基于电荷型加速度传感器的木材无损检测系统设计

徐 磊，齐会云，王 琼，张宇思

(1.南京林业大学信息科学技术学院，江苏 南京 210037；2.启基永昌通讯有限公司，江苏 南京 210002；3.江苏第二师范学院，江苏 南京 210013)

0 引言

在现代社会，绿色健康已经成为人们生活的主题，因此实木家具越来越受人们的欢迎，随着家居需求量的增大，木材紧缺已经成为亟待解决的问题。在总林木数量不变的情况下，如何提高林木的使用率，就是间接的解决木材紧缺的问题。树木在生长的过程中，可能会因为虫害、自然灾害等原因，在其内部出现裂纹、空洞等损伤。尤其是一些珍稀木种，如果可以在不锯开木材的情况下，就可以知道木材内部的裂纹和空洞位置，就可以采取合理的切削方法，来避开裂纹和空洞，做到物尽其用，减少废料，可以大大提高其利用率。

当木材内部有裂纹或者空洞时，声波在内部传输时就会沿着裂纹或者空洞的周围传播，传播时间就会加长[1-3]。本文就基于此原理，利用应力波，通过计算应力波在木材内部的传输时间，设计了一款木材无损检测设备，来检测木材内部的裂纹和空洞等损伤，在不打开原材料的前提下给木材加工者提供木料内部结构图，方便切削者根据内部结构进行合理的切割，大大提高木料的利用率[4,5]。

1 整体方案设计

本次设计以STM32F429作为控制器，STM32F429是一款超低功耗的单片机，采用+3.3 V供电，特别适合应用于电池供电的野外工作场合。

系统主要采用敲击波作为波源，将两个传感器安装在木料的两端，在敲击的瞬间，通过敲击侧的电荷传感器检测到应力波在木料内部传输的开始时刻，单片机开始计时。当敲击波通过木料传输到木料另一端的电荷传感器时，传感器给单片机发出信号，停止计时，两个传感器的接收到信号的时间差，就是敲击波在内部的传输时间，通过与标准木料的传输速度相比，再借助于仿真软件，可以模拟出木料内部缺陷的大小和大致位置，其总原理框图如图1所示[6]。

图1 系统结果框图

2 硬件电路设计

2.1 电荷放大电路的设计

电荷式加速度传感器是将外部加速度的变化转化为电荷信号，在本次设计中，使用的电荷放大器是将传感器输出的电荷信号转化为微弱电压信号的电路。

经传感器输出的电荷信号，经过一个51 Ω的电阻之后，首先经过了一个105的电容，起到了隔直滤波的作用，可以将信号中的直流偏置噪声滤除,使高频信号通过。然后，又经过了一个比例积分校正环节,不仅可以加快系统的反应速度，提高稳定度，还能对相位起到补偿作用。

电荷放大电路将电荷信号转化为小的电压信号，但是信号太微弱了，单片机无法进行检测，所以设计了如图2所示的信号处理电路，对信号进行放大、滤波。

电荷放大器的输出和输入是反相的关系，因为先经过一个反相器，将输入和输出转化为与敲击方向正相关的关系，然后经过一个放大倍数可调的同相放大器，通过改变反馈电阻可以改变电路的放大倍数，将微弱的电压信号转化为0～5 V标准的电压信号。最后，经过一个二阶巴特沃斯低通滤波电路，将信号转化为一个幅值逐渐减小的近似正弦波信号[7]。

2.2 全波精密整流

因为经过调理后的应力波信号近似为峰值逐渐衰减的正弦波信号，而且产生的波形的首个半波可能为正，也可能为负，其正负随着传感器安装位置的不同而不同。为了防止首半波为负时丢失，设计了如图3所示的全波精密整流电路。

