水平儀計(jì)量檢定過程的信息化融合技術(shù)

王毅　徐煒東　張榮閣

摘要：該文以水平儀計(jì)量檢定規(guī)程為核心，根據(jù)檢定過程的技術(shù)要求，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，設(shè)計(jì)了用于實(shí)際計(jì)量檢定過程的信息化融合軟件輔助檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備軟件交互界面與檢定流程相對應(yīng)的技術(shù)特點(diǎn)，使檢定過程交互隨動，從而使計(jì)量檢定過程更加合理、規(guī)范，最大限度地減少了操作和處理數(shù)據(jù)所造成的誤差，提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：水平儀；計(jì)量檢定；數(shù)據(jù)處理；信息化融合

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044（2016）13-0246-03

1 概述

電子水平儀和合像水平儀（以下合稱水平儀）是一種小角度測量儀器，主要用于測量相對水平面的傾斜角度，也可用來測量兩部件的平行度、導(dǎo)軌的直線度和工作平面的平面度。

水平儀的檢定按照中華人民共和國國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG103-2005《電子水平儀和合像水平儀》進(jìn)行，該規(guī)程適用于電子水平儀和分度值為0.01mm/m 的合像水平儀的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢驗(yàn)。

水平儀的檢定內(nèi)容包括：1）外觀；2）各部分相互作用；3）分度盤棱邊上邊緣至指標(biāo)線表面的距離；4）工作面平面度；5）工作面表面粗糙度Ra；6）0.01mm /m與1mm/m的刻線間符合性；7）以V形工作面繞水平心軸傾斜±5°時(shí)示值變化量；8）零值誤差；9）各量程零位一致性；10）讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)間；11）漂移；12）重復(fù)性；13）示值誤差等13項(xiàng)。

在重復(fù)性檢定時(shí)，要求將正弦規(guī)放置在平板上構(gòu)成一水平傾角，用調(diào)至最小量程擋的水平儀對該傾角進(jìn)行7 次重復(fù)測量，其最大差值的絕對值為重復(fù)性。且檢定應(yīng)在相對間隔約 2/3 量程的兩個(gè)位置進(jìn)行。

在示值誤差檢定時(shí)，允許采用兩種方法，即使用小角度檢查儀檢定方法和使用正弦規(guī)檢定方法。檢定位置和數(shù)量有如下規(guī)定：

指針式電子水平儀指示器：全量程范圍：11點(diǎn)；側(cè)微器：全量程范圍： 4～6點(diǎn)。

數(shù)顯式電子水平儀：測量范圍：11點(diǎn)。

合像水平儀：全量程范圍：11點(diǎn)、量程中點(diǎn)±1 m m / m范圍：11點(diǎn)。

水平儀的示值誤差檢定要求：在正、反行程方向上進(jìn)行。

從檢定的重復(fù)性和示值誤差要求可以看出：檢定將產(chǎn)生多組、多類檢測數(shù)據(jù)。同時(shí)，也將帶來對檢測數(shù)據(jù)處理分析的復(fù)雜性。

本文要探討的是將計(jì)算機(jī)信息及軟件技術(shù)應(yīng)用到計(jì)量檢定的整個(gè)過程并深入到具體細(xì)節(jié)的技術(shù)方法，該方法可以稱之為“計(jì)量檢定過程的信息化融合”。

從檢定內(nèi)容、檢定流程和檢定操作規(guī)范性考慮，信息化內(nèi)容可分為檢定流程的交互引導(dǎo)（包括檢定工具和設(shè)備的使用）、后臺數(shù)據(jù)處理模型和數(shù)據(jù)前臺交互設(shè)計(jì)三個(gè)方面。

上述三個(gè)方面的設(shè)計(jì)，將有效解決檢定操作過程的規(guī)范化、檢定數(shù)據(jù)處理的自動化和檢定過程及數(shù)據(jù)的信息化問題。從而使水平儀的計(jì)量檢定和計(jì)算機(jī)信息處理的強(qiáng)大功能相融合，極大提高水平儀檢定工作的效率。

2 水平儀結(jié)構(gòu)介紹

本文涉及的水平儀包括：指針式電子水平儀、數(shù)字顯示式電子水平儀和合像水平儀三種。三種水平儀的外部結(jié)構(gòu)見圖1、圖2和圖3所示。

3 檢定過程信息化融合設(shè)計(jì)

3.1 檢定流程的交互

檢定流程的交互是指：將計(jì)量檢定規(guī)程中的內(nèi)容按檢定操作時(shí)序和功能分類，采用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)將整體順序和各個(gè)功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，從而使操作人員可以根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面的提示進(jìn)行交叉作業(yè)，最終規(guī)范化地完成整個(gè)計(jì)量檢定過程。

按照計(jì)量檢定規(guī)程JJG 103—2005《電子水平儀和合像水平儀》的內(nèi)容和技術(shù)要求，結(jié)合信息化軟件的設(shè)計(jì)方法，功能模塊設(shè)計(jì)有如下幾個(gè)方面：

