多年来，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，其中有“南林－1型"原木直径光电测量仪、瑞典的“雷玛"型、美国的“大气科学"型等，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(史伯章等，1979)。本文采用一维线阵CCD，利用照相机镜头成像的方法，通过调节镜头焦距就能获得木材直径的一维图像，打破了其他检测装置用平行光扫描的局限性，消除了光线不平行带来的误差，省去了平行光产生、扫描、会聚装置(如抛物镜等)，使复杂精密的光学系统简单化，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，并将测量结果写入计算机数据库，以条形码式打印输出，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 1.1 CCD传感器工作原理

电荷耦合器件CCD(charge coupled device)是一种金属氧化物——半导体结构的新型图像传感器(王庆有等，2000)，它能存储由光产生的信号电荷，当对它施加特定的时序信号时，其存储的信号电荷便可在CCD内部做定向传输实现自扫描，由于它具有测量精度高、稳定性好、噪声小等优点，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CCD传感器，其芯片采用TCD1206SUP双沟道线阵CCD器件，CCD数据采集采用天津跃辉公司生产的ADA12GH-PCI数据采集卡, 其原理如图 1所示。行同步脉冲FC的上升时应于线阵CCD的首个存放的输出信号像元，同步脉冲SP脉冲为每个像元的最佳输出信号时间，FC则是线阵CCD的积分时间(或周期)，高电平期间CCD输出有效信号，M₃-M_o为积分时间的控制电平，为与之相接的线阵CCD提供积分时间的控制，也是通过软件控制积分时间的手段，FC、SP、U₀时序简图如图 2所示，CCD驱动器接口功能如表 1所示。

1.2 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CCD测量程序测量板材的宽度，需要在木材运输链上合适的位置装上2对光电门(刘子义等，1986)，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。

1.3 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，本文采用大恒公司生产的8位AC6610 A/D转换OEM卡，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，在软件操作下，选通某一输入通道，该通道模拟信号被送到A/D转换器。AC6610采用CH-PCI接口芯片及门阵列作为主控芯片，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Ⅰ和光电门Ⅱ组成，光电门的输出经电平转换电路接到AC6610A/D数据采集卡的CH₁和CH₂通道，光电门没有被板材挡光时，其输出电平为“0"，当板材挡住光电门时，光电门输出电平约为4.7 V，其逻辑电平为“1"，计算机用程序查询的办法不断询问CH₁、CH₂通道，当板材在传输链上前进时，其头部先挡住光电门Ⅰ，使CH₁通道由“0"→“1"，这时2通道的状态分别为“1"和“0"，一旦程序查询到这种状态时，就记录当时时刻t₁，木材在运输链上继续前进，当又挡住了光电门Ⅱ时，使CH₂的状态为“1"，这时程序调用CCD数据采集程序，测出木材头部的宽度W₁，通常2个光电门间的距离为20 cm，所以W₁为距板材头部10 cm处直径，当木材在运输链上继续前进尾部离开光电门Ⅰ时，使CH₁、CH₂的状态为“0"和“1"时，这时程序记住当前时刻t₂，长度测量结束，同时程序调用CCD数据采集程序, 测出板材尾部的宽度W₂，计算机程序算出时间ΔT=t₂-t₁，并和程序内预先设定的木材运动速率相乘，其结果即为木材的长度。CCD 2次测出木材的头部宽度和尾部宽度，由计算机程序计算出木材平均宽度W，在CRT上显示并存入数据库，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，其线速度约为0.1 m·s^-1，在传输链的中部有2个金属滚筒，滚筒表面线速度和传输链的线速度相同，滚筒表面高出链条表面约1 cm，以保证板材在运动过程中匀速平稳，滚筒中部是一个高约2 m的扁平暗箱，暗箱的上方安装有一维线阵CCD摄像镜头，滚筒间为摩砂的红色玻璃板，玻璃板的下方是由约30只高亮度发光二极管组成的线阵光源，在暗箱的前后方分别装有2对光电门Ⅰ和Ⅱ。

