CN106018431A - 一种实木板材表面裂纹的检测系统和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实木板材表面裂纹的检测系统，包括传送台、激光发射器、支架、面阵工业相机，支架桥式架设在传送台上，沿传送台的传送方向，依次在支架上设置激光发射器和面阵工业相机，且所述的激光发射器发射到传送台上待检测实木板材表面的光源经待检测实木板材反射后被面阵工业相机接收，而面阵工业相机同时与一计算机连通。本发明同时公开了其检测方法。本发明所述检测系统和方法具有高效率，高精确度，高自动化水平的优点；且可有效降低计算数据量，实现在线检测；而将单点测量改进为多点测量，提高了检测速度和测量精度，实现了工业在线检测。

Description

一种实木板材表面裂纹的检测系统和检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测系统和检测方法，尤其是涉及一种实木板材表面裂纹的检测系统和检测方法，属于木材加工制造领域。

背景技术

由于木材本身的特点和加工过程中的所处环境的影响，木材生长过程和后续加工处理过程中不可避免会产生裂纹，宽度尺寸较大的裂纹影响木材品质，影响外观，降低出材等级率。对实木板材表面裂纹进行检测并分类一直是木材检测领域的一项重要课题。

传统的检测往往由人工来完成，检测者用目视的方法判断缺陷类型，使用卡尺或其它量具来确定裂纹缺陷的尺寸，根据裂纹的宽度尺寸大小来确定板材的开裂程度。不仅工作量大，容易造成视觉疲劳，而且测量的过程受到检测人员主观因素的影响，检测的效率和质量难以保证，难以适应大规模工业自动化生产，特别是随着消费者对产品品质要求的不断提高，依靠人工检测测量越来越不能满足当今工业领域的要求。

近年来迅速发展的以图像处理技术为基础的机器视觉技术，用摄像机对板材表面进行实时拍照，照片经数字化处理后送入计算机进行图象处理，通过参数计算对板材图片提取特征以检测表面缺陷信息，然后进行分类定等级。这种方法是用图像表征裂纹点的颜色信息来区分裂纹的，如果裂纹图像颜色信息与木材图像信息差异较大时比较有效，但是木材往往会出现多种缺陷和本身颜色的变异，因而这种仅靠颜色信息来识别裂纹的方法会出现误判，造成一定的损失，且由于自身的局限，无法利用到板材开裂后厚度和宽度方向上几何尺寸变化的根本特点，这是产生误差的主要原因。

目前，利用激光扫描法进行检测木材表面裂纹缺陷的技术正在发展，激光扫描法利用木材裂纹缺陷与其表面轮廓相关联，裂纹所在部位的厚度比正常板材的厚度薄的特征识别裂纹缺陷。具体步骤为激光位移传感器发射光源投向固定在工作台上的试件表面，而后由激光位移传感器接收试件表面的反射光，根据投射和反射光路径长短通过计算可得到测试点的轮廓厚度信息。激光位移传感器在水平方向可移动，从而可扫描并得到整个试件表面的厚度轮廓信息。通过专用处理软件把厚度轮廓转换为厚度轮廓图像，经过一系列图像处理和特征识别实现裂缝缺陷的定位和识别。这种方法可以准确测量出测量点处的裂纹信息，但是它也存在不足之处，比如检测速度慢，在实际检测时需要大量的测绘点采集才能得到木材厚度轮廓信息，所以这种方法无法适应自动化生产的需要；同时该激光扫描法是一种激光时间差式，发出激光脉冲，测量脉冲从发出到返回的时间差，换算成探头到被测物体的距离，由于光的传播速度很快，准确测量出小位移量时对时间测量的精度要求非常高，否则测量的精度难以保证，而且传感器价格也较高。

发明内容

为了克服现有技术问题，本发明的目的在于提供一种非接触、测量速度快、精度高、操作简单的实木板材表面裂纹的检测系统和检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种实木板材表面裂纹的检测系统，其特征在于，包括传送台、激光发射器、支架、面阵工业相机，支架桥式架设在传送台上，沿传送台的传送方向，依次在支架上设置激光发射器和面阵工业相机，且所述的激光发射器发射到传送台上待检测实木板材表面的光源经待检测实木板材反射后被面阵工业相机接收，而面阵工业相机同时与一计算机连通。

一种实木板材表面裂纹的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：激光发射器对传送台上经过的待检测实木板材进行激光扫描，待检测实木板材表面的激光经反射后由面阵工业相机接收；

