質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)自動(dòng)采集及不確定度智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究

摘要：質(zhì)量比較儀是應(yīng)用于砝碼量值傳遞的電子衡量儀器，其測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與質(zhì)量量值傳遞的準(zhǔn)確性密切相關(guān)。質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)方法復(fù)雜，測(cè)量次數(shù)多，數(shù)據(jù)處理繁瑣，同時(shí)，不同制造廠生產(chǎn)的質(zhì)量儀顯示形式不同，數(shù)據(jù)傳輸格式各異。為解決質(zhì)量比較儀在校準(zhǔn)過程中遇到的問題，本文研制一種智能自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)載荷點(diǎn)的自動(dòng)化選取、加載位置的自主定位、標(biāo)準(zhǔn)砝碼的柔性抓取，完成基于視覺識(shí)別和圖像處理的測(cè)量數(shù)據(jù)智能化采集及實(shí)時(shí)處理，并進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量比較儀的智能自動(dòng)化校準(zhǔn)，提高測(cè)量準(zhǔn)確性，降低測(cè)量誤差。該自動(dòng)校準(zhǔn)方式可在計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)廣泛推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量比較儀；校準(zhǔn)自動(dòng)采集；不確定度

一、引言

質(zhì)量比較儀作為質(zhì)量量值傳遞的重要衡量儀器，廣泛應(yīng)用于各級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)、行業(yè)計(jì)量站、校準(zhǔn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)。其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與質(zhì)量量值傳遞的水平密切相關(guān)，且影響企事業(yè)單位的質(zhì)量控制能力。隨著質(zhì)量比較儀的廣泛應(yīng)用，校準(zhǔn)任務(wù)日益增多，本文提出一種可通過視覺識(shí)別、圖像處理的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，提取有效數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)載荷點(diǎn)的智能化、自動(dòng)化選取與定位，完成測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)提取，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量比較儀的智能校準(zhǔn)，減少校準(zhǔn)過程中的人員參與，降低人為誤差，提高校準(zhǔn)效率和準(zhǔn)確性。

二、質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)項(xiàng)目及誤差分析

質(zhì)量比較儀作為質(zhì)量量值溯源專用的衡量儀器，其計(jì)量性能準(zhǔn)確性直接影響砝碼質(zhì)量量值的測(cè)量結(jié)果，對(duì)保證質(zhì)量量值溯源體系的一致性、可靠性至關(guān)重要。其校準(zhǔn)項(xiàng)目及測(cè)量不確定度來源主要包括重復(fù)性、示值誤差、局部示值誤差[1]。

（一）重復(fù)性

重復(fù)性是衡量質(zhì)量比較儀計(jì)量性能最重要的指標(biāo)。依據(jù)砝碼檢定規(guī)程，通常通過ABBA或ABA測(cè)量循環(huán)法減少由環(huán)境變化等影響因子引入的誤差[2]，在通過質(zhì)量比較儀進(jìn)行砝碼檢定工作時(shí)，需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢砝碼質(zhì)量值進(jìn)行多次測(cè)量，因此，質(zhì)量比較儀重復(fù)性誤差將直接影響測(cè)量結(jié)果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其引入的誤差值占比約為80%。重復(fù)性作為影響質(zhì)量比較儀誤差的主要因素，在進(jìn)行測(cè)量的過程中，除了受質(zhì)量比較儀自身傳感器性能和質(zhì)量影響外，還與校準(zhǔn)用砝碼的加載位置有關(guān)。當(dāng)砝碼落在秤盤中時(shí)，其是否位于中心位置將影響數(shù)據(jù)測(cè)試是否出現(xiàn)偏差[3]，而在人工操作質(zhì)量比較儀進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，加載位置較難保持一致。即使質(zhì)量比較儀帶有自動(dòng)定心裝置，載荷加載位置偏差帶來的影響仍不可避免。對(duì)于大秤量質(zhì)量比較儀，這種影響更加明顯。

