CN108956770A - 一种用于古建筑木构件内部缺陷初步筛查的智能锤及筛查方法 - Google Patents

Abstract

本专利发明一种用于古建筑木构件内部缺陷初步筛查的智能锤，由两部分组成：脉冲锤和信号处理盒。脉冲锤用于敲击被测木构件的表面，传感敲击力信号。信号处理盒由壳体、信号处理硬件和软件组成，信号处理硬件由信号调理器、A/D转换模块、单片机、显示屏、电池等五部分组成；主要功能是预处理、采集、分析处理敲击力信号，对敲击部位内部是否存在缺陷给出判断。本专利发明一种基于智能锤的古建筑木构件内部缺陷筛查方法，具体步骤为：(1)将智能锤调节到工作状态；(2)敲击木构件表面，测得敲击力持续时间t和比例系数R；(3)判断木构件内部缺陷情况。本发明优点及功效在于：能无损、快速判断古建筑木构件内部是否存在空洞、腐朽等缺陷。

Description

一种用于古建筑木构件内部缺陷初步筛查的智能锤及筛查 方法

技术领域

本发明涉及一种古建筑木构件内部缺陷无损检测装置与评估方法，属于古建筑木结构无损检测与保护领域。

背景技术

中国有大量的全木结构或者内部大量使用木材的古建筑。在古建筑木结构的修缮和保护过程中，需要遵循“尊重历史、尊重文物、不改变原状、最少干预”的原则，即在条件允许的情况下尽可能保有原来的木构件。那么就需要在修缮之前先进行一轮检测工作来判断各木构件的缺陷情况及残余力学性能，其中木构件缺陷检测是各检测工作中的首要工作。古建筑木构件是指古建筑木结构的组成元素，包括柱、梁、檩(桁)、枋等。对没有地仗层的木构件来说，其缺陷可分为外部缺陷和内部缺陷两种。木构件外部缺陷通常包括裂纹、表面腐朽、材料缺失和机械损伤等。在古建筑检测工作当中，这些缺陷的检测工作相对较为容易。检测人员通过目测和一些简单的尺寸测量就可以对外部缺陷的类型和大小进行判断。

木构件内部缺陷主要包括内部腐朽和内部空洞。内部腐朽是由于木构件受到细菌、病虫等侵害从内部产生的材质变异，内部腐朽发展到一定程度就会变成内部空洞。由于木结构古建筑的珍贵性和结构的复杂性，检测人员通常在不允许随意拆解木构件或进行任何破坏性操作的情况下进行检测工作，所以相对外部缺陷来说，其检测工作更为麻烦，难度大。目前，检测人员需要使用一些无损检测技术来进行木构件内部缺陷检测工作。

目前，古建筑木构件内部缺陷无损检测过程通常包括初步筛查、验证性筛查和精确检测三个步骤。初步筛查是指对木构件内部缺陷的快速系统性排查，即以整个木结构为对象，初步快速判断出可能存在内部缺陷的木构件及缺陷可能的位置；验证性筛查是指对可能存在内部缺陷的木构件进行缺陷确认及大小的估算；精确检测是指精确判断出内部缺陷的形状和尺寸。

针对一个特定的古建筑木构件，其内部缺陷的初步筛查主要采用敲击检测和外部观察两种方法。这两种方法主要是依靠检测人员的经验和感觉，通过听小锤敲击木构件表面发出的声音和目测来初步判断木构件可能存在内部缺陷的位置。例如，如小锤敲击有明显的空洞声，则木构件内部很可能有空洞或严重的腐朽存在。无论如何，由于对经验和感觉的依赖性很强，漏判、误判现象时有发生，需要一种智能化工具来提高木构件内部缺陷初步筛查的准确度。

本专利发明了一种用于古建筑木构件内部缺陷初步筛查的智能锤和筛查方法，可自动采集、处理、分析冲击力信号，根据被敲击部位的刚度变化智能识别木构件内部是否存在缺陷。是一种方便、快捷、无损筛查木构件内部缺陷的智能化工具和方法，避开了对检测者经验和感觉的依赖。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于古建筑木构件内部缺陷初步筛查的智能锤和筛查方法，使在古建筑木构件内部缺陷初步筛查过程中去除对操作者经验和感觉的依赖，自动、智能判定被敲击部位内部是否有缺陷存在。

本发明的技术方案如下：

本发明一种用于古建筑木构件内部缺陷初步筛查的智能锤，主要由两部分组成：脉冲锤和信号处理盒，如图1所示。脉冲锤的主要功能是敲击被测木构件的表面，传感敲击力信号。信号处理盒的主要功能是预处理、采集、分析处理敲击力信号，对敲击部位内部是否存在缺陷给出判断。

