基本信息
- 项目名称：
- 树木内部缺陷无损检测仪
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 如果人的心脏出了问题，可以做个心电图检测，查清楚心脏的情况，从而对症下药实施治疗。那么大树要是“肚子”里生虫子或者开裂了，除了把树木锯开检查以外，还有没有简单点的检查方法呢？ 我们的团队花了3年时间研制了一个可以给树木做“心电图”的仪器——树木内部缺陷无损检测仪。 该作品运用树木的应力波传播来测量其内部是否存在缺陷，具有使用方便、不受木材尺寸和形状的影响、对人体无危害等优点，且成本较低，具有广阔的市场前景，填补了国内的技术空白。
- 详细介绍：
- 作品发明的目的：传统的木材质量检测大多采用人工方法，甚至需要将木材试样破坏后进行检测，检测效率和精度不高。目前，无损检测技术在林业和木材加工行业受到了广泛重视和应用，木材无损检测技术己有多种。与其它无损检测技术相比，应力波无损检测技术优点突出，受到林业研究人员和业界的广泛关注。国外已经广泛使用应力波技术检测木材性质(如弹性模量等)。然而，我国对于这方面研究较少，木材无损检测仪器主要依靠从国外进口，价格昂贵。因此，研究开发具有自主知识产权的木材应力波无损检测技术及其设备具有重要意义。本作品主要针对树木内部缺陷的无损检测而设计，既可以应用到古树名木、古建筑木质结构的健康监测，也可以应用到木材加工企业的原木质量检测与等级划分、木材科学与技术领域的教学与科研。 基本思路：使用脉冲锤撞击树木，在树木内部产生应力波的传播，然后利用智能电子设备测量应力波在树木中的传播时间，自动计算出应力波在树木中的传播速度、木材的弹性模量等参数。通过将测量结果与标准参考值进行比较，确定树木内部是否存在腐朽、空洞等缺陷。 创新点：采用极低阀值的感应信号方法，使得本系统和同类产品相比对应力波感应灵敏度提高，同时采用应力波持续时间阈值法和时序检测法，对采集信号进行智能识别，排除非正常检测状态下产生的应力波信号，从而提高整个系统的精度和正确率。 技术关键：应力波检测、智能识别、低功耗设计。 技术指标：时间测量精度达到十微秒，工作电压不超过9伏，连脉冲锤在内的检测系统总重量不超过4千克。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品发明的目的：传统的木材质量检测大多采用人工方法，甚至需要将木材试样破坏后进行检测，检测效率和精度不高。目前，无损检测技术在林业和木材加工行业受到了广泛重视和应用，木材无损检测技术己有多种。与其它无损检测技术相比，应力波无损检测技术优点突出，受到林业研究人员和业界的广泛关注。国外已经广泛使用应力波技术检测木材性质(如弹性模量等)。然而，我国对于这方面研究较少，木材无损检测仪器主要依靠从国外进口，价格昂贵。因此，研究开发具有自主知识产权的木材应力波无损检测技术及其设备具有重要意义。本作品主要针对树木内部缺陷的无损检测而设计，既可以应用到古树名木、古建筑木质结构的健康监测，也可以应用到木材加工企业的原木质量检测与等级划分、木材科学与技术领域的教学与科研。 基本思路：使用脉冲锤撞击树木，在树木内部产生应力波的传播，然后利用智能电子设备测量应力波在树木中的传播时间，自动计算出应力波在树木中的传播速度、木材的弹性模量等参数。通过将测量结果与标准参考值进行比较，确定树木内部是否存在腐朽、空洞等缺陷。 创新点：采用极低阀值的感应信号方法，使得本系统和同类产品相比对应力波感应灵敏度提高，同时采用应力波持续时间阈值法和时序检测法，对采集信号进行智能识别，排除非正常检测状态下产生的应力波信号，从而提高整个系统的精度和正确率。 技术关键：应力波检测、智能识别、低功耗设计。 技术指标：时间测量精度达到十微秒，工作电压不超过9伏，连脉冲锤在内的检测系统总重量不超过4千克。
科学性、先进性
- 由于木材物理特性的各向异性，常导致应力波信号不稳定，影响检测效果。本作品采用极低阀值的感应信号方法，提高了应力波感应的灵敏度。此外，本作品采用应力波持续时间阈值法和时序检测法，对采集信号进行智能识别，排除非正常检测状态下产生的应力波信号。 与德国IML公司生产的同类产品相比，本作品具有更高的灵敏度和可靠性，并且成本大为下降，具有广阔的市场前景。 参考文献： [1]SHANG Dajun, DUAN Xinfang, et al. Decay Detection of Ancient Wood Rafters in Tibet by Stress Wave Testing Method. Chinese Forestry Science and Technology. 2007, 6(4): 20-24. [2]冯海林，李光辉. 木材无损检测中的应力波建模与仿真. 系统仿真学报, 2008，第8期.