S2：面阵工业相机将经过三角测距原理得到的待检测实木板材的厚度轮廓信息转换为待检测实木板材的厚度轮廓图像信息；

S3：计算机中的数据采集卡收集面阵工业相机的待检测实木板材的厚度轮廓图像信息，并经过计算机的分析软件分析后得到待检测实木板材的表面裂纹信息。

进一步，在S1步骤中，激光发射器对待检测实木板材发射的激光光源为扇形激光光源，且待检测实木板材表面形成的光条为一字形光条。

而在S2步骤中，所述的三角测距原理为：利用公式(I)由面阵工业相机上光点的偏移y计算得到待检测实木板材的厚度信息x，公式如下，

x＝k·y (I)

公式(I)中，x为待检测实木板材的厚度信息；y为面阵工业相机上待检测实木板材表面与基准底面的偏移，y在相机中显示为像素值；k为厚度方向单位像素的高度，所述的厚度方向单位像素的高度为面阵工业相机上待检测实木板材表面与基准底面的偏移y与待检测实木板材厚度x的线性关系系数。

且所述的k的数值公式为：k＝1/(β·sinθ)，在k的数值公式中，β为激光发射器发射光源被面阵工业相机接收后，物高与经面阵工业相机光学镜头成像后像高之比，即横向放大倍率，θ为激光发射器的轴线与面阵工业相机中物镜光轴的夹角，β和θ均可测量，且当面阵工业相机的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器距传送台高度确定时，β、θ为固定值，则k也为固定值。

更进一步，在S2步骤中，还包括利用标准量块对k值进行标定的步骤，且所述的k值标定方法为：标准量块厚度x值为已知值，被测量块的像素值y通过计算机中得到的厚度图像测得，然后将得到的标准量块厚度x值和被测量块的像素值y进行曲线拟合得到x＝k·y的曲线，根据拟合的曲线斜率，得到厚度方向单位像素的高度k值。

且在S2步骤中，待检测实木板材的厚度轮廓信息转换为待检测实木板材的厚度轮廓图像信息的方法为激光发射器发射扇形光源到待检测实木板材表面，光源经待检测实木板材反射后被面阵工业相机接收，面阵工业相机将光信号转变成电信号即待检测实木板材的厚度轮廓信息，再经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号即待检测实木板材的厚度轮廓图像信息。

此外，在S3步骤中，计算机的分析软件的分析方法为：当待检测实木板材存在裂纹缺陷时，裂纹所在处的木材厚度会突然减小，在厚度轮廓图像上，厚度曲线表现为不连续，变化剧烈，即可判断在间断处存在裂纹，然后再进行图像处理，测量空隙宽度尺寸再由宽度方向空间分辨率得到待检测实木板材表面裂纹的检测宽度尺寸。

本发明的有益效果为：本发明所述实木板材表面裂纹的检测系统及检测方法，可同时检测一个截面上的多个点，从而快速得出该截面的裂纹缺陷，当板材随传送台匀速前进时，可连续地检测板材任一截面的厚度信息从而可快速地检测出板材整个表面的裂纹缺陷，实现在线板材表面裂纹缺陷的检测。克服了人工检测方法效率低，精确度低，自动化水平低；机器视觉技术无法利用板材开裂后厚度和宽度上几何尺寸变化，仅靠颜色信息来识别裂纹的方法精度较低，且不能实现在线检测；现有激光检测技术单点测量速度慢、无法在线工业化测量的缺点。

附图说明

图1为本发明所述的检测系统的结构示意图；

图2为激光三角测距原理示意图；

图3为标准量块所测数据得到的拟合曲线图；

图4为待检测实木板材的厚度轮廓图像一；

图5为待检测实木板材的厚度轮廓图像二；

图6-图11为待检测实木板材不同尺寸裂纹的厚度轮廓图像。

图中主要附图标记含义为：

1、传送台 2、激光发射器 3、支架 4、待检测实木板材 5、面阵工业相机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细说明本发明。

实施例1：

图1为本发明所述的检测系统的结构示意图。

如图1所示：一种实木板材表面裂纹的检测系统，包括传送台1、激光发射器2、支架3、面阵工业相机5，支架3桥式架设在传送台1上，沿传送台1的传送方向，依次在支架3上设置激光发射器2和面阵工业相机5，且所述的激光发射器2发射到传送台1上待检测实木板材4表面的光源经待检测实木板材4反射后被面阵工业相机5接收，而面阵工业相机5同时与一计算机连通。

在本实施例中，所述的待检测实木板材为一有裂纹缺陷的实木板材，宽度168mm，高度47mm，放在水平移动速度为500mm/s传送台1上，用扇形光源的激光对其扫描，激光发射光波长660nm，出光扇角为90°；待检测实木板材4表面的反射光由面阵工业相机5接收，图像的像元尺寸1920×1200，面阵工业相机5每秒钟拍摄100张图像，镜头焦距50mm，标准量块标定后得出厚度方向空间分辩率为0.24mm/像素，宽度方向空间分辩率为0.12mm/像素。

