù)的發(fā)展比較迅速。在檢測過程中,如何安置傳感器才能使測量更為快捷精確,這是一個常常要面對的問題。本文設(shè)計了應(yīng)力波檢測實驗,并通過平面幾何學(xué)和統(tǒng)計學(xué)的基本方法討論了傳感器的空間(2D分布對可測最小缺陷面積比的影響,從而找到影響因素并得出結(jié)論:在測試工作中通過目測均勻放置傳感器即可以達(dá)到所要求的測試效果。關(guān)鍵詞:無損檢測,應(yīng)力波,傳感器,

2、空間分布木材(活立木的無損檢測技術(shù)是一門新興的、綜合性的非破壞性檢測手段,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),環(huán)保以及木質(zhì)結(jié)構(gòu)古建筑保護(hù)都有著較為廣泛的應(yīng)用。尤其是基于應(yīng)力波原理的無損檢測技術(shù),以其操作簡單、安全,設(shè)備體積小、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn),正在越來越多的被使用于各個領(lǐng)域。關(guān)于應(yīng)力波無損檢測技術(shù)的研究在國內(nèi)外已經(jīng)有一定的報道(王立海等,2002;楊學(xué)春等,2002;林文樹等;2005,Halabe et al.,1995;Clausen et al., 2001;Wang Xiping,2004。但關(guān)于在測試過程中傳感器的分布的理論還鮮有研究,本文旨在找到既快速又不失準(zhǔn)確的方法來放置傳感器,從而提高測試工作的效率。

3、1. 應(yīng)力波檢測原理通過對某一傳感器的敲擊,從而激發(fā)出一個應(yīng)力波,使此應(yīng)力波在木質(zhì)中傳播,然后其它的傳感器接收此應(yīng)力波,并記錄從激發(fā)到接收的時間間隔,以此計算出應(yīng)力波在對應(yīng)的兩個傳感器之間的傳播速度(楊學(xué)春等,2002。一般來說,波在密度大、堅實的木質(zhì)中傳播速度較快,在密度小、柔軟的木質(zhì)中傳播較慢,對照先驗的參照速度來判定木材(活立木是否有空洞、內(nèi)腐、蟲洞等缺陷存在。1. 1實驗的基本假定(1雖然樹木橫截面的形狀是千差萬別的,但是大多數(shù)的形狀都趨近于或近似趨近于圓形。所以首先假定截面是正圓形,這樣便于找到規(guī)律。(2樹木的內(nèi)腐、空洞、蟲洞,也都趨近于圓形,所以假定上述缺陷的形狀也是正圓形,這樣可

4、以確定可測得最小缺陷面積的百分比。(3考慮到檢測的實際用途,所以假定所掛的任何兩個傳感器之間的角度要小于等于180度。即,不能把所有的傳感器掛到半個圓周之內(nèi)。1注:本課題由國家948課題“便攜式智能木材內(nèi)部腐朽探測儀引進(jìn)”2002-39(1;教育部博士點(diǎn)基金課題“基于應(yīng)力波原木內(nèi)部腐朽缺陷檢測機(jī)理的研究”(20040225008;國家自然科學(xué)基金課題“原木內(nèi)部腐朽應(yīng)力波圖像三維重構(gòu)的研究”(30671643資助。1. 2數(shù)學(xué)定義(1獨(dú)占線(羅傳文,2004:圓周上分布的n 個點(diǎn),其中每一個點(diǎn)到其相鄰的兩個點(diǎn)的距離之中的最小者,稱為這個點(diǎn)的獨(dú)占線長度,記為s k ,k =1,2,n(2均勻度(羅

5、傳文,2005:圓周上n 個點(diǎn)的獨(dú)占線長度之和與圓周長的比值,稱為均勻度,公式表示為:A =1n i i sC =其中:A 均勻度;C 圓周長; (3變異系數(shù):數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值,公式表示為:V =S /x其中:V 變異系數(shù);S 樣本標(biāo)準(zhǔn)差;x 樣本均值;變異系數(shù)用來表示不同均值情況下,數(shù)據(jù)的分散程度,越大,則表示數(shù)據(jù)的分散程度越大。2. 實驗設(shè)計2. 1 設(shè)備和材料實驗設(shè)備是德國RINNTECH 公司產(chǎn)ARBOTOM 應(yīng)力波檢測儀及其附帶的軟件,如圖1;實驗對象為直徑31.2cm35.8cm 原木段9根。 圖1 軟件界面Fig.1 Interface of the software2