（二）局部示值

局部示值誤差是最能體現(xiàn)質(zhì)量比較儀特殊使用領(lǐng)域的校準(zhǔn)項(xiàng)目[4]，也是其區(qū)別于其他電子質(zhì)量衡量儀器的重要特征，是對(duì)質(zhì)量比較儀在較小測(cè)量范圍內(nèi)線性誤差的描述。局部示值誤差的存在會(huì)導(dǎo)致砝碼檢定結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)誤差且與其他誤差無法區(qū)別，因此，其是衡量質(zhì)量比較儀計(jì)量性能的重要指標(biāo)。局部示值誤差的測(cè)量不確定度主要由附加小砝碼引入。小砝碼選擇范圍為質(zhì)量比較儀分辨率的1000～5000倍。合理選擇小砝碼質(zhì)量值能合理優(yōu)化質(zhì)量比較儀自動(dòng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)，降低小砝碼夾取難度，降低測(cè)量結(jié)果的不確定度。

此項(xiàng)不確定度的來源還包括被校比較儀的重復(fù)性，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的溫度波動(dòng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被校比較儀的影響。計(jì)算溫度影響的不確定度分量變化量（aT），再乘以標(biāo)準(zhǔn)載荷砝碼（Pt）的質(zhì)量值；被校比較儀在被測(cè)載荷點(diǎn)下的顯示分辨力按ud=來計(jì)算；測(cè)量局部示值誤差所采用的標(biāo)準(zhǔn)小砝碼的影響，按計(jì)算，局部示值誤差測(cè)量的擴(kuò)展不確定度為US=2×。

（三）偏載誤差

偏載誤差的存在對(duì)質(zhì)量比較儀計(jì)量性能的影響是多方面的[5]。偏載誤差不僅是質(zhì)量比較儀測(cè)量不確定度的重要來源，還會(huì)對(duì)重復(fù)性數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，且與其傳感器彈性形變恢復(fù)情況等其他因素導(dǎo)致的重復(fù)性變化無法區(qū)分。在利用質(zhì)量比較儀進(jìn)行砝碼質(zhì)量值測(cè)量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢砝碼交替放置于秤量盤上，砝碼更換必然帶來放置位置的變化，偏載誤差被多次引入。偏載誤差與重復(fù)性分別評(píng)價(jià)對(duì)體現(xiàn)質(zhì)量比較儀計(jì)量性能十分重要，但其評(píng)定結(jié)果與被校比較儀的重復(fù)性有關(guān)，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的溫度波動(dòng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被校比較儀的影響。計(jì)算溫度影響的不確定度分量變化量（aT），再乘以標(biāo)準(zhǔn)載荷砝碼（Pt）的質(zhì)量值；則偏載誤差測(cè)量的擴(kuò)展不確定度為UE=2×。

（四）人工加載準(zhǔn)砝碼

除了重復(fù)性、局部示值誤差及偏載誤差外，人工加載準(zhǔn)砝碼是導(dǎo)致質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)結(jié)果的重要誤差來源。就現(xiàn)有質(zhì)量比較儀工作的情況來看，在進(jìn)行測(cè)量過程中，應(yīng)用高等級(jí)砝碼，其最大單個(gè)砝碼的質(zhì)量最高可達(dá)50kg，需進(jìn)行人力加載，但是人力加載存在弊端，無法將砝碼重心保持在中心位置，還可能在測(cè)量中出現(xiàn)加載時(shí)間過長的情況，導(dǎo)致最終測(cè)定的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏移。另外，人工加載砝碼方式導(dǎo)致質(zhì)量比較儀加載時(shí)間延長，放置時(shí)間間隔不穩(wěn)定，從而影響最終測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。人工加載砝碼的方式，砝碼重復(fù)性不能落在秤盤的中心位置，延長了數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)偏差足以引發(fā)測(cè)量誤差。

三、質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)自動(dòng)采集裝置創(chuàng)新

根據(jù)上述質(zhì)量比較儀在工作中出現(xiàn)重復(fù)性誤差值、局部示值誤差以及偏差誤差等問題，本文對(duì)質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)裝置進(jìn)行改進(jìn)。通過在質(zhì)量比較儀設(shè)備中配備視覺識(shí)別系統(tǒng)，完成對(duì)數(shù)據(jù)的圖像采集，并通過對(duì)屏幕圖片的讀數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)量比較儀的自動(dòng)化校準(zhǔn)。

