一、引言
我国的木材资源非常短缺，同时，浪费也相当严重。例如:在古建筑房屋修复中，将腐朽和好的木材全部替换;在人造板生产质量控制中，采用破坏板材取样测试的方法。目前，在木材工业中力学性能参量测定时，都是通过取样后在实验室中测定得到，这样不仅费时而且浪费木材。由于木材是天然高分子化合物，变易性很大，取样后测得的数据与实际尺寸构件的力学性能有差别。大尺寸材料的弹性模量是一个重要参量。因此，如何能实时、非破坏地测量得到是一项具有理论和实际意义的工作。多年来人们进行了多方面的探索，如超声波法、声发射法以及应力波法等，认为应力波技术是一种有效和可靠的方法。但是，长期以来由于测量应力波的速度较困难，因此限制了它在实际中的应用。所以，如何简便而可靠地测量应力波在材料中的传播速率是这种方法能否得到实际应用的关键，一般认为测量应力波通过一定长度所用时间的方法是可行的.为此，研制了应力波时间间隔测量仪。实验表明，它在木材的腐朽探测、在线产品的质量控制等方面有广阔的应用前景。
二、原理
作为一维波动理论在匀质材料中运用。当敲击材料的一端时，应力波即产生了，并且在材料中以一定的速度传播.应力波在材料中的传播速度与材料的物理与机械性能有着密切的关系。材料的弹性模量:
P是容易得到的，但是对于速度v我们却难以获得，因为必须要能测得应力波通过两定点S之间的时间间隔t。这样才能获得v=S/t。可见，时间间隔t是一个重要的参量。为此我们研制了应力波时间间隔测量仪，它能方便而准确地测得时间间隔t.获得了应力波在材料中的传播速度，就可以对材料的物理及机械性能进行评估.然而，木材及其制品即非匀质也非各向同性的物质，因此，严格地说一维波动理论的条件在木材及其制品中是不成立的.但是，研究表明作为在工程上的应用，应力波的速率与木材及其制品的力学性能有很好的相关性，并能够作为检测的有力工具.例如，正常材料中应力波的速度大大高于腐朽材料中的应力波速度.对于具有取向的材料，如纸张和定向纤维板，在其不同方向上其应力波的速度不同，通过这种方法可以获得具有取向材料的取向度.
P是容易得到的，但是对于速度我们却难以获得，因为须要能测得应力波通过两定点S之间的时间间隔t。这样才能获得v=S/t。可见，时间间隔t是一个重要的参量。为此我们研制了应力波时间间隔测量仪，它能方便而准确地测得时间间隔t.获得了应力波在材料中的传播速度，就可以对材料的物理及机械性能进行评估.然而，木材及其制品即非匀质也非各向同性的物质，因此，严格地说一维波动理论的条件在木材及其制品中是不成立的.但是，研究表明作为在工程上的应用，应力波的速率与木材及其制品的力学性能有很好的相关性，并能够作为检测的有力工具.例如，正常材料中应力波的速度大大高于腐朽材料中的应力波速度.对于具有取向的材料，如纸张和定向纤维板，在其不同方向上其应力波的速度不同，通过这种方法可以获得具有取向材料的取向度.
应力波时间仪包括两个通道，一个是“开始”通道，另一个是“结束”通道，及一个计数和显示单元构成。两个通道的结构基本上是一样的，它们都由传感器、阻抗变换、放大、整形和计数显示单元所构成。其工作原理是:将两个加速度传感器放置在被测材料上，通过用一把锤子或其它方式敲击材料，一个应力波就产生了.当应力波到达“开始”传感器时，计数器开始工作，当它到达“结束”传感器时，计数器停止工作，并且计数值被显示。因为计数器以1MHz (100Hz)的频率工作，所以，显示值就是应力经过波“开始”与“结束”两个加速度传感器之间的微秒时间。
三、设计过程
(1)加速度传感器选用YD一42，其参数为:
加速度传感器选用YD一42，其参数为: 加速度传感器的工作原理是压电效应.当加速度传感器受振动时，将会有一个变化的力作用在压电晶片上。由于压电效应，在压电晶片的两端面出现一个变化的电荷，电荷量与承受的力成正比，因此，电荷量与加速度传感器所承受的振动加速度成正比.
(2)阻抗变换与放大单元设计电路如图1所示。
Ao是集成运算放大器LF351组成的跟随器，它具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，A1是集成运算放大器它与R1、R2、Rw二组成倒相放大电路，且其增益可调节，放大倍数是50倍.传感器的输出信号经过阻抗变换和放大单元后能得到无失真的放大并能得到所需要的信号电平。
(3)波形变换单元电路图如图2所示，其目的就是使经过放大的信号变成一个很陡的尖脉冲，用其控制时间间隔测量单元的“开始”和“结束”端。
D1 , C1和A2组成峰值检波器.施密特触发器将峰值检波器的输出信号变成具有一定宽度和上升沿的方波输出信号。C2和R3组成徽分电路，将方波信号转变成上升沿很陡的尖脉冲信号.R4,R5、R4和A3组成反向跟随器.
电压指示的作用可以监示经放大后每个通道信号幅值的大小，便于调节每个通道的放大倍数。对提高侧量的准确度和可靠性是必不可少的。
(4)微秒脉冲产生及门电路如图3所示。
本单元电路中，U1、U2、U3，与4MHz晶振组成振荡电路.双稳态电路74HC75与U4、U5及与非门W，组成门电路，计数电路cD4520作为四分频器使用，这样，其输出信号是频率为首IMH:的微秒脉冲信号。
(5)计数、译码及显示电路选用4块CD4518是计数电路，4块CD4543是译码电路，4位LCD是液晶显示器，其COM端必须接触100HZ左右的交流信号.微秒脉冲信号由CP端输入，计数后显示的数值单位是微秒。整个计数单元使用的是CMOS集成电路。因此，它具有很低的功耗和很高的精确度.
四、应力波时间仪的应用
(1)用于木材腐朽的探测，将“开始”传感器放置在一把锤子上，“结束”传感器放置在被检测的木材上，用锤子敲击试材产生应力波，应力波在材料中的传播时间可以由应力波时间间隔侧量单元测得，通常腐朽材料中的应力波时间远大于正常材料的应力波时间。表1是用美国花旗松所测得的结果。
从实验结果可以看出，正常材的速度比中度和严重腐朽材的速度快得多，因此，用应力波速度探测木材的腐朽程度是可行的。(2)用于纸张或定向纤维板的取向度的测量。如果沿定向方向测得的应力波时间为t1。旋转90度后测得的应力波时间为t2，则材料的取样度可以由下式获得:
在测量时两个不同方向上传感器之间的距离是相同的。表2是用杨木静电定向刨花板为实验材料测量结果。
目前，定向刨花板定向率的测量方法主要有两种:(1)平均定向角，但工作量大，误差也大;(2)纵横向弹性模量之比，但此法为破坏性测试方法。相比之下，应力波法具有无损、快速、连续等优点。
本文作者：胡勤龙
