CN113030275A - 一种基于波速法的木结构含水率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于波速法的木结构含水率测量装置及方法,用于对待测木结构进行含水率测量，包括：传感器、驱动器、信号发射及接收装置；传感器、驱动器均与待测木结构通过点接触的方式进行连接；传感器、驱动器均与信号发射及接收装置连接；传感器、驱动器内部均设有PZT模块；驱动器用于发射激励信号至待测木结构，在待测木结构中产生应力波；传感器用于接收应力波并作为传感信号发送至信号发射及接收装置；信号发射及接收装置用于同时采集驱动器所发射的激励信号和传感器所发送的传感信号，并基于激励信号、传感信号获取待测木结构的含水率。本发明能够能够实现快速、便捷的无损检测，适用于各种类型木构件，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及木材加工及木结构建筑领域，特别是涉及一种基于波速法的木结构含水率测量装置及方法。
背景技术
木构件含水率是影响木结构建筑使用性能和长期服役耐久性的重要参数之一。木构件的力学性能，尤其是弹性模量受含水率的影响十分显著。此外，在木结构的长期服役过程中，含水率的变化会影响木构件的蠕变性能，还会滋生白蚁等，造成构件内部孔洞和腐蚀。内部孔洞和腐蚀削弱构件横截面承载力，带来结构安全隐患。
目前，对于服役中的木构件含水率测量主要有烘干法和电阻法。烘干法需要在构件上取样，按照测含水率的标准方法进行测定，测量过程需要用到恒温箱、游标卡尺和电子天平，根据烘干前后木构件样品的质量及体积变化计算含水率。这种方法需要时间较长，样品放在恒温箱一般需要6h左右，不合适工程应用的快速检测。电阻法测量的原理是木材的含水率与其电阻特性呈现一定的关系，根据电阻仪测到的电阻，带入含水率与电阻的关系式中，得到木构件的含水率。该方法测量便捷，但是能够测量的含水率范围受限，一般限定在5％～30％左右，且该方法受到木材树种的影响较大。
因此，提供一种快速便捷的无损检测、适用范围广的木结构含水率测量装置及方法显得尤为必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于波速法的木结构含水率测量装置及方法，以解决现有技术中存在的技术问题，探头采用点式接触，能够实现快速、便捷的无损检测，适用于各种类型木构件，具有广阔的应用前景。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于波速法的木结构含水率测量装置，用于对待测木结构进行含水率测量，包括：传感器、驱动器、信号发射及接收装置；所述传感器、驱动器均与所述待测木结构通过点接触的方式进行连接；所述传感器、驱动器均与所述信号发射及接收装置连接；所述传感器、驱动器内部均设有PZT模块；
所述驱动器用于发射激励信号至所述待测木结构，使所述激励信号在所述待测木结构中产生应力波；
所述传感器用于接收所述待测木结构中产生的应力波，并将接收到的应力波作为传感信号发送至所述信号发射及接收装置；
所述信号发射及接收装置用于同时采集所述驱动器所发射的激励信号和所述传感器所发送的传感信号，并基于所述激励信号、传感信号获取所述待测木结构的含水率。
优选地，所述激励信号采用正弦窗函数。
优选地，所述传感器、驱动器均包括依次连接的第一保护体、第二保护体、探头，所述探头与所述待测木结构进行点式接触连接，所述PZT模块设置于所述第二保护体内。
优选地，所述第一保护体、第二保护体为圆柱形结构，所述第一保护体的内径与所述第二保护体的外径相同，所述第一保护体为内壁设有螺纹的套筒，所述第二保护体为外壁设有螺纹的套筒，所述第一保护体与所述第二保护体通过螺纹连接；所述探头为圆锥形结构，所述圆锥形结构的顶点与所述待测木结构进行点式接触连接。
优选地，所述PZT模块包括PZT片，所述PZT片底部设有磁铁连接层，所述PZT片表面固接有放大调制电路；所述PZT片还连接有导线，所述导线分别与所述PZT片的正极、负极连接；所述第二保护体上设有导线孔，所述导线穿过所述导线孔与所述信号发射及接收装置连接；所述PZT模块通过所述磁铁连接层与所述第二保护体连接。
优选地，所述PZT片外围设有环氧树脂保护体。
本发明还提供一种基于波速法的木结构含水率测量方法，包括如下步骤：
将所述传感器、驱动器分别通过导线与所述信号发射及接收装置连接，并将所述传感器、驱动器采用点接触的方式与所述待测木结构进行连接；
通过所述驱动器向所述待测木结构发射激励信号，并通过所述传感器接收所述激励信号在所述待测木结构中产生的应力波，将所述应力波作为传感信号发送至所述信号发射及接收装置；
