隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長，家具、地板等木制品消費(fèi)量將急速上升。2003 年，中國木地板銷量已躍居世界第一。雖然我國是地板生產(chǎn)大國，但還不是強(qiáng)國。中國的地板生產(chǎn)企業(yè)普遍存在問題，如設(shè)備落后，人員素質(zhì)不高，管理不到位，產(chǎn)品質(zhì)量檔次低且不穩(wěn)定，及在國際市場中沒有著名品牌產(chǎn)品。而木板顏色分選是影響木板生產(chǎn)質(zhì)量的重要工序 。經(jīng)調(diào)查，國內(nèi)木板分選主要利用人工根據(jù)顏色依靠經(jīng)驗(yàn)判斷或者利用濾光片觀測進(jìn)行分選地板，不僅需要耗用大量的人力而且由于人工判斷，容易疲勞、花眼，使分選精度低，板色不均勻，所生產(chǎn)的地板質(zhì)量不高。另外，由于成本的制約，難以增加較多的分選層次。因此，有必要研究一種木板（如竹材、人造板、木材、裝飾單板等）顏色自動(dòng)分選的系統(tǒng)，以滿足市場對(duì)地板質(zhì)量的要求。

1 系統(tǒng)測色原理和方案

1.1 測色原理和色差

1.1.1 測色原理

國際照明委員會(huì) CIE 認(rèn)為在一定的照明條件下，可由三個(gè)接受器來接受物體的反射（或透射）光測試物體的顏色，而這三個(gè)接受器（測量值稱為三刺激值：（X、Y、Z）的光譜條件如圖1 所示。根據(jù)CIE 所推薦的測色原理，儀器的光譜特性的總體響應(yīng)（儀器光源、光學(xué)系統(tǒng)和探測器三者的綜合響應(yīng)）等價(jià)于被測物體在CIE 標(biāo)準(zhǔn)照明D65 及10℃視場色匹配函數(shù)下的三刺激值。

圖1 三刺激值的光譜曲線圖

1.1.2 色差

色差△E 是指兩種顏色之間的差異。顏色包含色調(diào)、飽和度和高度三個(gè)特征，而色差△E就是這三個(gè)因素的綜合差異。CIE 在1967 年推薦使用L*·a*·b*均勻空間的概念，用以更好地*價(jià)色差，L*稱為米制明度而a*·b*為米制色度。求得L*·a*·b*后，可求得色差△E。相關(guān)公式如下：

其中，下標(biāo)2 為被測物的測量值，下標(biāo)1 為參考物的測量值。本系統(tǒng)中參考值是使用了標(biāo)準(zhǔn)白板的色差值L*=100，a*=0，b*=0。

1.2 總體方案

隨著測試技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生，為自動(dòng)化測試系統(tǒng)的研發(fā)開辟了一條新途徑[3-6]。本文采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)木板自動(dòng)分選系統(tǒng)。系統(tǒng)利用具有三個(gè)接受器的探測器采集被測物（木板）的顏色，并輸出電壓，信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入PC 機(jī)。通過電壓與顏色刺激值的標(biāo)定關(guān)系計(jì)算出相應(yīng)的刺激值，然后再與設(shè)定值進(jìn)行比較，推算得到色差。最后，根據(jù)色差大小和范圍進(jìn)行分成8 類，輸出相應(yīng)的開關(guān)控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

系統(tǒng)軟件選擇了虛擬儀器軟件 LabVIEW。軟件實(shí)現(xiàn)的功能為：（1）對(duì)積分球輸出的電壓進(jìn)行測量；（2）計(jì)算出被測物的色差值；（3）根據(jù)用戶的要求設(shè)定色差的范圍；（4）按分選結(jié)果輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，將同一色差范圍木板分選在一起；（5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示。

2 硬件組成

系統(tǒng)由探測器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡（DAQ 卡）、個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC 機(jī)）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 示。

圖2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

探測器包括光源、濾色片和積分球等。積分球的基本原理是光源發(fā)出的光線經(jīng)過濾光片照射到待測的樣本上，不同顏色的樣本會(huì)反射不同波段的光，反射的光一部分光被吸收井吸收，另外一部分光反射到積分球壁上的三個(gè)硅光電池上。當(dāng)不同波段和強(qiáng)度的光照在硅光電池上，電池會(huì)產(chǎn)生不同大小的電壓。三個(gè)硅光電池產(chǎn)生的電壓反映該樣本的三個(gè)刺激值。積分球內(nèi)的硅光電池輸出的是微弱電壓，需要實(shí)現(xiàn)電壓濾波和放大的信號(hào)調(diào)理功能。信號(hào)調(diào)理模塊采用NI的SCXI，包括機(jī)座SCXI-1000、應(yīng)力應(yīng)變模塊組SCXI-1520 和SCXI-1314，調(diào)理模塊提供1～1000 的增益、10Hz～10kHz 的可編程模擬濾波器、0～10V 的激勵(lì)直流電壓、自動(dòng)調(diào)零、橋路補(bǔ)償?shù)裙δ埽€可以調(diào)理一般的模擬電壓。在系統(tǒng)中，通過軟件選擇了10Hz 的硬件濾波。

數(shù)據(jù)采集卡采用 NI 的PCI-6024E 型DAQ 卡，是基于PCI 總線的12 位多功能數(shù)據(jù)采集卡，最高采樣速率200kS/s，16 個(gè)單端模擬輸入（或8 個(gè)差分模擬輸入），8 個(gè)數(shù)字輸入/輸出，2 個(gè)模擬輸出，2 個(gè)20MHz、24 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)A/D、D/A 功能。PC 機(jī)的CPU 為 AMD 2500+（64 位），主頻為1.4GHz，內(nèi)存512Mb。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用日本東方電機(jī)生產(chǎn)的 5 相步進(jìn)電機(jī)UPK596BW2，其基本步距角為0.72°，保持轉(zhuǎn)矩2.1N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 為1400×10-7kg·m2，配合使用的驅(qū)動(dòng)器為UDK5114NW2，功能是模擬現(xiàn)場的分選機(jī)構(gòu)，執(zhí)行轉(zhuǎn)向命令。

