基于檢定距離調(diào)節(jié)的照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)研制

鄧潔虹 湯清源 魏峰

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基于檢定距離調(diào)節(jié)的照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)研制

鄧潔虹 湯清源 魏峰

（廣東省江門市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所）

為解決照度計(jì)檢定過(guò)程中人工檢定效率低、過(guò)程易出錯(cuò)、數(shù)據(jù)可信度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)框架，從硬件系統(tǒng)搭建、自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢定數(shù)據(jù)智能識(shí)別系統(tǒng)開發(fā)等方面研制具有檢定距離與初始位置自動(dòng)調(diào)節(jié)、檢定數(shù)據(jù)智能識(shí)別等功能的照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提升檢定效率、減少勞動(dòng)成本、降低出錯(cuò)幾率，實(shí)現(xiàn)照度計(jì)檢定過(guò)程的自動(dòng)化與智能化。

照度計(jì)檢定；自動(dòng)控制；智能識(shí)別；智能檢定

0 引言

照度計(jì)是光學(xué)測(cè)量應(yīng)用最多的儀器之一，廣泛用于影視照明、工業(yè)生產(chǎn)、居家照明等行業(yè)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、公共基礎(chǔ)設(shè)施和居民住宅等對(duì)照明質(zhì)量要求越來(lái)越高，使得照度計(jì)使用數(shù)量呈幾何級(jí)增長(zhǎng)，同時(shí)需檢定的照度計(jì)數(shù)量劇增。高效率、高精度實(shí)現(xiàn)照度計(jì)檢定已迫在眉睫。基于大數(shù)量、高精度的照度計(jì)檢定需求，未來(lái)照度計(jì)檢定系統(tǒng)必然要往自動(dòng)化、智能化、高精度化和可信化方向發(fā)展。

針對(duì)人工檢定系統(tǒng)中存在的操作誤差、檢定效率低、數(shù)據(jù)可信度低等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家提出并設(shè)計(jì)不同應(yīng)用對(duì)象的自動(dòng)化檢定系統(tǒng)。文獻(xiàn)[1]通過(guò)設(shè)計(jì)關(guān)鍵電路、特定電源模塊和智能檢定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特高壓電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)檢定；文獻(xiàn)[2]針對(duì)頻譜分析儀檢定過(guò)程中自動(dòng)化程度低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)自動(dòng)化檢定系統(tǒng)軟件，大大縮短分析儀檢定時(shí)間；文獻(xiàn)[3]利用模板匹配方法提高儀表檢定魯棒性、通用性及準(zhǔn)確度；俄羅斯學(xué)者Valery Konyavskiy等為保證鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)安全，設(shè)計(jì)鐵路安全信息關(guān)鍵系統(tǒng)自動(dòng)檢定框架以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速地驗(yàn)證關(guān)鍵系統(tǒng)正常工作[4]；Jaromir Ludwin等學(xué)者為檢定超導(dǎo)電路電氣質(zhì)量，設(shè)計(jì)相關(guān)軟硬件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析工具，提高檢定過(guò)程的靈活性與可擴(kuò)展性[5]。除此之外還有超聲探傷儀、水表和電能計(jì)量裝置等方面的自動(dòng)化檢定研究[6-8]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)檢定系統(tǒng)的研究都朝著自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)關(guān)于照度計(jì)自動(dòng)檢定的研究較少，研制照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)具有重要意義。

1 照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)框架

照度計(jì)檢定基本原理如圖1所示，其基本檢定流程為：安裝固定標(biāo)準(zhǔn)光源、光闌和待檢照度計(jì)，使標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)光點(diǎn)A、光闌孔圓心B、待檢照度計(jì)光度頭圓心C位于同一直線上；初始化待檢照度計(jì)位置；控制標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)出所需光強(qiáng)光線；檢測(cè)各待檢位置照度計(jì)讀數(shù)，并記錄數(shù)據(jù)；與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比并判斷待檢照度計(jì)是否合格。

圖1 照度計(jì)檢定基本原理圖

為實(shí)現(xiàn)照度計(jì)檢定流程的自動(dòng)化與智能化，本文提出基于檢定距離調(diào)節(jié)的照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)研制的總體方案，如圖2所示。本方案主要包含3個(gè)方面研究?jī)?nèi)容：照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、照度計(jì)空間位置自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和照度計(jì)示值的檢定數(shù)據(jù)可溯源記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖2 基于檢定距離調(diào)節(jié)的照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)總體方案圖

