基于电阻抗成像的立木无损检测系统设计.pdfVIP

摘要

立木无损检测技术的发展是实现木材资源可持续利用和提高利用率的关键，目前常用的

立木无损检测方法如应力波法、超声波法及X射线法等都会对立木造成损伤，且这些方法价

格昂贵、设备体积过大，不适合户外活立木检测。电阻抗成像技术（ElectricalImpedance

Tomography,EIT）是一种非破坏性、高效性和高精度的检测方法。其原理是在物体周围均匀

放置多个电极，注入交流激励信号，然后测量相应的边界电压。将测量到的电压数据选择合

适的算法进行图像重建，计算出生物组织内部的电导率分布，以此判断生物组织的内部结构

状态。

本文针对如何利用电阻抗成像理论对活立木内部结构中孔洞位置的定位与识别问题展开

研究，设计了一套16电极、对活立木内部孔洞进行检测与识别的电阻抗成像系统。主要工作

内容如下：

（1）设计并实现了电阻抗成像系统的激励源，主要包括信号源和电流源。信号源由

LabVIEW控制USB-6361数据采集卡产生峰峰值为4V的正弦交流电压信号，信号源后连接

一个增益为1～2倍可调的放大电路，将峰峰值4V的电压信号最高放大为峰峰值8V。电流

源选择桥式Howland电路，并在运放的输入端和负反馈端各并联一个电容，构成滞后-超前电

容补偿，保证电流源具有高输出阻抗、较好的稳定性和带宽。

（2）设计了激励电极、测量电极的多路选通电路以及信号调理电路，多路选通电路采用

相邻激励-相邻测量模式。信号调理电路包括电压跟随器、仪器仪表放大、可编程增益放大、

相敏解调以及低通滤波电路等。

（3）设计了基于LabVIEW虚拟仪器的主控程序，包括信号源、边界电压信号采集以及

多路选通电路的切换三个模块。

（4）系统性能测试，包括电流源的稳定性测试以及通道一致性检测。测试完成后，进行

实物数据采集实验，实验选择砍伐的新鲜栎树作为被测对象，通过人工钻孔模拟立木中存在

的孔洞缺陷。分别注入峰峰值为4mA和8mA的激励电流信号，测量健康、不同位置的单目

标孔洞以及不同尺寸的双目标孔洞的边界电压信号。然后通过敏感矩阵算法在Matlab中进行

图像重建。实验结果表明，该EIT系统可以实现对立木中孔洞位置的检测与定位，满足设计

要求，且具有良好的分辨率。

关键词:电阻抗成像，立木无损检测，桥式Howland恒流源，NI数据采集卡，LabVIEW，

敏感矩阵算法

Abstract

Thedevelopmentoftreenondestructivetestingtechnologyisthekeytorealizethesustainable

utilizationofwoodresourcesandimprovetheutilizationrate.Currently,thecommonlyused

nondestructivetestingmethodsoftree,suchasstresswavemethod,ultrasonicmethodandX-ray

method,willcausedamagetothetree,andthesemethodsareexpensive,theequipmentistoolarge,

notsuitableforoutdoortestingoflivingwood.ElectricalImpedanceTomography(EIT)isa

non-destructive,highefficiencyandhighprecisiondetectionmethod.Theprincipleistoplacea

numberofelectrodesuniformlyaroundtheobject,injectACexcitationsignal,andthenmeasurethe

correspondingboundaryvoltage.Themeasuredvoltagedataisselectedbyanappropriatealgo