全 文 ：第 ww卷 第 u期
u s s {年 u 月
林 业 科 学
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板材尺寸自动检测仪的研究
封维忠 王建文 滕 辉 宋换荣
k南京林业大学信息科学技术学院 南京 utssvzl
关键词 } ≤≤⁄~自动测量 ~仪器 ~外形尺寸
中图分类号 }בv{y 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kuss{lsu p styx p sw
收稿日期 }ussy p ts p tu ∀
基金项目 }南京林业大学创新基金kszs|zwsszl ∀
Αν Ινστρυµεντ φορ Αυτο2Μεασυρινγ τηε Ωιδτη ανδ Λενγτη οφ Ωοοδ Βοαρδ
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kΧολλεγε οφ Ινφορµατιον Σχιενχε ανδ Τεχηνολογψo Νανϕινγ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Νανϕινγ utssvzl
Αβστραχτ} „±¬±¶·µ∏°¨ ±·©²µ¤∏·² °¨ ¤¶∏µ¬±ª·«¨ º¬§·«¤±§¯¨ ±ª·«²© º²²§¥²¤µ§º«¬¦«¥¤¶¨§²±·«¨ ²±¨ 2§¬°¨ ±¶¬²±¤¯ ¬¯±¨ ¤µ
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Κεψ ωορδσ} ≤≤⁄k¦«¤µª¨ ¦²∏³¯ §¨§¨√¬¦¨l ~¤∏·²2°¨ ¤¶∏µ¬±ª~¬±¶·µ∏°¨ ±·~¥²∏±§¤µ¼ §¬°¨ ±¶¬²±
多年来 o实现木材自动检测是国内外科学工作者努力想解决的难题之一 o其中有/南林 p t型0原木直径
光电测量仪 !瑞典的/雷玛0型 !美国的/大气科学0型等 o其原理大致采用激光扫描 !平面镜反射 !抛物镜聚焦 !
光电管接收的方获得一系列脉冲信号k史伯章等 ot|z|l ∀本文采用一维线阵 ≤≤⁄o利用照相机镜头成像的方
法 o通过调节镜头焦距就能获得木材直径的一维图像 o打破了其他检测装置用平行光扫描的局限性 o消除了
光线不平行带来的误差 o省去了平行光产生 !扫描 !会聚装置k如抛物镜等l o使复杂精密的光学系统简单化 o
降低了成本 ∀该仪器可以自动测量木材板材的头尾宽度和长度 o并将测量结果写入计算机数据库 o以条形码
式打印输出 o实现了木材尺寸测定的自动化和信息化 ∀该仪器已成功应用于广东省东莞市某家具生产企业 ∀
1 基本原理
t1t ≤≤⁄传感器工作原理 电荷耦合器件 ≤≤⁄k¦«¤µª¨ ¦²∏³¯ §¨§¨√¬¦¨l是一种金属氧化物 ) ) ) 半导体结构的
新型图像传感器k王庆有等 ousssl o它能存储由光产生的信号电荷 o当对它施加特定的时序信号时 o其存储的
信号电荷便可在 ≤≤⁄内部做定向传输实现自扫描 o由于它具有测量精度高 !稳定性好 !噪声小等优点 o因而
在遥感遥测 !天文测量 !非接触工业检测 !光学图像处理等领域得到了广泛的应用 ∀本文采用天津跃辉公司
生产的一维线性 ≤≤⁄传感器 o其芯片采用 ×≤⁄tusy≥˜°双沟道线阵 ≤≤⁄器件 o≤≤⁄数据采集采用天津跃辉
公司生产的 „⁄„tuŠ‹2°≤Œ数据采集卡 o其原理如图 t所示 ∀行同步脉冲 ƒ≤ 的上升时应于线阵 ≤≤⁄的首个
存放的输出信号像元 o同步脉冲 ≥°脉冲为每个像元的最佳输出信号时间 oƒ≤ 则是线阵 ≤≤⁄的积分时间k或
周期l o高电平期间 ≤≤⁄输出有效信号 ov p ²为积分时间的控制电平 o为与之相接的线阵 ≤≤⁄提供积分时
间的控制 o也是通过软件控制积分时间的手段 oƒ≤ !≥° !˜s 时序简图如图 u所示 o≤≤⁄驱动器接口功能如表 t
所示 ∀
t1u 光电门及其整形电路 为了测量板材的长度和在适当的时刻调用计算机 ≤≤⁄测量程序测量板材的宽