（一）視覺識(shí)別

視覺識(shí)別系統(tǒng)與質(zhì)量比較儀的結(jié)合，能夠獲取質(zhì)量比較儀在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的統(tǒng)一視覺符號(hào)，能夠?qū)@得的視覺信息具象化。視覺識(shí)別系統(tǒng)中有完整的視覺傳達(dá)體系，能夠獲取質(zhì)量比較儀工作時(shí)產(chǎn)生的抽象化數(shù)據(jù)，并將這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具體符號(hào)。在視覺系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主要依靠基本要素和應(yīng)用要素兩種形式。在質(zhì)量比較儀工作過程中，通過獲取質(zhì)量比較儀的基本要素信息，監(jiān)測(cè)質(zhì)量比較儀的應(yīng)用要素信息，從而完成對(duì)質(zhì)量比較儀數(shù)據(jù)信息的獲取，進(jìn)而利用傳遞系統(tǒng)將信息傳輸至顯示屏中，為后續(xù)系統(tǒng)對(duì)圖像的獲取奠定基礎(chǔ)。通過機(jī)器視覺系統(tǒng)與質(zhì)量比較儀的深度結(jié)合，能夠自動(dòng)識(shí)別并提取有效數(shù)據(jù)，完成對(duì)數(shù)據(jù)荷載點(diǎn)智能化、自動(dòng)化選取和定位，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)捕捉和測(cè)量。

（二）圖像采集

為了確保質(zhì)量比較儀在運(yùn)行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)定位，在機(jī)械手臂前端安裝攝像機(jī)，通過采集專用砝碼兩側(cè)把手和秤盤影像確定著力點(diǎn)位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)放置位置的自動(dòng)定位。為了保證機(jī)械手臂能夠在質(zhì)量比較儀運(yùn)行的過程中在可控范圍內(nèi)自由移動(dòng)，滿足砝碼的抓取，在砝碼裝卸機(jī)械手的末端安裝保護(hù)裝置，以免在移動(dòng)過程中造成砝碼的損傷。同時(shí)，還利用PLC控制和反饋系統(tǒng)作為機(jī)械手的精準(zhǔn)控制系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)機(jī)械手在移動(dòng)過程中是否出現(xiàn)順滑。另外，在系統(tǒng)中配備了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像處理算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)比較儀示值的自動(dòng)識(shí)別。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過深度學(xué)習(xí)完成對(duì)數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)采集和處理，以便解決不同廠家樣品比較儀數(shù)據(jù)接口不一致的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同被校比較儀的自動(dòng)讀數(shù)。

（三）屏幕圖片讀數(shù)

本文設(shè)計(jì)了人機(jī)友好的界面，搭建準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并依據(jù)JJF 1326-2011《質(zhì)量比較儀》校準(zhǔn)規(guī)范，針對(duì)不同量程的質(zhì)量比較儀設(shè)計(jì)合理的校準(zhǔn)載荷點(diǎn)，配合機(jī)械抓取裝置完成標(biāo)準(zhǔn)砝碼的自動(dòng)選定。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，選定載荷點(diǎn)加載至比較儀并示值穩(wěn)定后，視覺系統(tǒng)對(duì)顯示屏圖片進(jìn)行采集，對(duì)圖像進(jìn)行初步處理。通過建立數(shù)據(jù)集，利用Faster R-CNN算法將目標(biāo)檢測(cè)問題轉(zhuǎn)換為目標(biāo)分類問題，并采用LetNet模型進(jìn)行圖像分類。后續(xù)將利用訓(xùn)練算法提升質(zhì)量比較儀的數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確性，確保測(cè)量數(shù)據(jù)誤差能夠被100%檢出。

（四）移動(dòng)平臺(tái)