2 照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)關(guān)鍵構(gòu)架

2.1 照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)硬件部分主要包括高精度數(shù)字電源與標(biāo)準(zhǔn)光源、高線性度寬量程直線光軌和計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊。

通過(guò)對(duì)比規(guī)定位置照度計(jì)檢定數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)照度值，可得出待檢照度計(jì)是否合格。標(biāo)準(zhǔn)光源照度值計(jì)算公式為

(1)

其中，為規(guī)定位置處照度值；為標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)光強(qiáng)度；為規(guī)定位置與標(biāo)準(zhǔn)光源間水平距離即檢定距離。

由式(1)可以看出，規(guī)定位置處照度值的精度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)光源自身發(fā)光強(qiáng)度和檢定距離精度。與標(biāo)準(zhǔn)光源輸入功率有著直接關(guān)系，為保證的精度，必須采用高精度數(shù)字電源以確保其輸出功率精度；精度直接取決于導(dǎo)軌線性度和定位精度，為此采用高線性度直線光軌結(jié)合高精度步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)的高精度自動(dòng)化調(diào)節(jié)。

照度計(jì)智能檢定平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)光源、光闌、工業(yè)相機(jī)、待檢照度計(jì)和位姿調(diào)節(jié)裝置安裝于直線光軌上，其中標(biāo)準(zhǔn)光源、光闌位置固定不變，而工業(yè)相機(jī)、待檢照度計(jì)和位姿調(diào)節(jié)裝置安裝于同一移動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)高精度步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)光源與待檢照度計(jì)在直線光軌上水平間距調(diào)節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)光源、光闌、待檢照度計(jì)光度頭應(yīng)滿足圖1的位置關(guān)系；工業(yè)相機(jī)安裝位置高度低于待檢照度計(jì)光度頭高度，避免遮擋光線，同時(shí)保持與待檢照度計(jì)的距離，以獲得待檢數(shù)據(jù)清晰圖像；位姿調(diào)節(jié)裝置在檢定開始前調(diào)整照度計(jì)初始空間位置，確保標(biāo)準(zhǔn)光源、光闌孔、待檢照度計(jì)光度頭位于同一直線，并提升檢定距離精度。

圖3 照度計(jì)智能檢定平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2.2 照度計(jì)空間位置自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

照度計(jì)空間位置自動(dòng)控制系統(tǒng)由照度計(jì)檢定距離調(diào)節(jié)系統(tǒng)和照度計(jì)位姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。

照度計(jì)空間位置自動(dòng)控制原理如圖4所示，包括照度計(jì)檢定距離自動(dòng)控制和照度計(jì)位姿自動(dòng)控制兩部分。自動(dòng)控制流程為：上位機(jī)通過(guò)RS232通信向PLC發(fā)送指令；PLC根據(jù)指令，通過(guò)晶體管輸出高頻脈沖信號(hào)到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用以控制步進(jìn)電機(jī)和位姿調(diào)節(jié)裝置。

圖4 照度計(jì)空間位置自動(dòng)控制原理圖

上述流程中，通過(guò)PLC和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)的調(diào)控，達(dá)到照度計(jì)檢定距離自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的；同時(shí)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)位姿調(diào)節(jié)裝置3個(gè)坐標(biāo)軸方向位移控制，達(dá)到待檢照度計(jì)位置初始化的目的。

2.3 照度計(jì)示值的檢定數(shù)據(jù)可溯源記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

照度計(jì)示值的檢定數(shù)據(jù)可溯源記錄系統(tǒng)由檢定數(shù)據(jù)智能讀取系統(tǒng)、檢定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與可溯源系統(tǒng)組成。照度計(jì)示值的檢定數(shù)據(jù)可溯源記錄原理如圖5所示，通過(guò)工業(yè)相機(jī)拍攝待檢照度計(jì)示值圖像；通過(guò)USB數(shù)據(jù)線上傳至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)工業(yè)相機(jī)所攝圖像識(shí)別待檢照度計(jì)照度值。