图3为标准量块所测数据得到的拟合曲线图。

如图3所示：利用0级，误差在1μm以内，厚度尺寸为表1所列标准量块对k值进行标定：将标准量块逐个放置于水平工作台上，标准量块厚度x值为已知值，标准量块到达激光检测位置时，在计算机中可得到该标准量块的厚度图像，通过计算机软件可知被测量块厚度方向的像素值y，进行多次试验，将得到的观测数据进行曲线拟合得到x＝k·y的曲线如图3所示，由图3可知曲线斜率，即厚度方向单位像素的高度k值为0.24mm/像素。

表1标准量块的厚度值及像素值

具体检测方法为：将待检测实木板材4放置于水平传送台1上，随着传送台1匀速向前移动，当到达检测位置时，激光发射器2发射扇形光源，照射在待检测实木板材4表面形成一字形光条，待检测实木板材4表面激光被反射，反射光被面阵工业相机5接收并汇聚成像，经数据采集卡收集进入计算机。通过把厚度轮廓经外部采样放大及模数转换电路转换为厚度轮廓图像，当待检测实木板材4的检测截面存在裂纹缺陷时，厚度轮廓图像上的厚度曲线出现宽度缺陷，进行图像处理测量空隙宽度尺寸再由宽度方向空间分辨率即可得到待检测实木板材4表面裂纹的检测尺寸，该方法可同时检测一个截面上的多个点从而快速得出该截面的裂纹缺陷。

图4为待检测实木板材的厚度轮廓图像一。

如图4所示：图4中的厚度曲线出现间断，在厚度方向上有一定的厚度变化，同时出现宽度缺陷，说明该待检测实木板材4的截面上存在表面裂纹，进行图像处理得到厚度曲线上的空隙宽度尺寸，得到图像中裂纹的空隙宽度尺寸为44个像素，再由宽度方向的空间分辨率即可得到对应板材截面的检测裂纹尺寸，即44像素×0.12mm/像素＝5.28mm，用游标卡尺测得该截面的裂纹宽度尺寸为6mm，说明用该方法可实现实木板材裂纹缺陷的检测。

图5为待检测实木板材的厚度轮廓图像二。

如图5所示：图5中被测实木板材4截面的厚度曲线连续，则该木材截面上不存在表面裂纹，在板材随传送台1匀速前进时，可连续地检测实木板材4任一截面的厚度信息从而可快速地检测出实木板材整个表面的裂纹缺陷，实现在线板材表面裂纹缺陷的检测。

图2为激光三角测距原理示意图。

如图2所示：所述的三角测距原理为：利用公式(I)由面阵工业相机5上光点的偏移y计算得到待检测实木板材4的厚度信息x，公式如下，

x＝k·y (I)

公式(I)中，x为待检测实木板材4的厚度信息；y为面阵工业相机5上待检测实木板材4表面与基准底面的偏移，y在相机中显示为像素值；k为厚度方向单位像素的高度，所述的厚度方向单位像素的高度为面阵工业相机5上待检测实木板材4表面与基准底面的偏移y与待检测实木板材4厚度x的线性关系系数。

且所述的k的数值公式为：k＝1/(β·sinθ)，在k的数值公式中，β为激光发射器发射光源被面阵工业相机接收后，物高与经面阵工业相机光学镜头成像后像高之比，即横向放大倍率，θ为激光发射器2的轴线与面阵工业相机5中物镜光轴的夹角，β和θ均可测量，且当面阵工业相机5的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器2距传送台1高度确定时，β、θ为固定值，则k也为固定值。

图6-图11为待检测实木板材不同尺寸裂纹的厚度轮廓图像。

如图6-图11所示：在待检测实木板材4上选取六个不同的裂纹进行测试。当待检测实木板材4经过该激光扫描测量系统后在计算机中的裂纹厚度轮廓图像如图6-图11所示，当厚度轮廓图像上厚度曲线出现不连续且有一定的厚度变化尺寸时，在该处存在裂纹缺陷，再根据厚度轮廓曲线上的宽度缺陷的测量得到板材具体的裂纹宽度尺寸。所得数据列于表2，如表2可见，用卡尺测量的厚度方向上的裂纹尺寸与用该激光检测系统测量的数据相差较大，但不影响判定裂纹的存在；用卡尺测量的宽度方向上的裂纹尺寸与用该激光检测系统测量的数据十分接近，说明该方法可准确、快速的测量板材表面裂纹的宽度尺寸，并以此基础可进行后续的木材等级分类工作。当板材随传送台匀速前进时，可连续地检测实木板材任一截面的厚度信息从而可快速地检测出实木板材整个表面的裂纹缺陷，实现在线板材表面裂纹缺陷的检测。