6、. 2實驗方法(1將原木垂直放置,確定一個水平面,作為測試截面,標(biāo)記好這個平面,以使各個傳感器在同一水平面內(nèi),保證精度。(2連接設(shè)備,并確定設(shè)備工作狀態(tài)正常。具體連接方法略。(3在以確定好的橫截面內(nèi),任意位置釘入掛傳感器的鐵釘(但要鐵釘不要都放在半個圓周內(nèi),因為這樣測量沒有實際意義,并測量、記錄兩兩鐵釘之間的弧長。(4確定傳感器放置穩(wěn)妥以后,開啟設(shè)備電源,開啟軟件開關(guān),進(jìn)行測量,測量時用小錘輕擊傳感器的接觸點(diǎn),每個傳感器敲擊35次,要盡量用力均勻,以保證精確度。記錄數(shù)據(jù)重復(fù)測試若干次(林文樹等,2005。(5每個傳感器都完成敲擊后,查看數(shù)據(jù)誤差,刪除異常值,重新敲擊。最后軟件自動生成應(yīng)力波傳播

7、狀態(tài)圖和表面圖,如圖2,圖3。 圖2 應(yīng)力波傳播狀態(tài)圖(線圖圖3 測試截面(表面圖Fig.2 Spread state of stress wave (Line graph Fig.3 Cross section of test(Surface graph(6為了找到規(guī)律,進(jìn)行了幾組特殊的測試,包括精確均勻放置傳感器(一次、目測均勻放置(五次、半圓內(nèi)均勻放置(一次、半圓內(nèi)不均勻放置(一次。表1 測試原始數(shù)據(jù)(*數(shù)據(jù)未參加回歸Tab.1 First data of the test (*data not join the regression傳感器之間的弧線距離(cmID S1-S2 S2-S3

8、 S3-S4 S4-S5S5-S6S6-S1 備注1 22.3 6.2 17.9 12.7 23.5 15.2 1-012 12.7 6.8 24.7 18.7 13.8 21.1 1-033 9.5 23.7 32.1 11.7 14.5 6.3 1-044 14.5 34.8 10.8 13.4 11.5 12.8 1-0526.4 8.5 7 7.5 24 24.4 1-0656 38 5.6 13.2 19 8.2 13.8 1-077 16.6 12.2 17.8 10.2 21 20 1-088 11.6 20.4 14.8 14.3 19.4 17.3 1-099 13.4 20

9、.1 7.2 38.2 8.1 10.8 1-1010 39.3 5.7 4.3 8.9 11.3 28.3 1-111128.3 12.9 8.7 27.5 9.6 10.8 1-1235.5 6.4 24.4 4.8 21.2 5.5 1-131213 9.3 11 21.5 16.3 12.8 26.9 1-149.2 18 10.8 35.4 7 17.4 1-151415 24.3 16.8 27.5 15.3 7.8 8.9 2-0116 47.8 20.2 10.2 11 6.4 5 2-0217 12.5 17.8 31.5 19.5 12 7.3 2-0418 22.6 7.

10、8 5.9 19 16.7 28.6 2-0750.3 6.1 4.2 15.2 8.9 15.9 2-081920 32.4 20.3 15.4 18.3 5.3 8.9 2-0923.4 20.6 9.8 22.7 9.3 14.8 2-102122 17.8 17.2 15.8 16.5 15.7 17.6 2-1123 18.1 17.1 17 16.4 16.1 15.9 2-1232.1 15.4 4.9 8.2 16.7 22.7 3-012425 12 27.8 17.2 10.6 15.9 20.1 4-0126 6.9 30 15.8 21.6 14.3 17.6 5-01

11、27 24.4 26.2 15.5 14.3 18.2 10.4 6-012849.1 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 7-0129 18.75 18.75 18.75 18.75 18.75 18.75 8-013024.7 15 16.9 28.2 13.7 14 8-0231 14.5 19.7 13.2 25.5 11.7 10.4 9-0132*15.8 16.4 17.4 16.5 16.8 14.9 1-1633*16 17.2 16.8 14.8 16 17 1-1734*16.7 15.4 18 16.3 17.4 16.8 2-13 2. 3 實驗數(shù)據(jù)共測量34次,

12、去掉誤冗余的控制數(shù)據(jù)(標(biāo)*號后,選取31組原始數(shù)據(jù),如表1。S1-S2表示一號傳感器到二號傳感器之間的弧長;備注中說明了數(shù)據(jù)來源的樹木。其中,精確均勻放置(ID:29,目測均勻放置(ID:22、23、32、33、34、半圓內(nèi)均勻放置(ID: 28、半圓內(nèi)不均勻放置(ID:19。根據(jù)原始數(shù)據(jù),計算出每次測試數(shù)據(jù)的均勻度和變異系數(shù),并通過平面幾何作圖,找出每次測試的最小可測缺陷面積(Wang Xiping,2004,如表2。其中ID號與表1中相對應(yīng)。表2 回歸變量數(shù)據(jù)表Tab.2 Variables in the regressionID 最小可測(Y均勻度(X1變異系數(shù)(X2ID 最小可測(Y均

13、勻度(X1變異系數(shù)(X21 4.3 0.7 0.36 18 5.9 0.75 0.472 3.4 0.74 0.36 19 25 0.48 0.933 6.1 0.71 0.55 20 5.7 0.7 0.524 7.8 0.74 0.51 21 4.5 0.73 0.355 9.1 0.8 0.53 22 3.5 0.97 0.056 11.6 0.56 0.65 23 3.5 0.98 0.047 3.8 0.83 0.24 24 5.4 0.73 0.548 3.5 0.86 0.19 25 5.7 0.76 0.339 11.1 0.56 0.65 26 4 0.7 0.410 13.

