基于數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)的多工位壓力儀表自動(dòng)校驗(yàn)系統(tǒng)的研制

王超 陳康 張臨 金肖鋒

摘 要：為了解決壓力表等量大面廣指針式儀表的量值溯源，設(shè)計(jì)一套基于數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)的多工位自動(dòng)檢定系統(tǒng)。本文介紹系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化供油泵和管路的結(jié)構(gòu)，提出一種基于當(dāng)前壓力值與設(shè)定值之間逼近程度的壓力模糊逼近控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)壓力值的有效控制;通過(guò)搭建基于CCD鏡頭的圖像采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)壓力表數(shù)值的自動(dòng)圖像采集，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理和計(jì)算從而實(shí)現(xiàn)合格判定，保證測(cè)量精度，提高檢測(cè)效率。

關(guān)鍵詞：圖像識(shí)別;多工位壓力表;自動(dòng)校驗(yàn)系統(tǒng)

1 引言

壓力表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。為了保證壓力儀表的準(zhǔn)確度、可靠性等性能指標(biāo)，根據(jù)國(guó)家規(guī)定，每年都要對(duì)這些儀表進(jìn)行檢定。本文目的在于運(yùn)用活塞式壓力計(jì)和壓力傳感器技術(shù)相結(jié)合的思想，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一套自動(dòng)壓力校驗(yàn)系統(tǒng)，使其能夠自動(dòng)產(chǎn)生壓力校驗(yàn)時(shí)所需的標(biāo)準(zhǔn)壓力值，并通過(guò)CCD鏡頭自動(dòng)讀取被測(cè)儀表壓力值，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力儀表進(jìn)行全量程范圍內(nèi)的自動(dòng)壓力校驗(yàn)工作，以提高檢表精度和效率，減輕檢定人員重復(fù)、繁重的工作。

2 自動(dòng)校驗(yàn)系統(tǒng)的硬件組成

檢定系統(tǒng)采用型號(hào)為DPI610智能壓力校驗(yàn)儀，安裝一臺(tái)工作穩(wěn)定、性能優(yōu)良的正壓泵，配合標(biāo)準(zhǔn)壓力表可以實(shí)現(xiàn)檢定過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)值的有效提供。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)四臺(tái)壓力表的同時(shí)檢定，通過(guò)對(duì)應(yīng)攝像頭實(shí)時(shí)對(duì)表盤表面指針進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后由電腦根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算實(shí)現(xiàn)合格判定。圖1為該系統(tǒng)硬件組成部分。

根據(jù)JJG52-2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，檢定系統(tǒng)采用“直接比較法”，即將標(biāo)準(zhǔn)表的值導(dǎo)入電腦作為標(biāo)準(zhǔn)器，圖像識(shí)別被檢表得測(cè)量值，通過(guò)比較測(cè)量得出對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)的示值誤差。具體流程圖2所示：

初始化與自檢狀態(tài)。檢測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)壓力表及上位機(jī)電腦通信是否正常，如果不正常則轉(zhuǎn)入故障保護(hù)狀態(tài);關(guān)閉所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng);檢測(cè)壓力是否已歸零，如果沒(méi)有歸零則控制壓力歸零，如果壓力歸零超時(shí)則轉(zhuǎn)入故障保護(hù)狀態(tài)。

空閑等待狀態(tài)。初始化檢測(cè)成功，等待接受來(lái)自上位機(jī)的降壓和升壓命令。

造壓狀態(tài)。如果已收到造壓命令，則控制PLC驅(qū)動(dòng)造壓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)造壓;如果達(dá)不到指定的壓力值或造壓超時(shí)，則轉(zhuǎn)入故障保護(hù)狀態(tài)。

造壓成功，通知上位機(jī)讀取輕敲前的表盤讀數(shù)。

上位機(jī)讀取輕敲前的表盤讀數(shù)完成，驅(qū)動(dòng)輕敲機(jī)構(gòu)輕敲表盤。

輕敲完成，通知上位機(jī)讀取輕敲后的表盤讀數(shù)。

上位機(jī)讀取輕敲后的表盤讀數(shù)完成，轉(zhuǎn)到空閑等待狀態(tài)，如果30秒內(nèi)沒(méi)有接到造壓命令，將壓力歸零，繼續(xù)等待造壓命令。

