指針式儀表的自動檢定系統(tǒng)研究

趙　準(zhǔn)

摘要:本文在數(shù)字圖像處理技術(shù)、精密光柵測量技術(shù)以及步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上對指針式儀表的自動檢定進(jìn)行了研究,并設(shè)計(jì)了一種指針式儀表的自動檢定系統(tǒng)。實(shí)踐表明,本系統(tǒng)具有高精度、高分辨率、高自動化程度等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:指針式儀表 數(shù)字圖像處理 步進(jìn)電機(jī)控制

1. 引言

指針式儀表是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用非常普遍的測量儀表之一。國內(nèi)對指針式儀表的檢測工作主要是采用人工觀測讀數(shù)的方法,來判斷產(chǎn)品的合格與否,這種判別方法受人的主觀因素如人的觀測角度、觀測距離等影響,不穩(wěn)定、可靠性不高。而且數(shù)據(jù)處理工作量大,檢定效率低。

因此,針對目前我國所普遍采用的指針式儀表檢定方法所存在的缺點(diǎn),研究一種快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的指針式儀表自動檢定系統(tǒng),將非常有助于我國的儀表生產(chǎn)和檢定。本文的研究是在采用光柵測量技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)伺服控制技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上,為指針式儀表提供一種自動化程度更高、速度更快、更準(zhǔn)確、更可靠的檢定方法。本系統(tǒng)能自動完成儀表的示值誤差的檢定,且準(zhǔn)確度高、分辨能力強(qiáng)、回程誤差小、操作簡便、檢定效率高,而且可以用于檢定各種類型的百分表、千分表等,有較高的通用性。

2. 系統(tǒng)工作原理

本文是對指針式儀表的自動檢定技術(shù)進(jìn)行研究,完成對儀表的各種精度的檢定。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,要著重的注意以下幾點(diǎn):

(1)系統(tǒng)的自動化程度,這直接決定系統(tǒng)的檢定工作效率。

(2)盡量減少系統(tǒng)誤差,因?yàn)榘俜直?、千分表等指針式儀表本身為精密測量儀器,要使系統(tǒng)能夠檢定儀表的精度,那么系統(tǒng)應(yīng)該有更高的精度?？紤]到這兩點(diǎn),本系統(tǒng)先是采用步進(jìn)電機(jī)伺服控制技術(shù)來驅(qū)動儀表指針轉(zhuǎn)動,然后利用CCD攝像機(jī)對指針進(jìn)行“觀察”和“讀數(shù)”,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動化;同時采用光柵傳感器作為精密測量設(shè)備來降低系統(tǒng)誤差。

結(jié)合上面的原理,根據(jù)本系統(tǒng)的功能我們設(shè)計(jì)整個系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)包括:表盤圖像和光柵信號的采集、表盤圖像的處理、步進(jìn)電機(jī)的控制。表盤圖像的采集是通過控制CCD攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)的;光柵信號的采集是通過與光柵測量系統(tǒng)的通信實(shí)現(xiàn)的;步進(jìn)電機(jī)的控制是通過步進(jìn)電機(jī)控制卡發(fā)送脈沖給步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)的。步進(jìn)電動機(jī)帶動光柵傳感器的手輪,從而驅(qū)動光柵傳感器的推桿,最終推動儀表的測桿使得儀表指針轉(zhuǎn)動。儀表的準(zhǔn)確位移量由光柵測量系統(tǒng)測得,最終由串口傳送到計(jì)算機(jī)。攝取的表盤圖像通過圖像采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