度 o需要在木材运输链上合适的位置装上 u对光电门k刘子义等 ot|{yl o光电门是由装有聚光透镜的发射源
和以光电三极管为核心的光电检测电路及整形电路组成 ∀
图 t „⁄„tuŠ‹2°≤数据采集卡原理图
ƒ¬ªqt ׫¨ ²µ¼ ²© „⁄„tuŠ‹2°≤ §¤·¤¤¦´∏¬¶¬·¬²± ¦«¬³
图 u ≤≤⁄信号时序简图
ƒ¬ªqu ≤≤⁄¶¬ª±¤¯ ·¬°¨¶¨ ∏´¨ ±¦¨
表 1 ΧΧ∆驱动接口功能表
Ταβ . 1 ΧΧ∆ δριϖερ πορτσφυνχτιονσ
信号名称
≥¬ª±¤¯ ±¤°¨
功能描述
ƒ∏±¦·¬²±¤¯ §¨¶¦µ¬³·¬²±¶
输入Π输出
Œ±³∏·Π’∏·³∏·
≥°
IJ
v p  ’
˜s
n x∂
n tu∂
Š‘⁄
像元同步信号 °¬¬¨¯¶¼±¦«µ²±²∏¶¶¬ª±¤¯
行同步信号 •²º ¶¼±¦«µ²±²∏¶¶¬ª±¤¯
积分时间设置电平 Œ±·¨ªµ¤¯ ·¬°¨ ¶¨·¯ √¨¨¯
≤≤⁄模拟输出信号 „±¤¯²ª∏¨ ²∏·³∏·¶¬ª±¤¯ ²© ≤≤⁄
≤≤⁄放大器电源 ׫¨ ³²º µ¨²© ≤≤⁄¤°³¯¬©¬¨µ
≤≤⁄芯片工作电源 • ²µ®¬±ª³²º µ¨²© ≤≤⁄
地线 Šµ²∏±§º¬µ¨
输入 Œ±³∏·
输入 Œ±³∏·
输出 ’∏·³∏·
输入 Œ±³∏·
输出 ’∏·³∏·
输出 ’∏·³∏·
输出Π输入 ’∏·³∏·ΠŒ±³∏·
图 v 木材自动测量仪界面
ƒ¬ªqv ˜¶¬±ªº¬±§²º ²©¤∏·²2° ¤¨¶∏µ¬±ª¬±¶·µ∏°¨ ±·
t1v 光电门的输出和计算机的
接口电路 为了使光电门控制电
路和计算机接口 o本文采用大恒
公司生产的 {位 „≤yyts „Π⁄转
换 ’∞ 卡 o模拟电压信号通过输
入插座分别接到模拟输入多路开
关上 o在软件操作下 o选通某一输
入通道 o该通道模拟信号被送到
„Π⁄转换器 ∀ „≤yyts 采用 ≤‹2
°≤Œ接口芯片及门阵列作为主控
芯片 o门阵列控制模拟输入及开关量 ∀
2 板材长度和宽度的测定
板材长度的测量由安装在木材运输链上的光电门 ´和光电门 µ组成 o光电门的输出经电平转换电路接
到 „≤yyts„Π⁄数据采集卡的 ≤‹t 和 ≤‹u 通道 o光电门没有被板材挡光时 o其输出电平为/ s0 o当板材挡住光
电门时 o光电门输出电平约为 w1z ∂ o其逻辑电平为/ t0 o计算机用程序查询的办法不断询问 ≤‹t !≤‹u 通道 o
当板材在传输链上前进时 o其头部先挡住光电门 ´ o使 ≤‹t 通道由/ s0 ψ / t0 o这时 u通道的状态分别为/ t0和
/ s0 o一旦程序查询到这种状态时 o就记录当时时刻 τt o木材在运输链上继续前进 o当又挡住了光电门 µ时 o使
≤‹u 的状态为/ t0 o这时程序调用 ≤≤⁄数据采集程序 o测出木材头部的宽度 Ωt o通常 u个光电门间的距离为
us ¦°o所以 Ωt 为距板材头部 ts ¦°处直径 o当木材在运输链上继续前进尾部离开光电门 ´时 o使 ≤‹t !≤‹u
的状态为/ s0和/ t0时 o这时程序记住当前时刻 τu o长度测量
结束 o同时程序调用 ≤≤⁄数据采集程序 o测出板材尾部的
宽度 Ωu o计算机程序算出时间 ∃Τ € τu p τt o并和程序内预
先设定的木材运动速率相乘 o其结果即为木材的长度 ∀
≤≤⁄u次测出木材的头部宽度和尾部宽度 o由计算机程序
计算出木材平均宽度 Ω o在 ≤• × 上显示并存入数据库 o还
可以条形码形式打印输出 ∀
在板材自动测量仪的两端装有电动机驱动的链式传输
带 o其线速度约为 s1t °#¶pt o在传输链的中部有 u个金属
滚筒 o滚筒表面线速度和传输链的线速度相同 o滚筒表面高
出链条表面约 t ¦° o以保证板材在运动过程中匀速平稳 o滚
筒中部是一个高约 u °的扁平暗箱 o暗箱的上方安装有一
维线阵 ≤≤⁄摄像镜头 o滚筒间为摩砂的红色玻璃板 o玻璃
yyt 林 业 科 学 ww卷
图 w 计算机程序流程框图