脉冲锤由锤头、力传感器、锤身、锤柄等组成，如图2所示。力传感器要求为自带IC放大器的压电晶体型传感器，锤头材料为铝合金。

信号处理盒由壳体、信号处理硬件和软件组成。如图3所示，壳体分为上盖和下壳，壳体上留有BNC接口、充电接口、显示屏和电源开关。信号处理硬件由信号调理器、A/D转换模块、单片机、显示屏、电池等五部分组成。力传感器输出的电信号经后面连接的信号调理器处理后，再经过A/D转换模块传到单片机中；经过单片机分析处理后，显示屏上显示出检测结果。其中，信号调理器、A/D转换模块、单片机和显示屏都由电池供电。

本专利发明一种基于智能锤的古建筑木构件内部缺陷筛查方法，具体为如下步骤：

(1)将智能锤调节到工作状态。

用同轴数据线连接脉冲锤和信号处理盒，打开信号处理盒电源开关，将智能锤调节到工作状态。

(2)敲击木构件表面。

敲击木构件表面，每次敲击后测得该处的敲击力持续时间t和比例系数R。敲击力持续时间t如图4所示。比例系数R＝B/(A+B)，其中A、B含义如图5所示，分别为两个带斜线部分的面积，f_max为力信号自功率谱在纵坐标单位为dB情况下的幅值第一阶最低点频率。

(3)判断木构件内部缺陷。

将每次敲击后得到该处的敲击接触时间t和比例系数R与各自的临界值t_j、R_j对比，如果发现两个参数的量值均与各自的临界值相差超过20％，则说明该处内部存在缺陷；且相差值越大，说明缺陷尺寸越大、或缺陷距离表面越近。

选择被测木构件表面不同位置点敲击，直至该木构件检测完毕。

本发明一种用于古建筑木构件内部缺陷初步筛查的智能锤及筛查方法，其优点及功效在于：能无损、快速、方便地判断古建筑木构件内部是否存在空洞、腐朽等缺陷，将传统的木构件内部缺陷敲击筛查进行了仪器化；与传统敲击筛查相比，去除了对检测者经验的依赖，提高了检测准确率。

附图说明

图1所示为本发明智能锤组成框图

图2所示为脉冲锤示意图

图3所示为信号处理盒结构示意图

图4所示为敲击脉冲力信号时域示意图

图5所示为敲击脉冲力信号自功率谱示意图

图6所示为信号处理流程图

图中具体标号及符号说明如下：

1、IEPE信号调理器 2、A/D转换模块 3、单片机

4、显示屏 5、充电电池 6、上盖

7、下壳 8、充电口 9、BNC接口

10、电源开关

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明一种用于古建筑木构件内部缺陷初步筛查的智能锤，主要由两部分组成：脉冲锤和信号处理盒，如图1所示，脉冲锤和信号处理盒之间由带BNC接头的同轴数据线连接。脉冲锤的主要功能是敲击被测木构件的表面，传感敲击力信号。信号处理盒的主要功能是预处理、采集、分析处理敲击力信号，对敲击部位内部是否存在缺陷给出判断。

脉冲锤由锤头、力传感器、锤身、锤柄等组成，如图2所示。力传感器要求为自带IC放大器的压电晶体型传感器，锤头材料为铝合金。建议在市场上购买适于中型构件检测的脉冲锤，例如，北京东方振动和噪声技术研究所制造的INV9313型力锤、丹麦BK公司制造的2302-10型脉冲锤等。

信号处理盒由壳体、信号处理硬件和软件组成。信号处理硬件由IEPE信号调理器1、A/D转换模块2、单片机3、显示屏4、充电电池5等五部分组成。如图3所示，壳体分为上盖6和下壳7，壳体上留有BNC接口9、充电接口8、显示屏4和电源开关10；BNC接口9用于与脉冲锤数据线连接，充电接口8用于给充电电池5充电，显示屏4用于显示检测结果。力传感器为自带IC放大器的压电晶体型传感器，输出的为电压信号；电压信号经后面连接的IEPE信号调理器1，去除静态偏置电压值，输出反映动态力信号的动态电压信号；再经过A/D转换模块2传到单片机3中，经过单片机处理分析后，显示屏4上显示出检测结果。其中，信号调理器1、A/D转换模块2、单片机3和显示屏4都由充电电池5供电。

信号处理流程

信号处理流程图如图6所示。该信号处理流程可采用软、硬件处理相结合的方式进行。用脉冲锤敲击木构件表面，力传感器传感敲击力信号。采集力信号，处理力信号：(1)计算敲击脉冲力信号持续时间t；(2)对力信号进行自功率谱处理，计算比例系数R值。对比本次敲击的脉冲力持续时间t、比例系数R值与各自的临界值，做出内部是否有缺陷的判断。存储、显示结果。至此一次敲击信号处理、缺陷判断流程结束。