3 軟件設(shè)計(jì)

利用圖形化的虛擬儀器軟件 LabVIEW 專業(yè)開發(fā)版編寫操作界面，配有Report GenerationToolkit 工具包。

軟件采用模塊化的思想，將整體結(jié)構(gòu)分為主操作控制模塊、自動(dòng)檢測模塊、信息處理模塊和輔助模塊，并分頁顯示。每個(gè)模塊下又細(xì)分為子模塊，如數(shù)據(jù)儲(chǔ)存子模塊、報(bào)表顯示打印子模塊、歷史回訪子模塊、重要參數(shù)修改子模塊（需要輸入密碼才可見參數(shù)值）、統(tǒng)計(jì)分析子模塊（顯示最大值、最小值和平均值等）、幫助系統(tǒng)子模塊、用戶管理子模塊等。以數(shù)據(jù)儲(chǔ)存子模塊為例，當(dāng)信號(hào)采集完成后，數(shù)據(jù)直接存入 EXCEL，格式為時(shí)間、日期、三刺激值、色差等參數(shù)，并同時(shí)在數(shù)據(jù)旁邊描繪出散點(diǎn)圖。

主操作控制界面分為控制和顯示兩個(gè)區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集的控制和顯示。顯示部分包括三個(gè)通道輸出電壓、三刺激值、L*?a*?b*、色差△E 等顯示，超過極限亮燈顯示并且發(fā)出鳴叫聲音，日期時(shí)間顯示，變化趨勢顯示等；控制部分包括存儲(chǔ)數(shù)據(jù)頻率、控制開關(guān)、初始值、極限值等設(shè)置，主操作界面見圖3 所示。程序最后生成.EXE 的文件，脫離LabVIEW 運(yùn)行。

圖3 主操作界面

4 標(biāo)定與誤差分析

系統(tǒng)與高精密的毫伏表（精度為 0.01mV）同時(shí)測量微弱電壓，在范圍0～500mV 選擇45 個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行比較，系統(tǒng)測量誤差絕對(duì)值最大為2.1mV，平均為0.9mV；相當(dāng)誤差絕對(duì)值最大為1.2％，平均為1.0％。以上海精密科學(xué)儀器有限公司的 WSC—S 測色色差計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，測量數(shù)據(jù)如表1 所示。WSC—S 測色色差計(jì)是一種性能優(yōu)越，用途廣泛而又操作方便的測色計(jì)，適用于測定各種物體的反射色，測試頭幾何條件滿足CIE 規(guī)定，配有標(biāo)準(zhǔn)白板用以校正。可以測試物體的白度、色度以及色差，數(shù)字顯示。

刺激值 X 與系統(tǒng)測量電壓回歸方程如下：

X= 2009.1Ux－170.49，

式中：X——刺激值，

Ux——系統(tǒng)測量電壓值，V，

用軟件 SPSS 分析得相關(guān)系數(shù)R 2= 0.9982，相關(guān)性極顯著。

刺激值 Y 與系統(tǒng)測量電壓回歸方程如下：

Y= 1151.4Uy－184.75，

式中，Y——刺激值，

Uy——系統(tǒng)測量電壓值，V，

用軟件 SPSS 分析得相關(guān)系數(shù)R2 = 0.9997，相關(guān)性極顯著。

刺激值 Z 與系統(tǒng)測量電壓回歸方程如下：

Z= 3188.7Uz－192.61，

式中，Z——刺激值，

Uz——系統(tǒng)測量電壓值，V，

用軟件 SPSS 分析得相關(guān)系數(shù)R 2= 0.9991，相關(guān)性極顯著。

5 系統(tǒng)性能測試

將回歸方程結(jié)果以及公式（1）、（2）、（3）、（4）應(yīng)用到LabVIEW 程序中求解△E，取5個(gè)樣品用于檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能，數(shù)據(jù)誤差分析如表2 所示。

結(jié)果表明：測量的色差值的絕對(duì)誤差的絕對(duì)值最大為 5.097，絕對(duì)誤差的絕對(duì)值平均為3.038；相對(duì)誤差的絕對(duì)值最大為2.58%，相對(duì)誤差的絕對(duì)值平均為1.56%。

另外，WSC-S 測色色差計(jì)每測量一個(gè)數(shù)據(jù)要10 秒，而本系統(tǒng)可以用戶設(shè)置根據(jù)需要設(shè)置測量周期。

6 結(jié)論

本文介紹了一種基于虛擬儀器技術(shù)的木板自動(dòng)分選系統(tǒng)。系統(tǒng)能測量木板的顏色，并根據(jù)色差最多輸出8 個(gè)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置，實(shí)現(xiàn)木板自動(dòng)分選。測量的色差值的絕對(duì)誤差的絕對(duì)值最大為5.097，絕對(duì)誤差的絕對(duì)值平均為3.038；相對(duì)誤差的絕對(duì)值最大為2.58%，相對(duì)誤差的絕對(duì)值平均為1.56%。系統(tǒng)應(yīng)用反映了系統(tǒng)操作界面友好直觀方便，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)直接讀入EXCEL，硬盤儲(chǔ)存。系統(tǒng)擴(kuò)展容易，本系統(tǒng)還有5 個(gè)SCXI 通道空余，可同時(shí)測量2 個(gè)樣品。