ƒ¬ªqw ≤²°³∏·¨µ³µ²ªµ¤° ©¯²º ¦«¤µ·
板的下方是由约 vs只高亮度发光二极管组成的线阵光
源 o在暗箱的前后方分别装有 u对光电门 ´和 µ ∀
当运输链上没有板材通过时 o一维线阵 ≤≤⁄的 u sw{
个像敏单元均被光源照亮 o其输出均为高电平k王庆有 o
usssl o为一条直线 o当木材运动到灯箱上面时 o部分 ≤≤⁄
像敏元被挡光 o被挡光像敏元输出为低电平 o其电压输出
曲线中部出现凹陷状态 o如图 v所示 ∀
计算机对数据进行二值化处理k薛华等 oussyl o进行
二值化处理时可先设定阈值 o例如阈值设定为 t sss o当经
过 „Π⁄转换后其值大于 t sss时为/ t0 o低于 t sss时为
/ s0 o可见 ≤≤⁄像元中其值为/ s0的像元数和板材的宽度
成正比 o因此乘以一个常数后即为木材的宽度 ∀计算机
采用 ≤ n n编程k钱能 ot||wl o计算机程序流程框图如图 w
所示 ∀
3 板材自动测量结果误差分析
v1t 板材宽度测量误差分析 ≤≤⁄传感器测量光路图
如图 x所示 ∀图中 ∆为 ≤≤⁄的像元总长度 oφ为照相机
镜头焦距 oΗ为被测板材离镜头复合焦平面的距离 oΩ°¤¬
为能测量的最大板材直径 o由图中的几何关系可看出Β
Ω°¤¬ΠΗ€ ∆Πφo即 Ω°¤¬ € ∆ΗΠφ∀本文采用的 ≤≤⁄芯片含 u
sw{个像敏元 o其量化误差为 Ω°¤¬Πµ oµ 为 ≤≤⁄有效像敏
元的个数 o如果被测木材宽度为 t sss °° o则 Ω°¤¬Πµ €
t sssΠu sw{ € s1w| °°∀考虑到板材的两边 o则最大误差
为 t °° o经过多次测量和实际使用 o其宽度测量的最大绝
对误差均小于t °°∀当使用的照相机镜头焦距为 xs °°o
Η€ t zxs °°o ∆ € u{1yz °° 时 o 则 Ω°¤¬ € ∆ΗΠφ €
t ssv1wx °° Υ tss ¦°o即该仪器所测板材宽度量程为
图 x ≤≤⁄测量光路图
ƒ¬ªqx °«²·²·«¨²µ¼ ²© ≤≤⁄ °¨ ¤¶∏µ¬±ª
tss ¦°∀
v1u 木材板材长度测量的误差估计 板材长度 Λ的测量
是由计算机根据下式计算 Λ€ ς≅ kτu p τtl o式中 ς为木材
运输链的线速度 oτt 为光电门 ´被挡光的时刻 oτu 为光电门
´出光的时刻 o由误差理论可知 }∃ΛΠΛ € ∃ςΠς n ∃kτu p
τtlΠkτu p τtl ∀一般取运输链的速度为 s1t °#¶pt ∀如果测
定一块长 u °的板材 o则 τu p τt 约为 us ¶∀如果计算机计
时的极限误差 ∃kτu p τtl取 u °¶o则 ∃kτu p τtlΠkτu p τtl的
值约为 s1sst h o可忽略不计 ∀而运输链速度的相对误差
∃ςΠς则由驱动三相交流电机转速的相对误差 ∃νsΠνs 决
定 ∀目前 o我国电网频率不稳定度 [ t h o故 ∃ΛΠΛΥt h ∀这里进行的分析 o是在假定木材传输过程中与运输
链之间不发生相对滑动的前提下进行的 o实际证明木材长度的测量精度主要由运输链的性能决定 o一般情况
下完全可达 t h的精度 ∀表 u !v分别为被测木材长度和宽度的手工测量与仪器测量结果数据对照表 o手工
测量使用的工具为钢卷尺 o最小分度值为 t °° o计算机程序计算时最小单位为 t °°∀
zyt 第 u期 封维忠等 }板材尺寸自动检测仪的研究
表 2 木材长度测量结果对照表
Ταβ . 2 Τηε εϖαλυατιον οφ ωοοδ λενγτη µεασυρινγ
编号
‘²q
长度k手工测量l
¨±ª·«k°¤±∏¤¯ ° ¤¨¶∏µ¨°¨ ±·¶lΠ°°
长度k仪器测量l
¨±ª·«k¬±¶·µ∏° ±¨·¤¯ ° ¤¨¶∏µ¨° ±¨·¶lΠ°°
相对误差
• ¨¯¤·¬√¨ µ¨µ²µΠh
st u ywx u yvv s1wx
su u ywt u yvu s1vw
sv u ywx u yvs s1xy
sw u yv{ u yux s1w|
