一种基于电阻抗成像的含水木材缺陷检测方法

1.本发明涉及一种基于电阻抗成像的含水木材缺陷检测方法，属于林业领域。


背景技术：

2.木材，在生产和日常生活中随处可见，它具有性能优异、可再生等优点，被广泛应用于房屋建筑、艺术创造、器具制造等领域。在生产和生活中，木材的表面和内部缺陷是影响木材的利用率以及在使用过程中安全性的关键因素之一；常见的木材缺陷有空洞、裂缝、腐朽等；在使用过程中，缺陷的存在导致木材的力学强度、加工性能和美观性等受到不同程度的影响。木材是一种植物体，通常情况下含有不同程度的水分。因此，如何对新伐或存量木材中可能存在的缺陷进行有效检测，是评估木材等级、保障木制品质量的一项重要技术手段。
3.现有的对木材进行无损检测的方法主要有图像采集法和目测与射线相结合的方法。如公开号为cn109211923a的发明专利申请公开了木材缺陷检测图像处理系统。它主要包括五大模块：图像输入、图像存取、平台窗口管理、图像几何处理和数字图像处理。图像输入模块具有从摄像机采集图像,转换成bmp或dib格式存入计算机内存,并在微机的监视器进行显示的功能；图像存取包括cp内存图像和磁盘文件的转换,图像文件打开与存储图像等操作；平台窗口管理模块具有管理、平铺、排队、关闭、快速等功能；图像几何处理模块具有图像的放大和缩小功能；数字图像处理模块主要对图像进行影像处理。该方法采集的图像后续全在电脑终端中实现，实时性较差；摄像机也仅能拍摄木材的表面缺陷，无法检测内部缺陷。
4.如公开号为cn111272821a的发明专利申请公开了一种木材内部缺陷微损检测的方法。它先采用目测法和锤击法相结合，首先对木材内部缺陷的大体位置进行初步确认；再在该位置的两个相互垂直的待测平面上采用阻抗仪进行检测，得到待测平面上的两条阻抗曲线。检测过程中，需保证阻抗仪的探针始终处于待测平面，并保持阻抗仪的探针进入所测木材的角度不变；然后判断两条所述阻抗曲线是否均未发生陡降：若是，则判定所述大体位置不含内部缺陷，结束步骤；若否，则进一步判断所述阻抗曲线陡降部分的阻抗值是否明显低于实测均值，如果明显低于实测均值，则判定所述大体位置存在内部缺陷；并对所述木材内部缺陷的位置处利用x射线探伤仪在其外围的多个测点进行拍照，获得照片。当照片中灰度值发生明显变化时，可判断该部位为内部缺陷所在部位。最后，综合不同测点的所得照片和阻抗曲线，确定木材的内部缺陷的空间形状和大小。该方法因利用人工目测确定大体位置，导致误差较大；且操作繁琐、过程复杂，射线检测也存在安全防护问题。
5.也有运用应力波检测木材缺陷的方法。如公开号为cn107300587的发明专利申请公开了一种树木缺陷检测方法。该方法通过数学模型计算得到树木纵截面上应力波理论传播速度，并通过实验得到待测树木内部应力波的实际传播速度；将理论和实验数据进行对比，可得到异常路径并予以标记，从而得到缺陷的位置并确定缺陷大小；该方法具有成本低，仪器携带方便等优点。但受传感器数量影响，成像精度有限。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于电阻抗成像的含水木材缺陷检测方法。该方法具有如下优势：通过编写的木材断层成像程序和优化的l1正则化算法，能实现木材不同缺陷的可视化成像，成像精度高；且电阻抗成像技术相较于现有方法，操作简单、成本低，能更好地用于木材缺陷的无损检测。
7.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
8.一种基于电阻抗成像的含水木材缺陷检测方法，包括以下具体步骤：
9.步骤1，在室温条件下，准备含水的待测木材，采用电导率仪测量出木材的初始电导率，作为先验值；
10.步骤2，在电场有限元仿真软件中建立含水木材模型，并添加材料属性和相关边界条件，进行求解；
11.步骤3，提取仿真模型求解得到的边界电压并进行数据处理，得到边界电压与木材电导率的映射关系，编写木材断层成像程序；
12.步骤4，在待测木材上安装电阻抗成像系统，采用相邻电极激励的模式并进行轮换，逐次采集剩余电极的电压，得到边界电压矩阵；
13.步骤5，将边界电压矩阵导入木材断层成像程序，重建出木材内部的电导率分布；采用优化的l1正则化算法，求取场域电导率向量，再进行规一化处理，实现木材内部缺陷的可视化成像。
14.图像重建算法决定了图像重建的精度，正则化算法在一定程度上解决了逆问题中不适定性，本发明采用优化的l1正则化算法，可产生参数值量级小的解，并倾向于符合先验知识，提高了图像重建的精度。
15.本发明采用的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
16.(1)采用电场仿真正问题模型提供先验知识，结合电阻抗成像系统的边界电压反演出木材缺陷，检测精度高、成本低、速度快。
17.(2)对木材缺陷进行电阻抗断层成像，通过重建图像来反演木材不同类型的缺陷。解决了现有方法的操作繁杂、检测结果解释难等问题。
18.(3)采用优化的l1正则化算法，有效提高了含水木材缺陷电阻抗成像的精度和分辨率。
附图说明
19.图1为本发明的方法流程图
20.图2为木材裂纹重建图像
21.图3为木材腐蚀重建图像
22.图4为木材空洞重建图像
具体实施方式
23.下面将结合附图和具体实施方法对本发明进行详细的说明。
24.本发明涉及一种基于电阻抗成像的含水木材缺陷检测方法，其中涉及到电阻率仪和电阻抗成像系统。
具体操作方法如附图1，包括以下步骤：
25.步骤1，在室温条件下，准备含水的待测木材，采用电导率仪测量出木材的初始电导率，作为先验值；
26.步骤2，在电场有限元仿真软件中建立含水木材模型，并添加材料属性和相关边界条件，选择细化的网格剖分，进行求解；
27.步骤3，提取仿真模型求解得到的边界电压并进行数据处理，得到边界电压与木材电导率的映射关系，编写木材断层成像程序；
28.步骤4，在待测木材上安装电阻抗成像系统，采用相邻电极激励的模式并进行轮换，逐次采集剩余电极的电压，得到边界电压矩阵；
29.步骤5，将边界电压矩阵导入木材断层成像程序，重建出木材内部的电导率分布；采用优化的l1正则化算法，求取场域电导率向量，再进行规一化处理，实现木材内部缺陷的可视化成像。
30.具体地，木材内部裂纹、腐蚀和空洞成像效果分别如附图2～4所示。
31.以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。