在校準(zhǔn)系統(tǒng)的移動(dòng)平臺(tái)上配備了三軸移動(dòng)裝置，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)砝碼在砝碼庫及被校質(zhì)量比較儀之間直接平滑移動(dòng)。傳動(dòng)裝置采用光電傳感器進(jìn)行限位，以實(shí)現(xiàn)對(duì)砝碼抓手移動(dòng)位置的準(zhǔn)確控制，保證標(biāo)準(zhǔn)砝碼及被校質(zhì)量比較儀的安全。在標(biāo)準(zhǔn)砝碼抓手上設(shè)置小量程移動(dòng)裝置，并配備局部示值誤差測(cè)量用小砝碼專用抓手，以實(shí)現(xiàn)小砝碼抓取的精細(xì)動(dòng)作，完成對(duì)局部示值誤差的測(cè)量。同時(shí)，配備視覺定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小秤量盤的位置識(shí)別，確定偏載誤差測(cè)量位置。

四、質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)自動(dòng)采集不確定度評(píng)定系統(tǒng)

為解決質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)中存在的問題，本文研發(fā)了一套具有砝碼加載移動(dòng)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、智能化識(shí)別的質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)裝置，并在質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，對(duì)質(zhì)量比較儀自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的實(shí)際不確定度來源進(jìn)行分析，對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，保證量值溯源結(jié)果的準(zhǔn)確、完整、可靠、有效。

（一）系統(tǒng)需求

本項(xiàng)目的研究對(duì)象主要為全自動(dòng)大秤量質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)裝置，基于機(jī)器視覺的稱量盤定位與標(biāo)準(zhǔn)砝碼位置的確定。為實(shí)現(xiàn)不同廠家、多種型號(hào)質(zhì)量比較儀的校準(zhǔn)，實(shí)時(shí)采集屏幕圖片并基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像處理算法對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，完成對(duì)示值結(jié)果的自動(dòng)讀取。在開發(fā)系統(tǒng)過程中，針對(duì)局部示值誤差設(shè)計(jì)和制作專用砝碼，在保證標(biāo)準(zhǔn)砝碼精度要求的基礎(chǔ)上利于抓取裝置操作，保證移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)行過程中砝碼安全不易滑落。另外，設(shè)計(jì)開發(fā)了人機(jī)友好的交互平臺(tái)，并完成多項(xiàng)可靠性和準(zhǔn)確性的實(shí)驗(yàn)。

（二）系統(tǒng)目標(biāo)

在利用本智能化裝置對(duì)比較儀進(jìn)行校準(zhǔn)的過程中，要確保系統(tǒng)可滿足最大稱量（5～60）kg，分度值大于1mg的質(zhì)量比較儀的自動(dòng)化校準(zhǔn)。在對(duì)其進(jìn)行測(cè)量時(shí)，按照系統(tǒng)運(yùn)行要求，其中配備了一套滿足砝碼檢定規(guī)程E2等級(jí)要求，通過組合夾取標(biāo)稱質(zhì)量值為（1～20）kg專用砝碼對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。首先，在進(jìn)行檢驗(yàn)過程中，設(shè)計(jì)專用砝碼。通過自由組合抓取方式，利用機(jī)器視覺的機(jī)械手抓取及放置自動(dòng)定位系統(tǒng)確定砝碼的位置。然后，通過基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像處理算法的信息識(shí)別，對(duì)砝碼的示值進(jìn)行識(shí)別。憑借深度學(xué)習(xí)提升數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性，完成對(duì)數(shù)據(jù)信息的采集。最后，利用人機(jī)友好的交互界面，對(duì)不同量程的質(zhì)量比較儀完成標(biāo)準(zhǔn)砝碼的自動(dòng)選定。系統(tǒng)開發(fā)需要在保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的美觀性。同時(shí)，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要保證信息查詢的靈活性和便捷性，以及數(shù)據(jù)信息的安全性和防欺騙性。此外，為了保證信息輸入的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)入口處配備了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)口，其可以排除人為數(shù)據(jù)的干擾，提升數(shù)據(jù)信息的保密性，為質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的運(yùn)行提供支撐和保護(hù)。