14、5 0.64 0.8 27 3.7 0.82 0.3111 4 0.62 0.51 28 25 0.6 0.8912 9.4 0.34 0.71 29 3.5 0.77 0.3313 3.5 0.73 0.38 30 3.3 1 014 8.5 0.55 0.58 31 4.3 0.78 0.315 5.2 0.73 0.43 32* 3.5 0.97 0.0516 21.8 0.57 0.87 33* 3.5 0.97 0.0517 6.8 0.76 0.46 34* 3.6 0.96 0.05 3. 數(shù)據(jù)分析3. 1 數(shù)據(jù)分析從表2中可以看出,當(dāng)傳感器精確均勻分布時,這時可測最小缺陷面積占

15、整個截面圓面積的3.3%;當(dāng)傳感器正好分布在半個圓周內(nèi)的時候,可測最小缺陷面積為25%。其余數(shù)據(jù)分布在3.3%與25%之間,并且隨著分布的均勻程度的降低(均勻度減小、變異系數(shù)增大而增大。當(dāng)變異系數(shù)超過0.6,并均勻度小于0.65時,對測試結(jié)果的影響較大,超過6%。3. 2 回歸分析根據(jù)以上的數(shù)據(jù)分析,可以推斷可測最小缺陷面積的百分比與均勻度、變異系數(shù)之間可能服從線性關(guān)系。所以,選取可測最小缺陷面積的百分比作為因變量,均勻度和變異系數(shù)分別作為兩個解釋變量,做二元線性回歸。回歸過程通過SPSS 11.0統(tǒng)計軟件包,利用普通最小二乘法(Ordinary Least Square Estimation

16、 ,全部回歸(ENTER 來實現(xiàn)。結(jié)果如下:表3 模型摘要Tab.3 Model summary模型Model 復(fù)相關(guān)系數(shù)R 樣本決定系數(shù) R Square 調(diào)整后R Adjusted R Square 估計標(biāo)準(zhǔn)誤 Std. Error of the Estimate D-W 檢驗 Durbin-Watson從表3中可知,樣本的決定系數(shù)為0.752,超過0.7,可以認(rèn)定有較好的擬和優(yōu)度。并且,D-W 值為2.153,查表知,d l =1.30,d u =1.57,通過檢驗,即不存在序列相關(guān)。表4 方差分析Tab.4 ANOV A模型Model 方差總和Sum ofSquares 自由度 df

17、均方值 Mean Square F 檢驗 F 置信度 Sig.Residual 274.238 28 9.794Total 1107.279 30從表4中,可得F=42.527,查F 檢驗表,F (2,28=5.45(=0.01,所以認(rèn)為回歸方程十分顯著。表5 方程系數(shù)Tab.5 Coefficients非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)UnstandardizedCoefficients t 檢驗 t 置信度 Sig.共線性分析 Collinearity Statistics 模型ModelB 標(biāo)準(zhǔn)誤 Std. Error VIF 1常數(shù)(Constant -21.445 7.792 -2.752 .010X1

18、均勻度 20.085 8.050 2.495 .019 3.993 X2 變異系數(shù) 31.961 4.840 6.603 .000 3.993從表5中,可以得到回歸方程的系數(shù),并進(jìn)行t 檢驗,查表可得t (28=2.4671(=0.01,所以方程的各系數(shù)通過檢驗。VIF 值小于10,不存在多重共線性?；貧w方程為:Y =-21.445+20.085X 1+31.961X 24. 結(jié)論在檢測過程中,傳感器的空間分布對可測最小缺陷面積比有直接影響,當(dāng)變異系數(shù)超過0.6,并均勻度小于0.65時,對測量結(jié)果的影響較大,超過6%。實驗中,五組目測均勻放置傳感器的變異系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.6,均勻度遠(yuǎn)大于0.65

19、,對測試結(jié)果的影響只有0.2%。因此可以認(rèn)為,在測試工作中通過目測均勻放置傳感器即可以達(dá)到所要求的測試效果,而不必刻意追求精確均勻放置。 參考文獻(xiàn) 1. 羅傳文2004.點(diǎn)空間分析分維與均勻度科技導(dǎo)報2004.10：51-54 2. 羅傳文2005.均勻度理論及其在混沌研究中的應(yīng)用中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報34(4：477-478 3. 林文樹，楊慧敏，王立海2005.超聲波與應(yīng)力波在木材內(nèi)部缺陷檢測中的對比研究林業(yè)科技30(2： 39-41 4. 王立海，楊學(xué)春，徐凱宏2002.木材缺陷無損檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀林業(yè)科技27(3：35-38 5. 楊學(xué)春，王立海2002.應(yīng)力波技術(shù)在木材性質(zhì)檢測中的研究進(jìn)展

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