在全波精密整流电路中，当输入信号ui>0时，二极管D1截止，D2导通，第一个TL081工作在反相放大的状态，输出脚(6脚)瞬间输出为-2ui，uo1近似输出-2ui，此时，在第二个TL081的反相端，R5和R4分别与R6构成反向加法器，输出uo=-(-2ui+ui)=ui；当ui<0时，第一个TL081的输出脚(6脚)瞬间输出为2ui，此时二极管D1就会导通，D2截止，相当于开路，由于反馈电阻R3的作用，uo1的输出与第一个TL081的反向输入端的电位相同，根据运算放大器“虚短虚断”原理，可以认为TL081的反相输入端电位与同相输入端电位相等，约等于0，故此时uo1=0，R4与R6构成反向等比例放大，输出uo=-ui。

2.3 峰值检测和锁存电路的设计

为了得到精确的传播时间，需要检测两个传感器接收到的第一个波峰的时间差，就得到了应力波传播的时间[8]。因此，如何精确地检测到第一个波峰，直接影响着测量的精度，本设计采用如图4所示的峰值检测电路。三极管9013起到取样保持开关的作用，当三极管的基极有复位信号时，三极管9013导通，10 μF的电容和100 Ω的电阻组成放电回路，放掉10 μF电容上的保持电压，清除峰值保持信号。

通过峰值检测电路，可以得到敲击波的首峰，为了不让下一个波峰对其产生影响，本设计采用一个通过门电路设计的峰值锁存电路。

图4 检峰和锁峰电路

3 软件设计

系统上电之后，先进行初始化，初始化完成之后系统就等着检测第一个应力波的到来，当靠近波源一侧的传感器检测到第一个波峰之后，给单片机发送信号，开启定时器，开始计时。同时另一侧的传感器等待第一个波峰的到来，当另一侧的传感器也接收到第一个波峰时，说明应力波在木料内部传输结束，给单片机发送信号，关闭计数器，停止计时。然后系统将检测到的数据上传给上位机，上位机通过Matlab仿真，近似模拟出木料内部的结构图，系统整体流程图如图5所示。

4 实验数据

为了保证实验数据测量的准确性，我们选用直径为23 cm的香樟木进行实验，首先对内部完好没有缺陷的圆木进行测试，然后在同一段圆木中间挖一个直径9 cm的空洞，再次进行测量。

将传感器安装在圆木外侧直径两点上，在靠近一个电荷传感器的位置进行敲击，产生应力波，靠近波源的电荷传感器首先接收到应力波，应力波经过圆木和空洞后传输到另一侧的电荷传感器，经过电荷放大、滤波后，信号近似为幅值逐渐减小的正弦波信号，为了检测出应力波在木料内部传播的时间，我们需要检测两个波峰之间的时间，经过首峰检测电路后和锁峰电路之后的波形如图6所示，图中高电平持续的时间，就是应力波在木料内部传播的时间，可以送单片机进行计算。

图6 峰值检测和锁峰后输出波形

将处理后的应力波在木料内部传输时间波形送单片机进行检测，可以得出应力波在木料内部的传播时间，可以近似计算出在木料内部的传输速度。将有缺陷木料的传输速度与无缺陷木料的传输速度进行对比，结果如表1所示。

从表1可以看出，应力波在直径23 cm的完好木料内部传输时，平均传输时间为512.5 μs，平均速度为448.87 m/s，在有缺损额木料内部传输的平均时间为574.31 μs，平均速度为400.54 m/s。可以得出，在缺损木料内部传输时间明显变长，速度明显降低。

如果在圆周方向安装12对电荷传感器，通过敲击不同位置的电荷传感器，就可以得到24组应力波在木料内部传输的时间和速度，就可以通过Matlab软件进行仿真，近似的模拟出木料内部缺陷的大小和位置。

表1 应力波在有无缺损木材内部传输对比

5 结论

实验可以证明，设计的木材无损检测系统可以精确地检测出应力波在木料内部的传输时间和速度，通过多对电荷传感器协同工作，借助于Matlab软件，可以近似模拟出木料的剖面缺陷图，为木材切削者合理切削提供依据，减少废料，提高利用率，在木料加工行业具有广大的应用前景。