基于能量法木材孔洞缺陷的超声定量检测研究

摘要

随着木材生产量减少和需求量的增加，木材无损检测日益重要。本文在探讨现有对木材无损检测分析方法不足的基础上，提出了采用频谱分析和小波分析处理检测信号，用神经网络诊断木材缺陷的检测方法。分别对木材缺陷大小、缺陷位置进行定量检测。 根据超声波在木材中的传播规律，阐述了由于木材材质的变化引起了超声波能量衰减和频率成分的改变。在此基础上提出了频谱和小波分析处理超声波信号，提取能量衰减量表征木材缺陷信息。 用频谱分析对木材缺陷试件进行信号处理：通过FFT变换和各功率谱分析对比，选用Welch法将于处理后的时域信号变换为频域中的功率谱密度，根据功率谱密度判断随孔洞缺陷的大小和位置的变化规律。小波包分解各频带的能量值作为神经网络的输入特征向量：采用db5小波，对时域信号进行5层小波包分解，得到32个从低频到高频的系数，提取其各频带内信号的能量变化量，构造一个32维特征向量，作为神经网络的输入参数。 在神经网络的识别阶段：孔洞位置检测过程和孔洞大小的检测类似。将小波分解所得到的能量谱变化量作为人工神经网络的输入，训练网络，利用该网络对未知试件进行了预测诊断，能够识别木材孔洞缺陷的位置及尺寸。 结果表明，频谱分析能判断孔洞缺陷的大小和位置的变化规律，并表明缺陷信号频谱丰富，可用于进一步进行小波包分析。小波包分解和神经网络相结合，能够检测孔洞缺陷的大小和位置，较好的实现了木材孔洞缺陷的定量检测。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1引言

1.1.1木材无损检测概述

1.1.2超声检测的优点

1.1.3木材超声无损检测的应用现状

1.2问题的提出

1.2.1频谱分析在无损检测中应用现状

1.2.2小波和神经网络与无损检测

1.3论文研究的目的及意义

1.4研究方法及创新之处

2超声波检测的理论依据与实验设备

2.1超声波检测的理论

2.1.1超声波在各向异性弹性固体介质中的波动方程

2.1.2超声波在木材中的传播方式

2.1.3超声波的衰减

2.1.4木材的超声表征的声学性能参量选择

2.2实验

2.2.1超声检测设备

2.2.2实验方法

2.2.3试件制备及规格

2.3本章小结

3木材缺陷检测的频谱分析技术

3.1频谱分析的理论基础

3.1.1傅立叶变换基础

3.1.2快速傅立叶变换

3.1.3功率谱

3.2超声波信号处理基础

3.2.1信号采集

3.2.2信号预处理

3.2.3归一化原理

3.3频谱分析方法与结果

3.3.1频谱分析PSD-welch方法选取

3.3.2频谱分析结果

3.4本章小结

4基于小波分析的木材缺陷信号处理

4.1小波分析

4.1.1小波变换的特点

4.1.2小波函数的选择

4.2小波包分析

4.2.1小波包概述

4.2.2小波包的定义

4.3基于小波包分析的木材缺陷的特征提取

4.3.1小波分析的步骤

4.3.2小波分析结果

4.4本章小结

5基于人工神经网络在木材孔洞缺陷定量检测的研究

5.1神经网络与无损检测

5.2神经网络结构

5.3 BP神经网络

5.3.1 BP算法原理

5.3.2 BP算法参数选取

5.3.3基于BP神经网络对木材孔洞缺陷定量检测

5.4本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