表2实木板材表面不同裂纹的厚度变化和宽度变化

本发明所述检测方法与人工检测方法相比，激光检测具有高效率，高精确度，高自动化水平的优点；与机器视觉技术相比，激光检测利用板材开裂后厚度和宽度上几何尺寸变化的信息，降低了计算数据量，实现在线检测；与现有激光检测技术相比，将单点测量改进为多点测量，提高检测速度，同时采用三角测距方法进行测量，测量精度提高，实现工业在线检测。

本发明按照上述实施例进行了说明应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效。

Claims (8)

1.一种实木板材表面裂纹的检测系统，其特征在于，包括传送台、激光发射器、支架、面阵工业相机，支架桥式架设在传送台上，沿传送台的传送方向，依次在支架上设置激光发射器和面阵工业相机，且所述的激光发射器发射到传送台上待检测实木板材表面的光源经待检测实木板材反射后被面阵工业相机接收，而面阵工业相机同时与一计算机连通。

2.一种实木板材表面裂纹的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：激光发射器对传送台上经过的待检测实木板材进行激光扫描，待检测实木板材表面的激光经反射后由面阵工业相机接收；

S2：面阵工业相机将经过三角测距原理得到的待检测实木板材的厚度轮廓信息转换为待检测实木板材的厚度轮廓图像信息；

S3：计算机中的数据采集卡收集面阵工业相机的待检测实木板材的厚度轮廓图像信息，并经过计算机的分析软件分析后得到待检测实木板材的表面裂纹信息。

3.根据权利要求2所述的一种实木板材表面裂纹的检测方法，其特征在于，在S1步骤中，激光发射器对待检测实木板材发射的激光光源为扇形激光光源，且待检测实木板材表面形成的光条为一字形光条。

4.根据权利要求2所述的一种实木板材表面裂纹的检测方法，其特征在于，在S2步骤中，所述的三角测距原理为：利用公式(I)由面阵工业相机上光点的偏移y计算得到待检测实木板材的厚度信息x，公式如下，

x＝k·y (I)

公式(I)中，x为待检测实木板材的厚度信息；y为面阵工业相机上待检测实木板材表面与基准底面的偏移，y在相机中显示为像素值；k为厚度方向单位像素的高度，所述的厚度方向单位像素的高度为面阵工业相机上待检测实木板材表面与基准底面的偏移y与待检测实木板材厚度x的线性关系系数。

5.根据权利要求4所述的一种实木板材表面裂纹的检测方法，其特征在于，所述的k的数值公式为：k＝1/(β·sinθ)，在k的数值公式中，β为激光发射器发射光源被面阵工业相机接收后，物高与经面阵工业相机光学镜头成像后像高之比，即横向放大倍率，θ为激光发射器的轴线与面阵工业相机中物镜光轴的夹角，β和θ均可测量，且当面阵工业相机的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器距传送台高度确定时，β、θ为固定值，则k也为固定值。

6.根据权利要求5所述的一种实木板材表面裂纹的检测方法，其特征在于，在S2步骤中，还包括利用标准量块对k值进行标定的步骤，且所述的k值标定方法为：标准量块厚度x值为已知值，被测量块的像素值y通过计算机中得到的厚度图像测得，然后将得到的标准量块厚度x值和被测量块的像素值y进行曲线拟合得到x＝k·y的曲线，根据拟合的曲线斜率，得到厚度方向单位像素的高度k值。

7.根据权利要求2所述的一种实木板材表面裂纹的检测方法，其特征在于，在S2步骤中，待检测实木板材的厚度轮廓信息转换为待检测实木板材的厚度轮廓图像信息的方法为激光发射器发射扇形光源到待检测实木板材表面，光源经待检测实木板材反射后被面阵工业相机接收，面阵工业相机将光信号转变成电信号即待检测实木板材的厚度轮廓信息，再经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号即待检测实木板材的厚度轮廓图像信息。

8.根据权利要求2所述的一种实木板材表面裂纹的检测方法，其特征在于，在S3步骤中，计算机的分析软件的分析方法为：当待检测实木板材存在裂纹缺陷时，裂纹所在处的木材厚度会突然减小，在厚度轮廓图像上，厚度曲线表现为不连续，变化剧烈，即可判断在间断处存在裂纹，然后再进行图像处理，测量空隙宽度尺寸再由宽度方向空间分辨率得到待检测实木板材表面裂纹的检测宽度尺寸。