1）信息模塊

信息模塊是將計(jì)量檢定規(guī)程中的全部文檔信息和圖片信息進(jìn)行分類，按檢定操作時(shí)序把分類的子模塊嵌入到各流程環(huán)節(jié)的合理位置，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在合適的時(shí)間完成顯示提示，幫助操作人員規(guī)范化操作，提高工作效率和準(zhǔn)確性。

2）選擇模塊

選擇模塊是計(jì)算機(jī)人機(jī)交互的重要方法，在整個(gè)計(jì)量檢定過程中，操作人員需要進(jìn)行諸多選擇，如：檢定設(shè)備、檢定標(biāo)準(zhǔn)、測量方法和檢定工具的選擇等。信息化軟件系統(tǒng)設(shè)置多種選擇模塊，在程序執(zhí)行進(jìn)程中提供給用戶選擇，在主選擇結(jié)束后，相應(yīng)的子選擇項(xiàng)也隨之改變，從而保證計(jì)量檢定流程的準(zhǔn)確性和合理性。

3）數(shù)據(jù)交互模塊

數(shù)據(jù)交互模塊是指在信息化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在特定的檢定環(huán)節(jié)產(chǎn)生的對應(yīng)數(shù)據(jù)的錄入（包括人工和自動），本文的錄入指人工輸入。數(shù)據(jù)輸入到軟件界面相應(yīng)的文本框后，無需計(jì)算的數(shù)據(jù)將保存在后臺數(shù)據(jù)庫對應(yīng)的數(shù)據(jù)表內(nèi)，需要計(jì)算的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理模塊中進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)界面上，從而實(shí)現(xiàn)信息交互傳遞。

4）數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊是信息化的核心之一，無論是系統(tǒng)自動采集或人工錄入的數(shù)據(jù)，需要計(jì)算時(shí)，軟件系統(tǒng)根據(jù)程序預(yù)先建立的數(shù)學(xué)模型，合理快捷地將相關(guān)數(shù)據(jù)按技術(shù)要求進(jìn)行運(yùn)算并按管理要求進(jìn)行保存和顯示。該模塊是提高計(jì)量檢定工作效率的核心引擎。

3.2 信息模塊設(shè)計(jì)

1）檢定規(guī)程信息導(dǎo)航設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)導(dǎo)航欄，用戶選擇相應(yīng)內(nèi)容時(shí)，顯示檢定規(guī)程的技術(shù)要求。內(nèi)容包括：檢定規(guī)程概覽信息，如：檢定規(guī)程名稱、編號、發(fā)布日期、實(shí)施日期、歸口單位、起草單位等；檢定規(guī)程內(nèi)容導(dǎo)航，如：檢定規(guī)程適用范圍、引用文獻(xiàn)、總體概述（文檔和圖片）、計(jì)量性能要求、通用技術(shù)要求、計(jì)量器具控制及附錄等。內(nèi)容顯示及操作方式有兩種，一是用戶順序執(zhí)行程序時(shí)，相關(guān)信息自動顯示在界面?zhèn)冗吿崾緳?；二是用戶單擊?dǎo)航條上相應(yīng)欄目并激活子欄目顯示對應(yīng)信息。例如：當(dāng)用戶單擊導(dǎo)航欄“計(jì)量器具控制”時(shí)，“檢定條件”、“檢定項(xiàng)目”“檢定方法”等子欄目彈出，再單擊“檢定條件”下的“檢定環(huán)境條件”時(shí)，將彈出顯示下表所示內(nèi)容：

3.3 流程原理與信息交互

在檢定過程開始時(shí)，首先運(yùn)行本信息系統(tǒng)。系統(tǒng)流程與信息交互框圖見圖4所示。在程序運(yùn)行的各個(gè)階段，用戶界面同時(shí)運(yùn)行對應(yīng)信息模塊，提示用戶操作。

圖中，三個(gè)選擇環(huán)節(jié)分別為用戶提供：設(shè)備種類選擇、檢定工具選擇和檢定項(xiàng)目選擇。其中設(shè)備種類選擇包括：指針式電子水平儀、數(shù)字顯示式電子水平儀和合像水平儀三種。檢定工具選擇包括：小角度檢查儀、正弦規(guī)、量塊平板、心軸、刀口形直尺、塞尺、表面粗糙度比較樣塊、秒表等。檢定項(xiàng)目選擇包括：首次檢定、后續(xù)檢定、使用中檢定三類及上述類別中涉及的各種規(guī)程規(guī)定的檢定項(xiàng)目。

數(shù)據(jù)計(jì)算由后臺數(shù)據(jù)處理模塊完成，數(shù)據(jù)處理結(jié)束后自動保存在數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)交互模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)交互主要在用戶界面中進(jìn)行。因此，用戶界面的設(shè)計(jì)按照以下格局進(jìn)行。圖中，界面左側(cè)為數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算結(jié)果輸出功能區(qū)。功能區(qū)給出了計(jì)算公式、單位、輸入文本框和輸出文本框。右側(cè)區(qū)域顯示按照規(guī)程進(jìn)行檢定時(shí)，該環(huán)節(jié)的技術(shù)要求。下方配置功能按鈕，用戶可以點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)具體操作。