获奖情况及鉴定结果
- 2009年6月，在浙江省第11届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中荣获特等奖、公开答辩最佳创意奖。本作品目前正在申请省级重点新产品鉴定。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 技术转让
作品可展示的形式
- ■实物、产品 ■图纸 ■现场演示 ■图片 ■样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 作品为手持仪器，将发射端和接收端的传感器固定在被测树木上，然后利用脉冲锤击打产生应力波，仪器自动检测传播时间。作品能够在不破坏树木的前提下准确检测物理、力学参数，由于使用了全新的设计思路，使其具有较高的灵敏度和可靠性，测量精度达到微秒级，成本只有国外同类产品的十分之一。 本作品专为木材加工企业、森林管理部门、林业教学与科研、古树名木保护等单位设计。作品可检测应力波传播时间，由此判断外表正常的树有无腐朽、中空、枯萎、虫蛀等情况，同时计算得出的弹性模量和板材分级等，这使得科研机构和生产质检部门可使用该作品对树木进行无损检测，解决科学实验和生产实践中的具体问题。本作品已在天目山国家自然保护区管理局、杭州园林工程监理有限公司、浙江德升木业有限公司等单位试用，受到用户的一致好评。经过科技查新部门检索，本作品为国内真正实用的首款具有自主知识产权的木材应力波无损检测仪。目前我国使用的无损检测设备主要依靠进口，价格昂贵，市场占有率不高，因此本作品具有很强的市场竞争力和广阔的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 随着电子、光学和计算机技术的发展，目前，国际上应用于木材检测的无损检测技术有多种，如射线检测法、超声波检测法、核磁共振检测法、应力波检测法等。由于应力波技术比其它无损检测技术的成本低，使用方便、不受木材尺寸和形状的影响，不损坏被测木材，在传感器与被测木材之间不需任何的耦合剂，不对人体造成危害，所以深受研究者和工业界的关注，在实践中也有了较好的应用。 应力波无损检测技术的基本原理是，利用脉冲锤敲击被测木材样本，在其内部产生应力波的传播，用两套较复杂的比较和触发电路捕捉应力波在木材内部的传播过程，并在计时器上显示应力波的传播时间。根据应力波在被测木材中传播的时间计算其传播速度和木材的弹性模量，由此判定木材的性质(如是否存在内部缺陷)。研究表明，各种健康树种的应力波传播速度都有一定的范围，当木材内部存在腐朽或空洞等缺陷时，垂直于木材纹理方向的传播速度急速降低，由此判定该木材内部存在腐朽或其他类型的缺陷。 由于应力波技术使用方便的特点，已经在木材无损检测方面有了一定程度的应用。随着计算机技术与传感技术的快速发展，应力波检测仪器也随之产生。目前，市场上主流的产品有美国的Metriguard公司生产的便携式应力波计时器Metriguard Model 239A Stress Wave Timer，德国IML公司生产的电子锤（Electronic Hammer）、瑞士Sandes SA公司生产的SylvaTest、德国Frank Rinn公司研制的ARBOTOM等。这类应力波检测仪器不同于CT探测器的主要特点是，使用对人体无害的应力波，而且还能对野外树木缺陷进行检测。但国内关于应力波木材无损检测设备的研发尚处于起步阶段，未见有实用产品。我国林业系统使用的应力波检测仪器主要依靠从国外进口，价格昂贵。 在木材质量检测方面，应力波技术主要应用在木材和人造板的力学性质检测上，而对木材腐朽，特别是原木内部缺陷的检测研究比较少。利用应力波检测木材内部缺陷有进一步改进的地方。例如，应力波在非均匀介质原木中的传播理论不成熟；神经网络技术以及小波分析技术在应力波信号处理中的应用问题；基于应力波技术的原木腐朽特征专家系统的建立问题；适合于立木性质检测的便携式检测仪的研制。我们正在建立木材缺陷专家系统，完善应力波木材内部缺陷无损检测法。