通过所述信号发射及接收装置对所述激励信号、传感信号做互相关计算，得到所述激励信号、传感信号之间的时间延迟，基于所述时间延迟以及所述驱动器与所述传感器之间的距离计算得到所述应力波在所述待测木结构中传输的波速；
获取波速与木结构含水率的标定曲线，基于所述标定曲线以及所述应力波在所述待测木结构中传输的波速，得到待测木结构的含水率。
优选地，所述驱动器向所述待测木结构发射的激励信号为正弦窗函数；所述正弦窗函数的频率为所述驱动器中PZT模块的自振频率。
优选地，所述激励信号通过所述驱动器内部的PZT模块的逆压电效应在所述待测木结构中产生应力波，所述应力波穿过所述待测木结构的横截面后，由所述传感器内部的PZT模块的正压电效应被所述信号发射及接收装置采集。
优选地，所述激励信号、传感信号之间的时间延迟通过互相关函数计算得到，所述互相关函数如下式所示：
式中，x(m)为激励信号，y(m+n)为传感信号，N为传感信号的离散数据点个数；R(n)为相关系数向量，所述相关系数向量的最大值记为max(R)，则激励信号与传感信号之间的时间延迟Δt如下式所示：
其中，Index为max(R)的索引位置，fs为所述激励信号的采样频率。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明传感器与驱动器内部均设有PZT模块，激励信号通过驱动器内部的PZT模块的逆压电效应在待测木结构中产生应力波，应力波穿过待测木结构的横截面后，由传感器内部的PZT模块的正压电效应被信号发射及接收装置采集，通过激励信号、传感信号的时间延迟获取应力波在待测木结构中的传播波速，并通过波速与木结构含水率的标定曲线得到待测木结构的含水率，实现了快速、便捷的无损检测，且能够适用于各种类型的木结构，具有广阔的应用前景；
(2)本发明PZT模块设置有磁铁连接层，通过磁力与第二保护体连接，具有易于安装、可拆卸的优点；
(3)本发明传感器、驱动器为圆锥形结构，与待测木结构进行点式接触连接，具有操作简易、无损检测的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于波速法的木结构含水率测量装置结构示意图；
图2为本发明驱动器/传感器结构示意图；
图3为本发明PZT模块结构示意图；
图4为本发明基于波速法的木结构含水率测量方法流程图；
图5为本发明实施例中激励信号与传感信号示意图；
图6为本发明实施例中波速与木结构含水率的标定曲线示意图；
图中，1为环氧树脂保护体，2为PZT片，3为磁铁连接层，4为放大调制电路，5为导线，11为第一保护体，12为第二保护体，13为导线孔，14为探头，21为传感器，22为信号发射及接收装置，23为待测木结构，24为驱动器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-3所示，本实施例提供一种基于波速法的木结构含水率测量装置，用于对待测木结构23进行含水率测量，具体包括：传感器21、驱动器24、信号发射及接收装置22；所述传感器21、驱动器24均与所述待测木结构23通过点接触的方式进行连接；所述传感器21、驱动器24均与所述信号发射及接收装置22电性连接。
其中，所述传感器21、驱动器24内部均设有PZT(Piezoelectric Transducer，压电传感器21)模块。
所述驱动器24用于发射激励信号至所述待测木结构23，使所述激励信号在所述待测木结构23中产生应力波；其中，所述激励信号采用正弦窗函数。
所述传感器21用于接收所述待测木结构23中产生的应力波，并将接收到的应力波作为传感信号发送至所述信号发射及接收装置22；
所述信号发射及接收装置22用于同时采集所述驱动器24所发射的激励信号和所述传感器21所发送的传感信号，并对所述激励信号、传感信号这两个时序离散信号做互相关计算，得到时间延迟△t，同时，测量所述驱动器24与所述传感器21之间的距离L，按照公式L/△t计算得到所述应力波在所述待测木结构23中传输的波速v，通过波速v与木结构含水率的标定曲线计算待测木结构23的含水率。
所述传感器21、驱动器24均包括依次连接的第一保护体11、第二保护体12、探头14；所述第一保护体11、第二保护体12为圆柱形结构，所述第一保护体11的内径与所述第二保护体12的外径相同，所述第一保护体11为内设螺纹的薄壁套筒，所述第二保护体12为外设螺纹的薄壁套筒，所述第一保护体11与所述第二保护体12通过螺纹连接；所述探头14为圆锥形结构，所述圆锥形结构的顶点与所述待测木结构23进行点式接触连接，具有操作简易的优点，且能够实现待测木结构23的无损检测；所述PZT模块设置于所述第二保护体12内，所述第二保护体12的内径与所述PZT模块的内径相同；其中，第一保护体11相当于第二保护体12的盖子，二者通过螺纹连接，方便内部PZT模块的拆卸与替换。