sx u yvu u yuw s1vs
sy u yuw u yus s1tx
sz u yvs u yus s1v{
s{ u yzy u yzs s1uu
s| u y|u u y{x s1uy
ts u zsy u y|| s1uy
从表 u中可以看出 o
板材自动测量仪测量板材
长度时由于板材和运输
链 !滚筒之间存在相对滑
动 o测量值和实际值之间
有一定的误差 o但其相对
误差均小于 t h o对仪器
的运输链的机械部分进行
改进 o有望可以使测量精
度进一步提高 o实际上板
材长度测量 t h的精度己
可达到生产工艺的要求 ∀
从表 v中可以看出该仪器在测量板材宽度时精度很高 o其绝对误差均可小于 t °°∀
表 3 木材宽度测量结果对照表
Ταβ . 3 Τηε εϖαλυατιον οφ ωοοδ ωιδτη µεασυρινγ
编号
‘²q
宽度k手工测量l
•¬§·«k°¤±∏¤¯ ° ¤¨¶∏µ¨°¨ ±·¶lΠ°°
宽度k仪器测量l
•¬§·«k¬±¶·µ∏° ±¨·¤¯ ° ¤¨¶∏µ¨° ±¨·¶lΠ°°
头部 ‹ ¤¨§ 尾部 פ¬¯ 均值  ¤¨± 头部 ‹ ¤¨§ 尾部 פ¬¯ 均值  ¤¨±
绝对误差
„¥¶²¯∏·¨ µ¨µ²µΠ°°
st vyx vwt vxv vyx vwt vxv s1s
su v|x v{z v|t v|x v{z v|t s1s
sv wus wtu wty wus wts wtx t1s
sw t{y t{w t{x t{x t{y t{y t1s
sx v{w vzw vz| v{w vzw vz| s1s
sy v{| v{{ v{| v|s v{{ v{y t1s
sz vy| vzv vzt vy| vzv vzt s1s
s{ w{w w|u w{{ w{x w|u w{| t1s
s| wuy wxs wv{ wuy wxs wv{ s1s
ts vzx vzx vzx vzy vzx vzy t1s
w 结论
tl 该系统采用一维线阵 ≤≤⁄图像传感器测量板材宽度 o测量绝对误差小于 t °° o采用光电门挡光和计
算机计时的方法测定板材长度 o其相对误差 Ε [ t h ∀
ul 在电路设计时采用了工控机 !’∞ 卡和抗干扰k诸邦田 ot||wl o使该系统工作的可靠性大大提高 o程
序设计采用 ≤ n n语言 o菜单式页面 o可方便对测量参数进行校正 o提高了测量精度 ∀
vl 采用计算机技术 o板材测量数据可直接进入计算机数据库 o以便企业管理人员查询 o并可使用热转印
条码打印机以条形码的形式输出 o实现了木材的信息化管理 o提高了企业的现代化水平 ∀以一个每天消耗
xs °v 板材的家具厂为例 o如果用手工测定数据 o再将数据输入数据库后打印成条形码 o约需要 {名工人 ∀现
采用板材自动测量仪 o则仅需要 u名工人 o因此该仪器的使用提高了测量精度 o节约了劳动成本 ∀
wl 由于本系统为无接触式连续测量 o如果适当改变系统软件 o可测量原木体积或其他工业产品的外形
尺寸 o具有一定的推广应用价值 ∀
参 考 文 献
刘子义 o封维忠 qt|{y1 ×°2{st单板机在原木光电检测中的运用 q南京林学院学报 okul }tsz p ttw q
钱 能 qt||w1 ≤ n n语言和面向对象程序设计 q北京 }清华大学出版社 o| p tt q
史伯章 o阮锡根 qt|z|1 5南林一型6原木直径光电测量仪 q南京林产工业学院学报 oktΠul }tsu p tsz q
王庆有 qusss1 用一个线阵 ≤≤⁄检测刚体瞬态平面运动的研究 q天津大学学报 okwl }w{z p w{| q
王庆有 o孙学珠 qusss1 ≤≤⁄应用技术 q天津 }天津大学出版社 owy p w{ q
薛 华 o李东涛 o熊永超 qussy1 ≤≤⁄技术在非接触检测中的运用 q煤矿机械 ouzk{l }tyu p tyx q
诸邦田 qt||w q电子电路实用抗干扰技术 q北京 }人民邮电出版社 outw p utx q
k责任编辑 石红青l
{yt 林 业 科 学 ww卷