指針式儀表的自動檢定系統研究

趙　準

摘要:本文在數字圖像處理技術、精密光柵測量技術以及步進電機控制技術的基礎上對指針式儀表的自動檢定進行了研究,并設計了一種指針式儀表的自動檢定系統。實踐表明,本系統具有高精度、高分辨率、高自動化程度等優點。

關鍵詞:指針式儀表 數字圖像處理 步進電機控制

1. 引言

指針式儀表是工業領域中應用非常普遍的測量儀表之一。國內對指針式儀表的檢測工作主要是采用人工觀測讀數的方法,來判斷產品的合格與否,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,不穩定、可靠性不高。而且數據處理工作量大,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,研究一種快速、準確、穩定的指針式儀表自動檢定系統,將非常有助于我國的儀表生產和檢定。本文的研究是在采用光柵測量技術、步進電機伺服控制技術和數字圖像處理技術的基礎上,為指針式儀表提供一種自動化程度更高、速度更快、更準確、更可靠的檢定方法。本系統能自動完成儀表的示值誤差的檢定,且準確度高、分辨能力強、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. 系統工作原理

本文是對指針式儀表的自動檢定技術進行研究,完成對儀表的各種精度的檢定。在系統的設計過程中,要著重的注意以下幾點:

(1)系統的自動化程度,這直接決定系統的檢定工作效率。

(2)盡量減少系統誤差,因為百分表、千分表等指針式儀表本身為精密測量儀器,要使系統能夠檢定儀表的精度,那么系統應該有更高的精度。考慮到這兩點,本系統先是采用步進電機伺服控制技術來驅動儀表指針轉動,然后利用CCD攝像機對指針進行“觀察”和“讀數”,實現了系統的自動化;同時采用光柵傳感器作為精密測量設備來降低系統誤差。

結合上面的原理,根據本系統的功能我們設計整個系統的工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統工作原理圖

計算機的主要任務包括:表盤圖像和光柵信號的采集、表盤圖像的處理、步進電機的控制。表盤圖像的采集是通過控制CCD攝像機實現的;光柵信號的采集是通過與光柵測量系統的通信實現的;步進電機的控制是通過步進電機控制卡發送脈沖給步進電動機驅動器來實現的。步進電動機帶動光柵傳感器的手輪,從而驅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動。儀表的準確位移量由光柵測量系統測得,最終由串口傳送到計算機。攝取的表盤圖像通過圖像采集卡傳輸到計算機。

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。系統工作時,首先根據被檢表的類型和量程確定受檢點的個數和相鄰受檢點之間的分度間隔。然后由步進電動機帶動動儀表指針轉動。在儀表指針轉動時,計算機實時采集光柵測量系統的測量數據,當該數據與相鄰受檢點的間隔距離相等時,計算機啟動CCD攝像機采集表盤圖像,對采集到的表盤圖像進行處理,從而確定儀表指針的位置參數,并將該位置參數與光柵測量系統采集到的基準量相比較,從而求出該受檢點的示值誤差。按照這種方法依次檢測正反行程內各受檢點的示值誤差。在測量完正反行程各受檢點的示值誤差之后,根據國家指示表類檢定規程JJG34.96所規定的檢定算法,并依據所有受檢點的示值誤差,可以計算儀表的其它各項精度指標如工作行程誤差、回程誤差等。

3. 系統總體結構設計

本系統總體結構按照圖1來設計。系統采用步進電機為動力源,步進電機通過彈性連軸結與光柵傳感器的轉動輪相連,轉動輪將電機的旋轉運動變為直線運動,并推動光柵傳感器的推桿與被檢表的測桿相對,當推桿與測桿相接觸后,步進電機便可以直接驅動測桿移動。

光柵測量系統是利用光柵測長原理實時地對光柵傳感器的輸出信號進行處理,并通過計算機串口把標準位移值送到計算機。本系統采用的光柵傳感器每lmm有100個刻線,光柵測量系統對光柵傳感器的信號進行了20細分,光柵傳感器的測桿每移動0.51ma,光柵測量系統的輸出位移值就改變1。步進電機的轉動由計算機通過步進電機控制卡進行控制。當光柵傳感器的推桿未與被檢表測桿相接觸時,計算機控制步進電機快速運動。當推桿與測桿接觸后,計算機控制電機做低速勻速轉動,實現被檢表的指針勻速轉動,保證示值測量精度。當被檢表指針達到最大行程后,計算機控制電機反向運轉,實現反行程檢定。

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

4. 本系統的優點

本文研究的指針式儀表的自動檢定方法是基于數字圖像處理技術、精密光柵測量技術以及步進電機控制技術的,將數字圖像處理技術用于指針式儀表的檢定,具有精度高、效率高、易于實現自動測量等優點;另外,將精密光柵測量技術用來測微位移,有利于提高系統的分辨率;還有,通過步進電機控制卡來實現在計算機上對多步進電機的控制,提高了系統的自動化程度。

參考文獻:

[1]徐慧,Visual c++數字圖像實用工程案例精選.北京:人民郵電出版社,2004

[2]數字圖像處理(朱志剛,林學閹,石定機等譯).北京:電子工業出版社,2002.392—393

作者簡介:趙準,男,漢族,1975年出生,河南南陽,新鄉博力達濾器機械有限公司,主要從事儀表電氣方面的設計安裝。