《基于Arduino的应力波测量与频谱分析设计》文献综述
1前言
木材是一种人类使用历史最长的可再生的天然资源。随着社会进步，人们对生产、生活质量要求的提高，对木材的需求量逐渐增加。充分有效地利用木材资源，使之产生最大的经济与社会效益，是各国林业科研工作者共同关心和不断研究的课题[1]。非破坏性实验可以在不损坏木材的前提下检验木材的质量，达到节省资源的目的，其中应力波检测技术是应用比较普及的一项技术[2]。应力波无损检测技术是多种木材无损检测技术中的一种，基本原理是木材的一端受冲击力作用，其内部产生振荡，利用传感器来感应应力波发出电荷或电压信号，通过检测分析该信号来确定木材材料的性质。本次毕业设计即用该原理，利用Arduino单片机来检测应力波在木材中的波形，对其进行傅里叶分析，并通过上位机来显示其频谱图[3]。
2 现状与发展
大约从上世纪50年代开始，国外就已经开始了对应力波的研究，从而开始了对于应力波无损检测技术的开发。自上世纪60年代起，应力波、超声波走进了科学家的研究范畴。此后，无损检测技术在木材领域进入了飞速快速发展阶段。国外科研工作者通过大量的研究建立了应力波的传播理论而且通过实际验证手段验证了理论的可行性。1997年，Ross等人研究了木材的弹性模量[4]。该课题主要采用应力波传播方程作为理论依据。最后，对云杉和冷杉的弹性模量进行了有效的测量。Ross也探究了原木的形状对于无损检测的影响。试验成果表明，几何形状对于应力波无损检测意义重大[5]。2005年，Divos等人探讨了应力波的频率及其检测点的密度等对于应力波的断层图像重建的影响因素。此外Divos也详细的论述了成像的原理和依据[6]。2010年，Marintilde;o解决了无损检测技术精准定位的难题。Marintilde;o可有效的定位栗木的髓心位置，同时研究了应力波波速与测量距离间的关系，结果表明为线性关系[7]。2012年，ChienMing试验研究了木材内部缺陷类型，如不同形状、不同大小，对应力波走时的影响。ChienMing试验最终得出结论：木材内部缺陷面积增大，应力波走时变长，传播速度变小。以上为国外的科研工作者的研究成果。
我国的建筑业的无损检测技术起步较早，比如混凝土缺陷检测等，但是我国森林产业的无损检测技术发展较晚。2005年，王立海探究了应力波的走时时间、传播速度的影响因素。试验结果表明空洞所处的位置、大小、数量多少对于传播速度具有明显的影响。此外，应力波的走时时间随着空洞的大小、数量的增加而增加，与之相对应的传播速度则与这些影响因素呈现负相关的趋势[8]。2006年，王立海从频域角度进行了无损检测的探究，对超声波检测信号进行的分析，采用功率谱分析方法得出频谱分析能够进行木材的缺陷诊断，如空洞的数量、大小。虽然该研究不能确定缺陷的位置，但是王立海的研究为后续的科研工作者从频域角度的研究奠定了扎实的基础[9]。2007年，闫在兴实现了时域内的应力波断层缺陷重建。闫在兴采用直线追踪和重构算法，通过构建数值模型，实现了断层的缺陷重建。此外，对比了ART法、SIRT法对于重建的可行性和准确性[10]。2008年，冯国红等人构造了基于应力波的探测装置。此外，该文章中也详细论述了检测装置的软硬件构成。根据实验结果，作者提出利用频谱分析或小波变换对采集的信号进行处理，可以得到更多的木材内部缺陷信息[11]。2010 年，张爱珍的研究成果解决了频域内不能判断缺陷位置的难题。该课题组设 计了一种自动检测的设备，可准确提取特征，并能高效的判断和定位腐朽的位置[12]。2013 年，安源深入研究了断层缺陷的重建问题。安源构建了点、线速度算法模型，进而重建木材的断层图像。试验还对比了 FAKOPP 的测量结果，发现安源的研究成果与之相吻合。安源的研究成果丰富了时域内的断层重建科研成果[13]。2014年，刘昊等人通过采用ARBOTOM 测速仪研究了含水率与传播速度的关系[14]。试验结果表明，随着含水率升高，传播速度降低。科学研究表明，应力波的传播路径为效率高的最短路径传递方式。木材各种类型的缺陷使得应力波的走时时间变长。这也是科研工作者进行木材缺陷诊断的主要依据[15]。通过判断速度变化或传播时间的变化，进而得出木材的健康状况。目前科研工作已经尝试了频域内对超声波检测信号的研究，并取得了可喜的成果，如缺陷的检测及其定位。可以看出，随着科技的进步，无损应力波检测技术将会愈发成熟。
3研究内容及任务
3.1应力波信号采集电路原理及设计
3.1.1应力波原理
在弹性固体介质中的一切质点间都以内聚力彼此紧密联系着。所以任何一个质点振动的能量可以传递给周围的质点、引起周围质点的振动。质点振动在弹性介子内的传播过程成为波动。当物体的一个质点受到冲击发生振动就会传递给周围的质点，引起群振，进而导致物体内所有质点产生振动。换句话说,振动以波动的形式向周围传播,这种波称为弹性波或应力波[16]。波的表现形式为机械波。
应力波传播的基本条件是介质的可变形性和惯性。对于不可变形的刚体,当一个质点受力产生振动，并不会传递到周围，局部的扰动力或位移可立即传播到整个物体的每部分,不能形成波动。
3.1.2应力波信号采集原理
本实验拟定采用木桩做应力波传播介质，在木板相对一侧安装压电式加速度传感器，然后用锤子敲击木桩相对一侧产生应力波，传感器采集到应力波再经过一系列信号调理发送给单片机。信号采集原理图见图3.1。
图3.1 信号采集原理图
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