圖5 照度計(jì)示值的檢定數(shù)據(jù)可溯源記錄原理圖

本文利用SSD目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和預(yù)測(cè)待檢照度計(jì)示值，其流程如圖6所示。在訓(xùn)練SSD目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)流程中會(huì)迭代優(yōu)化深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)對(duì)示值的檢出率和檢測(cè)準(zhǔn)確率。流程為：配置SSD網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，確保訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)正常、快速運(yùn)行；搭建SSD目標(biāo)檢測(cè)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)；構(gòu)建照度計(jì)示值數(shù)據(jù)集，主要包括標(biāo)注示值位置和內(nèi)容，用于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和驗(yàn)證應(yīng)用該網(wǎng)絡(luò)參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度；利用所搭建網(wǎng)絡(luò)和構(gòu)建數(shù)據(jù)集訓(xùn)練SSD網(wǎng)絡(luò)；保存網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，用于待檢照度計(jì)示值預(yù)測(cè)。SSD網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)主要作用為預(yù)測(cè)待檢照度計(jì)示值，流程為：搭建SSD目標(biāo)檢測(cè)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；導(dǎo)入預(yù)訓(xùn)練參數(shù)；從工業(yè)相機(jī)處獲取待檢照度計(jì)示值圖像；在原圖像上標(biāo)定待檢照度計(jì)示值結(jié)果。

圖6 SSD目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與預(yù)測(cè)待檢照度計(jì)示值流程圖

3 待檢照度計(jì)示值預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)

待檢照度計(jì)示值檢定結(jié)果示意圖如圖7所示，分別展示照度計(jì)202 lux，409 lux，363 lux和405 lux示值下的預(yù)測(cè)結(jié)果。

預(yù)測(cè)值：2 得分：0.9893826；預(yù)測(cè)值：0 得分：0.9981122；

預(yù)測(cè)值：2 得分：0.9978248

圖7(a) 預(yù)測(cè)結(jié)果202 lux

預(yù)測(cè)值：4 得分：0.61435986；預(yù)測(cè)值：0 得分：0.9544674；

預(yù)測(cè)值：9 得分：0.9855009

(b) 預(yù)測(cè)結(jié)果409 lux

預(yù)測(cè)值：3 得分：0.98247486；預(yù)測(cè)值：6 得分：0.79872984；

預(yù)測(cè)值：3 得分：0.9977731

(c) 預(yù)測(cè)結(jié)果363 lux

預(yù)測(cè)值：4 得分：0.98992807；預(yù)測(cè)值：0 得分：0.97650117；

預(yù)測(cè)值：5 得分：0.9915072

(d) 預(yù)測(cè)結(jié)果405 lux

圖7待檢照度計(jì)示值預(yù)測(cè)結(jié)果示意圖

由圖7可知，4張圖像預(yù)測(cè)結(jié)果均正確。圖7中所展示的預(yù)測(cè)圖像數(shù)量為本文實(shí)驗(yàn)所有預(yù)測(cè)圖像數(shù)量的4/230，除去數(shù)碼管模糊不清外，230張圖像中僅有1張圖像出現(xiàn)預(yù)測(cè)錯(cuò)誤情況，故本次實(shí)驗(yàn)中待檢照度計(jì)示值預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為99.6%，結(jié)合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和異常數(shù)據(jù)處理，可實(shí)現(xiàn)照度計(jì)檢定領(lǐng)域中示值智能讀取。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)照度計(jì)檢定領(lǐng)域普遍存在的自動(dòng)化程度低、人工檢定效率低、人工檢定數(shù)據(jù)讀取與記錄易出錯(cuò)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)。從硬件系統(tǒng)搭建、自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢定數(shù)據(jù)智能識(shí)別等方面實(shí)現(xiàn)具有照度計(jì)檢定距離自動(dòng)調(diào)節(jié)、照度計(jì)初始位置自動(dòng)設(shè)置、照度計(jì)示值智能檢定等功能的照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)，最后通過(guò)待檢照度計(jì)示值預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)的可行性。

后續(xù)將研究待檢照度計(jì)檢定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、異常數(shù)據(jù)檢測(cè)與處理，進(jìn)一步提高照度計(jì)智能檢定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

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Development of Intelligent Verification System with Adjustable Distance for Illuminometer

Deng Jiehong Tang Qingyuan Wei Feng

(Guangdong Jiangmen Supervision Testing Institute of Quality & Metrology)

In order to solve problems in the process of verification for illuminometer, such as low efficiency of manual verification, error in verification process and low reliability of verification data, a framework of intelligent verification system for illuminometer is designed in this paper. This paper decides to develop an intelligent verification system for illuminometer with the functions of self-regulation for the calibrating distance and initial position and intelligent recognition of calibrating data. The system proposed in this paper can improve the efficiency of verification greatly, reduce labor costs, reduce the probability of error, and realize the automation and intelligence of the verification for illuminometer.

Verification for Illuminometer; Automatic Control; Intelligent Recognition; Intelligent Verification

鄧潔虹，女，1976年生，高級(jí)工程師，主要研究方向：機(jī)電一體化。E-mail: djh336@126.com