当运输链上没有板材通过时，一维线阵CCD的2 048个像敏单元均被光源照亮，其输出均为高电平(王庆有，2000)，为一条直线，当木材运动到灯箱上面时，部分CCD像敏元被挡光，被挡光像敏元输出为低电平，其电压输出曲线中部出现凹陷状态，如图 3所示。

计算机对数据进行二值化处理(薛华等，2006)，进行二值化处理时可先设定阈值，例如阈值设定为1 000，当经过A/D转换后其值大于1 000时为“1"，低于1 000时为“0"，可见CCD像元中其值为“0"的像元数和板材的宽度成正比，因此乘以一个常数后即为木材的宽度。计算机采用C++编程(钱能，1994)，计算机程序流程框图如图 4所示。

3 板材自动测量结果误差分析 3.1 板材宽度测量误差分析

CCD传感器测量光路图如图 5所示。图中D为CCD的像元总长度，f为照相机镜头焦距，H为被测板材离镜头复合焦平面的距离，W_max为能测量的最大板材直径，由图中的几何关系可看出:W_max/H=D/f，即W_max=DH/f。本文采用的CCD芯片含2 048个像敏元, 其量化误差为W_max/m，m为CCD有效像敏元的个数, 如果被测木材宽度为1 000 mm，则W_max/m=1 000/2 048=0.49 mm。考虑到板材的两边，则最大误差为1 mm, 经过多次测量和实际使用，其宽度测量的最大绝对误差均小于1 mm。当使用的照相机镜头焦距为50 mm，H=1 750 mm，D=28.67 mm时, 则W_max=DH/f= 1 003.45 mm≈100 cm，即该仪器所测板材宽度量程为100 cm。

3.2 木材板材长度测量的误差估计

板材长度L的测量是由计算机根据下式计算L=V×(t₂-t₁)，式中V为木材运输链的线速度，t₁为光电门Ⅰ被挡光的时刻，t₂为光电门Ⅰ出光的时刻，由误差理论可知：ΔL/L=ΔV/V+Δ(t₂-t₁)/(t₂-t₁)。一般取运输链的速度为0.1 m·s^-1。如果测定一块长2 m的板材，则t₂-t₁约为20 s。如果计算机计时的极限误差Δ(t₂-t₁)取2 ms，则Δ(t₂-t₁)/(t₂-t₁)的值约为0.001%，可忽略不计。而运输链速度的相对误差ΔV/V则由驱动三相交流电机转速的相对误差Δn₀/n₀决定。目前，我国电网频率不稳定度≤1%，故ΔL/L≈1%。这里进行的分析，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，实际证明木材长度的测量精度主要由运输链的性能决定，一般情况下完全可达1%的精度。表 2、3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，手工测量使用的工具为钢卷尺，最小分度值为1 mm，计算机程序计算时最小单位为1 mm。

从表 2中可以看出，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，测量值和实际值之间有一定的误差，但其相对误差均小于1%，对仪器的运输链的机械部分进行改进，有望可以使测量精度进一步提高，实际上板材长度测量1%的精度己可达到生产工艺的要求。从表 3中可以看出该仪器在测量板材宽度时精度很高，其绝对误差均可小于1 mm。

4 结论

1) 该系统采用一维线阵CCD图像传感器测量板材宽度，测量绝对误差小于1 mm，采用光电门挡光和计算机计时的方法测定板材长度，其相对误差E≤1%。

2) 在电路设计时采用了工控机、OEM卡和抗干扰(诸邦田，1994)，使该系统工作的可靠性大大提高，程序设计采用C++语言，菜单式页面，可方便对测量参数进行校正，提高了测量精度。

3) 采用计算机技术，板材测量数据可直接进入计算机数据库，以便企业管理人员查询，并可使用热转印条码打印机以条形码的形式输出，实现了木材的信息化管理，提高了企业的现代化水平。以一个每天消耗50 m³板材的家具厂为例，如果用手工测定数据，再将数据输入数据库后打印成条形码，约需要8名工人。现采用板材自动测量仪，则仅需要2名工人，因此该仪器的使用提高了测量精度，节约了劳动成本。

4) 由于本系统为无接触式连续测量，如果适当改变系统软件，可测量原木体积或其他工业产品的外形尺寸, 具有一定的推广应用价值。