技术特征：
1.一种基于电阻抗成像的含水木材缺陷检测方法，其特征在于：首先，用电导率测试仪测出含水木材的初始电导率，作为先验值；再在电场有限元仿真软件中建立含水木材模型，求解边界电压信息；将所得的边界电压数据进行处理，得到边界电压与木材电导率的映射关系，编写木材断层成像程序；然后，在待测木材上安装电阻抗成像系统，通过轮换相邻电极的激励模式得到边界电压矩阵；最后，基于优化后的l1正则化算法重建待测木材内部的电导率分布，实现木材不同缺陷的可视化成像。所述一种基于电阻抗成像的含水木材缺陷的检测方法，其特征在于：包括以下具体步骤：步骤1，在室温条件下，准备含水的待测木材，采用电导率仪测量出木材的初始电导率，作为先验值；步骤2，在电场有限元仿真软件中建立含水木材模型，并添加材料属性和相关边界条件，进行求解；步骤3，提取仿真模型求解得到的边界电压并进行数据处理，得到边界电压与木材电导率的映射关系，编写木材断层成像程序；步骤4，在待测木材上安装电阻抗成像系统，采用相邻电极激励的模式并进行轮换，逐次采集剩余电极的电压，得到边界电压矩阵；步骤5，将边界电压矩阵导入木材断层成像程序，重建出木材内部的电导率分布；采用优化的l1正则化算法，求取场域电导率向量，再进行规一化处理，实现木材内部缺陷的可视化成像。2.据权利要求1所述的一种基于电阻抗成像的含水木材缺陷检测方法，其特征在于：在电场有限元仿真软件中建立含水木材模型，得到边界电压与木材电导率之间的映射关系。3.据权利要求1所述的一种基于电阻抗成像的含水木材缺陷检测方法，其特征在于：采用木材断层成像程序重建木材内部的电导率分布，实现木材不同缺陷的可视化成像。4.据权利要求1所述的一种基于电阻抗成像的含水木材缺陷检测方法，其特征在于：步骤4中采用电流激励-相邻测量模式，通过转换电极激励进行边界电压采集，16电极轮换，测量208个边界电压值。5.据权利要求1所述的一种基于电阻抗成像的含水木材缺陷检测方法，其特征在于：采用优化的l1正则化算法，可有效提高含水木材缺陷断层成像的质量。

技术总结
本发明涉及一种基于电阻抗成像的含水木材缺陷检测方法，它主要是解决以应力波、射线等为主的现有检测方法存在成本高、成像精度低等问题。该方法不仅可以对木材缺陷进行可视化成像，而且具有安全、无损、低成本等优点。其技术方案要点是：首先，用电导率测试仪测出含水木材初始的电导率，作为先验值；再在电场有限元仿真软件中建立含水木材模型，求解边界电压信息；将所得的边界电压数据进行处理，得到边界电压与木材电导率的映射关系，编写木材断层成像程序；然后，在待测木材上安装电阻抗成像系统，通过轮换相邻电极的激励模式得到边界电压矩阵；最后，基于优化后的L1正则化算法重建待测木材内部的电导率分布，实现木材不同缺陷的可视化成像。的可视化成像。的可视化成像。


技术研发人员：徐志远 曾辉 金俊奇 朱学成
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：2022.01.07
技术公布日：2022/4/22