所述PZT模块包括PZT片2，所述PZT片2为主要的传感元件，所述PZT片2外围设有环氧树脂保护体1，通过环氧树脂保护体1能够保护传感材料不受环境影响和破坏，延长了传感器及驱动器的使用寿命；所述PZT片2底部设有磁铁连接层3，所述PZT片2表面固接有放大调制电路4，所述放大调制电路4焊接在所述PZT片2的表面；所述PZT片2还连接有导线5，所述导线5分别与所述PZT片2的正极、负极连接；所述第二保护体12上设有导线孔13，所述导线5穿过所述导线孔13与所述信号发射及接收装置22连接；所述PZT模块通过所述磁铁连接层3与所述第二保护体12连接，通过磁力连接的方式，具有易于安装，可拆卸的优点。
参照图4所示，本发明还提供一种基于波速法的木结构含水率测量方法，具体包括如下步骤：
S1、将所述传感器21、驱动器24分别通过导线5与所述信号发射及接收装置22连接，并将所述传感器21、驱动器24采用点接触的方式与所述待测木结构23进行连接；
S2、通过所述驱动器24向所述待测木结构23发射激励信号，并通过所述传感器21接收所述激励信号在所述待测木结构23中产生的应力波，将所述应力波作为传感信号发送至所述信号发射及接收装置22；
其中，所述驱动器24向所述待测木结构23发射的激励信号为正弦窗函数，所述正弦窗函数在matlab中生成，通过在matlab中设置周期、频率、采样点数生成正弦窗函数；正弦窗函数的频率为PZT片2的自振频率，所述正弦窗函数为在matlab中生成的一列幅值数据，将所述幅值数据保存为文本文件类型。在信号发射及接收装置22的控制面板选择激励信号类型为“自定义波形”，并导入调制好的正弦窗函数文件，对所述信号发射及接收装置22进行发射时间间隔、幅值增大系数、采样频率fs的设置，并通过所述驱动器24向所述待测木结构23发送正弦窗函数波激励信号。
所述激励信号通过所述驱动器24内部的PZT模块的逆压电效应在所述待测木结构23中产生应力波，所述应力波穿过所述待测木结构23的横截面后，由所述传感器21内部的PZT模块的正压电效应被所述信号发射及接收装置22采集，如图5所示，图5中，T为激励信号，R1为传感信号。
S3、通过所述信号发射及接收装置22对所述激励信号、传感信号做互相关计算，得到所述激励信号、传感信号之间的时间延迟，基于所述时间延迟以及所述驱动器24与所述传感器21之间的距离计算得到所述应力波在所述待测木结构23中传输的波速；
由于所述激励信号与所述传感信号之间存在时间延迟，通过互相关函数计算所述激励信号、传感信号这两个时序离散信号之间的时间延迟△t，同时测量所述驱动器24与所述传感器21之间的距离L，基于所述时间延迟△t以及所述驱动器24与所述传感器21之间的距离L计算得到所述应力波在所述待测木结构23中传输的波速v，如下式所示：
其中，所述互相关函数如下式所示：
式中，x(m)为激励信号，y(m+n)为传感信号，N为传感信号的离散数据点个数；计算得到的R(n)为相关系数向量，该向量的最大值记为max(R)，则激励信号与传感信号的时间延迟Δt按下式计算：
其中，Index为max(R)在时间序列中的索引位置，N为传感信号的离散数据点个数，fs为所述激励信号的采样频率，fs在信号发射及接收装置22的控制面板中设置。
S4、获取波速与木结构含水率的标定曲线，基于所述标定曲线以及所述应力波在所述待测木结构23中传输的波速，得到待测木结构23的含水率。其中，波速与木结构含水率的标定曲线的获取方法包括：
选取不同类型及不同含水率的木结构，进行含水率标定后进行波速的测量，得到波速与木结构含水率的标定曲线，如图6所示；通过含水率的标定曲线，能够通过波速对待测木结构23的含水率进行快速、便捷、无损检测，且适用于各种类型的木结构。
本发明具有以下技术效果：
(1)本发明传感器与驱动器内部均设有PZT模块，激励信号通过驱动器内部的PZT模块的逆压电效应在待测木结构中产生应力波，应力波穿过待测木结构的横截面后，由传感器内部的PZT模块的正压电效应被信号发射及接收装置采集，通过激励信号、传感信号的时间延迟获取应力波在待测木结构中的传播波速，并通过波速与木结构含水率的标定曲线得到待测木结构的含水率，实现了快速、便捷的无损检测，且能够适用于各种类型的木结构，具有广阔的应用前景；
(2)本发明PZT模块设置有磁铁连接层，通过磁力与第二保护体连接，具有易于安装、可拆卸的优点；
(3)本发明传感器、驱动器为圆锥形结构，与待测木结构进行点式接触连接，具有操作简易、无损检测的优点。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于波速法的木结构含水率测量装置，用于对待测木结构(23)进行含水率测量，其特征在于，包括：传感器(21)、驱动器(24)、信号发射及接收装置(22)；所述传感器(21)、驱动器(24)均与所述待测木结构(23)通过点接触的方式进行连接；所述传感器(21)、驱动器(24)均与所述信号发射及接收装置(22)连接；所述传感器(21)、驱动器(24)内部均设有PZT模块；