（三）檢驗(yàn)流程

檢驗(yàn)流程依據(jù)執(zhí)行質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行，測(cè)量載荷點(diǎn)選取、測(cè)量次數(shù)、測(cè)量位置在輸入被校比較儀基本信息后自動(dòng)確定，放置位置自動(dòng)定位，標(biāo)準(zhǔn)砝碼靈活組合，機(jī)械手柔性接觸實(shí)現(xiàn)無損傷抓取，顯示屏幕智能識(shí)別，測(cè)量結(jié)果自動(dòng)讀取，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析，并生成電子記錄。

（四）操作界面

根據(jù)質(zhì)量管理體系、校準(zhǔn)規(guī)范要求、人員操作習(xí)慣等，設(shè)計(jì)人機(jī)友好的操作界面，進(jìn)行登錄人員信息確認(rèn)，具備校準(zhǔn)異常流程處理功能，以應(yīng)對(duì)校準(zhǔn)過程中出現(xiàn)的突發(fā)情況，保證被校質(zhì)量比較儀和標(biāo)準(zhǔn)砝碼的安全。

（五）基本信息

質(zhì)量比較儀的基本信息在系統(tǒng)中需要進(jìn)行信息確認(rèn)和錄入，并且在系統(tǒng)運(yùn)行期間需要完成對(duì)質(zhì)量比較儀的證書編號(hào)確認(rèn)，以完成對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的選擇和原始記錄記載。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將該實(shí)驗(yàn)的所有信息都進(jìn)行編號(hào)命名，以免原始數(shù)據(jù)被破壞，影響質(zhì)量比較儀的后續(xù)使用。在生成原始數(shù)據(jù)模板過程中，系統(tǒng)將自動(dòng)判別文件的真實(shí)性，技術(shù)人員需要通過查看文件明確數(shù)據(jù)獲取的安全性。

（六）計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果的處理依據(jù)質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行，對(duì)重復(fù)性、局部示值誤差、示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行保存并完成數(shù)據(jù)處理，根據(jù)質(zhì)量管理體系要求生成電子原始記錄。對(duì)每個(gè)校準(zhǔn)項(xiàng)目進(jìn)行不確定度分析，形成不確定度評(píng)定報(bào)告。

五、結(jié)束語

質(zhì)量比較儀主要應(yīng)用于砝碼量值傳遞，其量值測(cè)量的準(zhǔn)確性直接影響質(zhì)量計(jì)量的準(zhǔn)確性，間接影響力學(xué)、壓力、化學(xué)等專業(yè)的量值傳遞。質(zhì)量比較儀自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置的研制實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量比較儀檢測(cè)工作的智能化、自動(dòng)化，可以減少人為誤差對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響，提高校準(zhǔn)效率，保證質(zhì)量、力學(xué)等專業(yè)領(lǐng)域量值傳遞的準(zhǔn)確性和可靠性，填補(bǔ)了質(zhì)量比較儀自動(dòng)化檢測(cè)領(lǐng)域的空白。同時(shí)具備推廣至砝碼、電子天平、數(shù)字指示秤等計(jì)量器具自動(dòng)化檢定的可能，可極大降低勞動(dòng)強(qiáng)度與操作復(fù)雜度，提高質(zhì)量量值傳遞準(zhǔn)確度，具有廣闊的應(yīng)用前景。

作者單位：王晶 常穎 李青 天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院

參考文獻(xiàn)

[1]JJF 1326-2011《質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)規(guī)范》

[2]JJG 99-2022《砝碼檢定規(guī)程》

[3] 陳露，韓玉華，柯淑婷，等.一種高自動(dòng)化質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)裝置的研究及應(yīng)用[J].中國測(cè)試，2021，47（S01）：107-111.

[4]郭境.質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)結(jié)果在量傳中應(yīng)用[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2013， 40（11）：24-25+27.

[5] 吳君怡，趙進(jìn)，陳茂林，等.采用質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)砝碼質(zhì)量的方法與評(píng)定[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2017，44（05）：62-63.