數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

按照檢定規(guī)程，數(shù)據(jù)計(jì)算與處理包括：零值誤差的計(jì)算、水平儀示值誤差計(jì)算、最終結(jié)果的數(shù)據(jù)處理等。本文以水平儀示值誤差計(jì)算為例，描述數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)。

在示值誤差檢定時(shí)，允許采用兩種方法，即使用小角度檢查儀檢定方法和使用正弦規(guī)檢定方法。

使用小角度檢查儀檢定方法

根據(jù)檢定規(guī)程的描述，在小角度檢查儀上檢定水平儀的示值誤差所用的量塊尺寸按式 （1） 計(jì)算：

式中： ri為i點(diǎn)的偏差讀數(shù)，格；Li，L0—分別為檢定i點(diǎn)和起始點(diǎn)位置時(shí)，所用量塊的實(shí)際尺寸偏差，μm；d—水平儀分度值，mm/m。

對于合像水平儀和指針式電子水平儀，取正、反兩行程方向上各檢定位置的示值誤差δi的絕對值最大者為水平儀的示值誤差δ。對于數(shù)顯式電子水平儀，正、反兩行程方向上各檢定位置的示值誤差δi均應(yīng)滿足測量范圍內(nèi)：±（1+A×2%）（的要求。式中A為檢定位置標(biāo)稱值的絕對值，（值與電子水平儀相應(yīng)量程檔的分辨力數(shù)值相同。

使用正弦規(guī)檢定方法

根據(jù)檢定規(guī)程的描述，正弦規(guī)所墊量塊尺寸L按式 （4） 計(jì)算：

式中：l—正弦規(guī)兩圓柱軸線間距，mm；H—檢定位置的標(biāo)稱示值，mm/m 。

各檢定位置的水平儀讀數(shù)值rk與相應(yīng)正弦規(guī)產(chǎn)生的角度值（△x之差為各檢定位置的示值誤差。檢定完零位一側(cè)測量范圍的示值誤差后，將水平儀調(diào)轉(zhuǎn) 180°方位，用相同的方法檢定零位另一側(cè)測量范圍的示值誤差。

根據(jù)檢定方法的區(qū)別和每個(gè)檢定方法所采用的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)程序流程，軟件原理框圖如圖6所示。

軟件設(shè)計(jì)平臺與數(shù)據(jù)庫

軟件設(shè)計(jì)開發(fā)平臺選擇Microsoft Visual Studio 2012，設(shè)計(jì)語言選用C++；數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Access 2007設(shè)計(jì)平臺。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)4個(gè)與程序功能對應(yīng)的數(shù)據(jù)表，分別是：人員管理表、規(guī)程信息表、檢定數(shù)據(jù)表和信息查詢輸出表。

人員管理表：用于用戶使用本軟件系統(tǒng)的登錄、操作、維護(hù)管理。包括：系統(tǒng)ID、姓名、密碼、崗位、持證信息、角色信息（檢定、核驗(yàn)、審批）、查詢及操作權(quán)限等。

規(guī)程信息表：用于保存檢定規(guī)程中各種技術(shù)要求信息?？捎沙绦虬措S機(jī)方式或流程節(jié)點(diǎn)調(diào)用顯示。

檢定數(shù)據(jù)表：保存測試過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和最終結(jié)果數(shù)據(jù)。

信息查詢輸出表：提供各種查詢結(jié)果并作為信息打印輸出的臨時(shí)表。

上述數(shù)據(jù)庫表的內(nèi)容由C++語言程序在主程序或個(gè)子程序模塊中調(diào)用，將數(shù)據(jù)讀出顯示或?qū)y量數(shù)據(jù)寫入保存。在需要查詢時(shí)，用戶可以進(jìn)行單項(xiàng)或組合查詢。

4 結(jié)束語

通過對計(jì)量檢定規(guī)程JJG103-2005《電子水平儀和合像水平儀》的格式、檢定環(huán)境、檢定器具、檢定通用技術(shù)要求、檢定數(shù)據(jù)處理方法等內(nèi)容的具體分析，總結(jié)出該計(jì)量檢定過程的基本規(guī)律。結(jié)合現(xiàn)代軟件工程設(shè)計(jì)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，將整個(gè)計(jì)量檢定過程與計(jì)算機(jī)軟件交互融合，使檢定操作過程在計(jì)算機(jī)軟件的規(guī)范化、層次化、標(biāo)準(zhǔn)化框架模式下高效運(yùn)行。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)流程符合計(jì)量檢定規(guī)程的要求，使計(jì)量檢定工作效率大大提升。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)軟件流程的介入和計(jì)算方法的更新，降低了人為因素造成的操作和計(jì)算誤差。本文的設(shè)計(jì)思路更加適合能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備通訊功能的計(jì)量檢定自動化流程和涉及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理計(jì)算的儀器檢定過程。

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