本专利发明一种基于智能锤的古建筑木构件内部缺陷筛查方法，具体步骤如下：

(1)将智能锤调节到工作状态。

用带BNC接头的同轴数据线连接脉冲锤和信号处理盒，打开信号处理盒电源开关，将智能锤调节到工作状态。

(2)敲击木构件表面。

敲击木构件表面，每次敲击后测得该处的敲击力持续时间t和比例系数R。敲击力持续时间t如图4所示。比例系数R＝B/(A+B)，其中A、B含义如图5所示，分别为两个带斜线部分的面积，f_max为力信号自功率谱在纵坐标单位为dB情况下的幅值第一阶最低点频率。f_max数值需要预试验确定，木构件树种不同会影响其大小，例如落叶松木构件f_max＝2500Hz、樟子松木构件f_max＝2000Hz。

(3)判断木构件内部缺陷。

将每次敲击后得到该处的敲击力持续时间t和比例系数R与各自的临界值t_j、R_j对比，如果发现两个参数的量值均与各自的临界值相差超过20％，则说明该处内部存在缺陷；且变化值越大，说明缺陷尺寸越大、或缺陷距离表面越近。两个临界值t_j、R_j需要预试验确定，木构件树种不同会影响其大小，例如落叶松木构件t_j＝1.07ms、R_j＝0.4224，樟子松木构件t_j＝3.39ms、R_j＝0.4355。

选择被测木构件表面不同位置点敲击，直至该木构件检测完毕。

实施例一：

下面结合一根古建筑圆檩内部缺陷的一次初步筛查，说明智能锤和筛查过程的具体实施方式。圆檩的树种为落叶松，直径为26cm，长度为460cm。

(1)将智能锤调节到工作状态。

用带BNC接头的同轴数据线连接脉冲锤和信号处理盒，打开信号处理盒电源开关，将智能锤调节到工作状态。

(2)敲击圆檩构件表面。

选择圆檩表面不同的位置点敲击，每次敲击后测得该处的敲击力持续时间t和比例系数R。例如，位置点1敲击测得t₁＝1.06ms、R₁＝0.420；位置点2敲击测得t₂＝1.40ms、R₂＝0.308。

(3)判断木构件内部缺陷。

将每次敲击后得到该处的敲击接触时间t和比例系数R与各自的临界值t_j、R_j对比，例如，均未超过20％，说明位置点1内部没有缺陷；而均超过20％，说明位置点2内部存在缺陷。

沿圆檩长度方向，每隔10cm确定一个截面圆周，每个圆周选4个不同位置点敲击检测；发现在圆檩中间部位内部存在一个空洞缺陷，留待下一步用微钻阻力仪确定它的尺寸和深度。至此该圆檩木构件内部缺陷初步筛查完毕。

Claims (2)

1.本发明一种用于古建筑木构件内部缺陷初步筛查的智能锤，其特征在于：该智能锤由两部分组成：脉冲锤和信号处理盒；

所述的脉冲锤由锤头、力传感器、锤身、锤柄等组成；力传感器要求为自带IC放大器的压电晶体型传感器，锤头材料为铝合金；建议在市场上购买适于中型构件检测的脉冲锤；

所述的信号处理盒由壳体、信号处理硬件和软件组成；信号处理硬件由IEPE信号调理器1、A/D转换模块2、信号处理电路板3、显示屏4、电池5等五部分组成；力传感器输出的为电压信号，该信号经后面连接的IEPE信号调理器，去除静态偏置电压值，输出反映动态力信号的动态电压信号；再经过A/D转换模块传到单片机中，经过单片机处理分析后，显示屏上显示出检测结果；其中，信号调理器、A/D转换模块、单片机和显示屏都由电池供电。

2.本专利发明一种基于智能锤的古建筑木构件内部缺陷筛查方法，具体步骤如下：

(1)将智能锤调节到工作状态：

用带BNC接头的同轴数据线连接脉冲锤和信号处理盒，打开信号处理盒电源开关，将智能锤调节到工作状态；

(2)敲击木构件表面：

敲击木构件表面，每次敲击后测得该处的敲击力持续时间t和比例系数R；比例系数R＝B/(A+B)，其中A、B分别为两个带斜线部分的面积；f_max为力信号自功率谱在纵坐标单位为dB情况下的幅值第一阶最低点频率，f_max数值需要预试验确定，木构件树种不同会影响其大小，例如落叶松木构件f_max＝2500Hz、樟子松木构件f_max＝2000Hz；

(3)判断木构件内部缺陷：

将每次敲击后得到该处的敲击接触时间t和比例系数R与各自的临界值t_j、R_j对比，如果发现两个参数的量值均与各自的临界值相差超过20％，则说明该处内部存在缺陷；且变化值越大，说明缺陷尺寸越大、或缺陷距离表面越近；两个临界值t_j、R_j需要预试验确定，木构件树种不同会影响其大小，例如落叶松木构件t_j＝1.07ms、R_j＝0.4224，樟子松木构件t_j＝3.39ms、R_j＝0.4355；

选择被测木构件表面不同位置点敲击，直至该木构件检测完毕。