所述驱动器(24)用于发射激励信号至所述待测木结构(23)，使所述激励信号在所述待测木结构(23)中产生应力波；
所述传感器(21)用于接收所述待测木结构(23)中产生的应力波，并将接收到的应力波作为传感信号发送至所述信号发射及接收装置(22)；
所述信号发射及接收装置(22)用于同时采集所述驱动器(24)所发射的激励信号和所述传感器(21)所发送的传感信号，并基于所述激励信号、传感信号获取所述待测木结构(23)的含水率。
2.根据权利要求1所述的基于波速法的木结构含水率测量装置，其特征在于，所述激励信号采用正弦窗函数。
3.根据权利要求1所述的基于波速法的木结构含水率测量装置，其特征在于，所述传感器(21)、驱动器(24)均包括依次连接的第一保护体(11)、第二保护体(12)、探头(14)，所述探头(14)与所述待测木结构(23)进行点式接触连接，所述PZT模块设置于所述第二保护体(12)内。
4.根据权利要求3所述的基于波速法的木结构含水率测量装置，其特征在于，所述第一保护体(11)、第二保护体(12)为圆柱形结构，所述第一保护体(11)的内径与所述第二保护体(12)的外径相同，所述第一保护体(11)为内壁设有螺纹的套筒，所述第二保护体(12)为外壁设有螺纹的套筒，所述第一保护体(11)与所述第二保护体(12)通过螺纹连接；所述探头(14)为圆锥形结构，所述圆锥形结构的顶点与所述待测木结构(23)进行点式接触连接。
5.根据权利要求3所述的基于波速法的木结构含水率测量装置，其特征在于，所述PZT模块包括PZT片(2)，所述PZT片(2)底部设有磁铁连接层(3)，所述PZT片(2)表面固接有放大调制电路(4)；所述PZT片(2)还连接有导线(5)，所述导线(5)分别与所述PZT片(2)的正极、负极连接；所述第二保护体(12)上设有导线孔(13)，所述导线(5)穿过所述导线孔(13)与所述信号发射及接收装置(22)连接；所述PZT模块通过所述磁铁连接层(3)与所述第二保护体(12)连接。
6.根据权利要求5所述的基于波速法的木结构含水率测量装置，其特征在于，所述PZT片(2)外围设有环氧树脂保护体(1)。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于波速法的木结构含水率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
将所述传感器(21)、驱动器(24)分别通过导线(5)与所述信号发射及接收装置(22)连接，并将所述传感器(21)、驱动器(24)采用点接触的方式与所述待测木结构(23)进行连接；
通过所述驱动器(24)向所述待测木结构(23)发射激励信号，并通过所述传感器(21)接收所述激励信号在所述待测木结构(23)中产生的应力波，将所述应力波作为传感信号发送至所述信号发射及接收装置(22)；
通过所述信号发射及接收装置(22)对所述激励信号、传感信号做互相关计算，得到所述激励信号、传感信号之间的时间延迟，基于所述时间延迟以及所述驱动器(24)与所述传感器(21)之间的距离计算得到所述应力波在所述待测木结构(23)中传输的波速；
获取波速与木结构含水率的标定曲线，基于所述标定曲线以及所述应力波在所述待测木结构(23)中传输的波速，得到待测木结构(23)的含水率。
8.根据权利要求7所述的基于波速法的木结构含水率测量方法，其特征在于，所述驱动器(24)向所述待测木结构(23)发射的激励信号为正弦窗函数；所述正弦窗函数的频率为所述驱动器(24)中PZT模块的自振频率。
9.根据权利要求7所述的基于波速法的木结构含水率测量方法，其特征在于，所述激励信号通过所述驱动器(24)内部的PZT模块的逆压电效应在所述待测木结构(23)中产生应力波，所述应力波穿过所述待测木结构(23)的横截面后，由所述传感器(21)内部的PZT模块的正压电效应被所述信号发射及接收装置(22)采集。
10.根据权利要求7所述的基于波速法的木结构含水率测量方法，其特征在于，所述激励信号、传感信号之间的时间延迟通过互相关函数计算得到，所述互相关函数如下式所示：
式中，x(m)为激励信号，y(m+n)为传感信号，N为传感信号的离散数据点个数；R(n)为相关系数向量，所述相关系数向量的最大值记为max(R)，则激励信号与传感信号之间的时间延迟Δt如下式所示：
其中，Index为max(R)的索引位置，fs为所述激励信号的采样频率。
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