4 標(biāo)準(zhǔn)壓力的獲得

標(biāo)準(zhǔn)壓力的獲得準(zhǔn)確度和獲得時(shí)間直接影響整個(gè)壓力表的檢測(cè)效率。本文模擬人工造壓，可實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)壓力。通過(guò)監(jiān)控獲得當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)表壓力與目標(biāo)壓力之差ΔP，預(yù)設(shè)系數(shù)k，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前與目標(biāo)壓力差的很大時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)的快一點(diǎn);如果相差很少，那么就驅(qū)動(dòng)電機(jī)慢點(diǎn)轉(zhuǎn)，直至無(wú)限逼近目標(biāo)壓力值。達(dá)到目標(biāo)壓力值的時(shí)間和造壓精度有關(guān)，造壓精度越高，耗費(fèi)的時(shí)間也就越多。

5 圖像識(shí)別數(shù)據(jù)采集

視覺(jué)檢測(cè)自動(dòng)壓力表校驗(yàn)軟件采用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集和交互架構(gòu)，可以全自動(dòng)控制壓力升降，支持0-60MPA以內(nèi)的所有量程的壓力表校驗(yàn)，多線程從四個(gè)攝像頭采集數(shù)據(jù)分析壓力表讀數(shù)，軟件界面如圖4所示：

6 視覺(jué)檢測(cè)過(guò)程

首先將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖，并使用canny算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，從而提取目標(biāo)圖像輪廓線。 ?然后將圖像進(jìn)行膨脹腐蝕，排除一些細(xì)微干擾，使得原來(lái)的二值圖像降低存儲(chǔ)大小。

使用霍夫變換檢測(cè)圖像中的直線，并且根據(jù)預(yù)設(shè)半徑圓心對(duì)檢測(cè)的直線進(jìn)行篩選，得到代表指針邊緣的兩條輪廓線。

最后，根據(jù)標(biāo)定的零點(diǎn)和頂點(diǎn)計(jì)算出目標(biāo)指針當(dāng)前指向的讀數(shù)。通過(guò)人眼識(shí)別，該處理過(guò)程基本與人工壓力表讀數(shù)一致。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)結(jié)果的合理性，選擇量程（0～6）MPa，編號(hào)為：96.3.8727，重復(fù)測(cè)量3次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與臺(tái)州市計(jì)量技術(shù)研究院0.05級(jí)活塞式壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，結(jié)果如下表3所示：

從表中可以發(fā)現(xiàn)：標(biāo)準(zhǔn)壓力表的控制精度<0.1%;被檢表測(cè)量重復(fù)性<0.2%;圖像識(shí)別測(cè)量結(jié)果與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量結(jié)果之差<0.5%;測(cè)量精度滿足準(zhǔn)確度等級(jí)1.0-4.0級(jí)普通壓力表的日常檢定工作。

8 結(jié)論

（1）基于數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)的多工位壓力儀表自動(dòng)校驗(yàn)系統(tǒng)，極大減輕了檢定人員的工作量，四個(gè)工位同時(shí)檢測(cè)大大的提高了檢測(cè)效率。

（2）提出一種基于當(dāng)前壓力值與設(shè)定值之間的逼近程度的壓力模糊逼近控制方法，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)壓力值得有效控制，保證標(biāo)準(zhǔn)壓力的輸出精度。

（3）搭建基于CCD鏡頭的圖像采集系統(tǒng)，利用視覺(jué)圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)壓力表數(shù)值的自動(dòng)圖像采集保存，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)值的計(jì)算和處理，提高檢測(cè)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]JJG52-2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程》.國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢驗(yàn)總局.

作者簡(jiǎn)介：

王超，男，工程師。工作單位：臺(tái)州市計(jì)量技術(shù)研究院

陳康、張臨、金肖鋒，臺(tái)州市計(jì)量技術(shù)研究院（318000）