隨著國內經濟的持續快速增長，家具、地板等木制品消費量將急速上升。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大國，但還不是強國。中國的地板生產企業普遍存在問題，如設備落后，人員素質不高，管理不到位，產品質量檔次低且不穩定，及在國際市場中沒有著名品牌產品。而木板顏色分選是影響木板生產質量的重要工序 。經調查，國內木板分選主要利用人工根據顏色依靠經驗判斷或者利用濾光片觀測進行分選地板，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，所生產的地板質量不高。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）顏色自動分選的系統，以滿足市場對地板質量的要求。

1 系統測色原理和方案

1.1 測色原理和色差

1.1.1 測色原理

國際照明委員會 CIE 認為在一定的照明條件下，可由三個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CIE 所推薦的測色原理，儀器的光譜特性的總體響應（儀器光源、光學系統和探測器三者的綜合響應）等價于被測物體在CIE 標準照明D65 及10℃視場色匹配函數下的三刺激值。

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、飽和度和高度三個特征，而色差△E就是這三個因素的綜合差異。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。相關公式如下：

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

1.2 總體方案

隨著測試技術和計算機軟硬件的發展，虛擬儀器應運而生，為自動化測試系統的研發開辟了一條新途徑[3-6]。本文采用虛擬儀器技術構建了一個木板自動分選系統。系統利用具有三個接受器的探測器采集被測物（木板）的顏色，并輸出電壓，信號經過調理后，經過數據采集卡進入PC 機。通過電壓與顏色刺激值的標定關系計算出相應的刺激值，然后再與設定值進行比較，推算得到色差。最后，根據色差大小和范圍進行分成8 類，輸出相應的開關控制信號給執行機構。

系統軟件選擇了虛擬儀器軟件 LabVIEW。軟件實現的功能為：（1）對積分球輸出的電壓進行測量；（2）計算出被測物的色差值；（3）根據用戶的要求設定色差的范圍；（4）按分選結果輸出相應的控制信號，將同一色差范圍木板分選在一起；（5）數據存儲和顯示。

2 硬件組成

系統由探測器、信號調理模塊、數據采集卡（DAQ 卡）、個人計算機（PC 機）和執行機構等組成。系統結構圖如圖2 示。

圖2 系統的結構圖

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出的光線經過濾光片照射到待測的樣本上，不同顏色的樣本會反射不同波段的光，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硅光電池上。當不同波段和強度的光照在硅光電池上，電池會產生不同大小的電壓。三個硅光電池產生的電壓反映該樣本的三個刺激值。積分球內的硅光電池輸出的是微弱電壓，需要實現電壓濾波和放大的信號調理功能。信號調理模塊采用NI的SCXI，包括機座SCXI-1000、應力應變模塊組SCXI-1520 和SCXI-1314，調理模塊提供1～1000 的增益、10Hz～10kHz 的可編程模擬濾波器、0～10V 的激勵直流電壓、自動調零、橋路補償等功能，還可以調理一般的模擬電壓。在系統中，通過軟件選擇了10Hz 的硬件濾波。

數據采集卡采用 NI 的PCI-6024E 型DAQ 卡，是基于PCI 總線的12 位多功能數據采集卡，最高采樣速率200kS/s，16 個單端模擬輸入（或8 個差分模擬輸入），8 個數字輸入/輸出，2 個模擬輸出，2 個20MHz、24 位計數器/定時器，實現A/D、D/A 功能。PC 機的CPU 為 AMD 2500+（64 位），主頻為1.4GHz，內存512Mb。執行機構采用日本東方電機生產的 5 相步進電機UPK596BW2，其基本步距角為0.72°，保持轉矩2.1N·m，轉動慣量J 為1400×10-7kg·m2，配合使用的驅動器為UDK5114NW2，功能是模擬現場的分選機構，執行轉向命令。

3 軟件設計

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

軟件采用模塊化的思想，將整體結構分為主操作控制模塊、自動檢測模塊、信息處理模塊和輔助模塊，并分頁顯示。每個模塊下又細分為子模塊，如數據儲存子模塊、報表顯示打印子模塊、歷史回訪子模塊、重要參數修改子模塊（需要輸入密碼才可見參數值）、統計分析子模塊（顯示最大值、最小值和平均值等）、幫助系統子模塊、用戶管理子模塊等。以數據儲存子模塊為例，當信號采集完成后，數據直接存入 EXCEL，格式為時間、日期、三刺激值、色差等參數，并同時在數據旁邊描繪出散點圖。

主操作控制界面分為控制和顯示兩個區，實現對數據采集的控制和顯示。顯示部分包括三個通道輸出電壓、三刺激值、L*?a*?b*、色差△E 等顯示，超過極限亮燈顯示并且發出鳴叫聲音，日期時間顯示，變化趨勢顯示等；控制部分包括存儲數據頻率、控制開關、初始值、極限值等設置，主操作界面見圖3 所示。程序最后生成.EXE 的文件，脫離LabVIEW 運行。

圖3 主操作界面

4 標定與誤差分析

系統與高精密的毫伏表（精度為 0.01mV）同時測量微弱電壓，在范圍0～500mV 選擇45 個點，進行比較，系統測量誤差絕對值最大為2.1mV，平均為0.9mV；相當誤差絕對值最大為1.2％，平均為1.0％。以上海精密科學儀器有限公司的 WSC—S 測色色差計為標準，進行標定試驗，測量數據如表1 所示。WSC—S 測色色差計是一種性能優越，用途廣泛而又操作方便的測色計，適用于測定各種物體的反射色，測試頭幾何條件滿足CIE 規定，配有標準白板用以校正。可以測試物體的白度、色度以及色差，數字顯示。

刺激值 X 與系統測量電壓回歸方程如下：

X= 2009.1Ux－170.49，

式中：X——刺激值，

Ux——系統測量電壓值，V，

用軟件 SPSS 分析得相關系數R 2= 0.9982，相關性極顯著。

刺激值 Y 與系統測量電壓回歸方程如下：

Y= 1151.4Uy－184.75，

式中，Y——刺激值，

Uy——系統測量電壓值，V，

用軟件 SPSS 分析得相關系數R2 = 0.9997，相關性極顯著。

刺激值 Z 與系統測量電壓回歸方程如下：

Z= 3188.7Uz－192.61，

式中，Z——刺激值，

Uz——系統測量電壓值，V，

用軟件 SPSS 分析得相關系數R 2= 0.9991，相關性極顯著。

5 系統性能測試

將回歸方程結果以及公式（1）、（2）、（3）、（4）應用到LabVIEW 程序中求解△E，取5個樣品用于檢驗系統的性能，數據誤差分析如表2 所示。

結果表明：測量的色差值的絕對誤差的絕對值最大為 5.097，絕對誤差的絕對值平均為3.038；相對誤差的絕對值最大為2.58%，相對誤差的絕對值平均為1.56%。

另外，WSC-S 測色色差計每測量一個數據要10 秒，而本系統可以用戶設置根據需要設置測量周期。

6 結論

本文介紹了一種基于虛擬儀器技術的木板自動分選系統。系統能測量木板的顏色，并根據色差最多輸出8 個控制信號驅動執行裝置，實現木板自動分選。測量的色差值的絕對誤差的絕對值最大為5.097，絕對誤差的絕對值平均為3.038；相對誤差的絕對值最大為2.58%，相對誤差的絕對值平均為1.56%。系統應用反映了系統操作界面友好直觀方便，響應速度快的特點。數據直接讀入EXCEL，硬盤儲存。系統擴展容易，本系統還有5 個SCXI 通道空余，可同時測量2 個樣品。