在指針式儀表檢定之前,需要將光柵傳感器的推桿與儀表的測桿相接觸,并將指針對零。系統(tǒng)工作時,首先根據(jù)被檢表的類型和量程確定受檢點(diǎn)的個數(shù)和相鄰受檢點(diǎn)之間的分度間隔。然后由步進(jìn)電動機(jī)帶動動儀表指針轉(zhuǎn)動。在儀表指針轉(zhuǎn)動時,計(jì)算機(jī)實(shí)時采集光柵測量系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù),當(dāng)該數(shù)據(jù)與相鄰受檢點(diǎn)的間隔距離相等時,計(jì)算機(jī)啟動CCD攝像機(jī)采集表盤圖像,對采集到的表盤圖像進(jìn)行處理,從而確定儀表指針的位置參數(shù),并將該位置參數(shù)與光柵測量系統(tǒng)采集到的基準(zhǔn)量相比較,從而求出該受檢點(diǎn)的示值誤差。按照這種方法依次檢測正反行程內(nèi)各受檢點(diǎn)的示值誤差。在測量完正反行程各受檢點(diǎn)的示值誤差之后,根據(jù)國家指示表類檢定規(guī)程JJG34.96所規(guī)定的檢定算法,并依據(jù)所有受檢點(diǎn)的示值誤差,可以計(jì)算儀表的其它各項(xiàng)精度指標(biāo)如工作行程誤差、回程誤差等。

3. 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)按照圖1來設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)為動力源,步進(jìn)電機(jī)通過彈性連軸結(jié)與光柵傳感器的轉(zhuǎn)動輪相連,轉(zhuǎn)動輪將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動,并推動光柵傳感器的推桿與被檢表的測桿相對,當(dāng)推桿與測桿相接觸后,步進(jìn)電機(jī)便可以直接驅(qū)動測桿移動。

光柵測量系統(tǒng)是利用光柵測長原理實(shí)時地對光柵傳感器的輸出信號進(jìn)行處理,并通過計(jì)算機(jī)串口把標(biāo)準(zhǔn)位移值送到計(jì)算機(jī)。本系統(tǒng)采用的光柵傳感器每lmm有100個刻線,光柵測量系統(tǒng)對光柵傳感器的信號進(jìn)行了20細(xì)分,光柵傳感器的測桿每移動0.51ma,光柵測量系統(tǒng)的輸出位移值就改變1。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動由計(jì)算機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)控制卡進(jìn)行控制。當(dāng)光柵傳感器的推桿未與被檢表測桿相接觸時,計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)快速運(yùn)動。當(dāng)推桿與測桿接觸后,計(jì)算機(jī)控制電機(jī)做低速勻速轉(zhuǎn)動,實(shí)現(xiàn)被檢表的指針勻速轉(zhuǎn)動,保證示值測量精度。當(dāng)被檢表指針達(dá)到最大行程后,計(jì)算機(jī)控制電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)反行程檢定。

在光柵傳感器的推桿推動下產(chǎn)生的被檢表指針指示值變化量,由高精度CCD攝像機(jī)進(jìn)行攝取,通過圖像采集卡的傳輸和計(jì)算機(jī)圖像處理和計(jì)算,最終得到指針示值。整個檢定過程完全是在計(jì)算機(jī)的控制下完成的,因此本系統(tǒng)具有較高的自動化和智能化程度。

4. 本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

本文研究的指針式儀表的自動檢定方法是基于數(shù)字圖像處理技術(shù)、精密光柵測量技術(shù)以及步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的,將數(shù)字圖像處理技術(shù)用于指針式儀表的檢定,具有精度高、效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動測量等優(yōu)點(diǎn);另外,將精密光柵測量技術(shù)用來測微位移,有利于提高系統(tǒng)的分辨率;還有,通過步進(jìn)電機(jī)控制卡來實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上對多步進(jìn)電機(jī)的控制,提高了系統(tǒng)的自動化程度。

參考文獻(xiàn):

[1]徐慧,Visual c++數(shù)字圖像實(shí)用工程案例精選.北京:人民郵電出版社,2004

[2]數(shù)字圖像處理(朱志剛,林學(xué)閹,石定機(jī)等譯).北京:電子工業(yè)出版社,2002.392—393

作者簡介:趙準(zhǔn),男,漢族,1975年出生,河南南陽,新鄉(xiāng)博力達(dá)濾器機(jī)械有限公司,主要從事儀表電氣方面的設(shè)計(jì)安裝。