智能指示表檢定儀的原理和設計

　　智能指示表檢定儀是一款全自動指示表檢定儀器，該儀器由CCD攝像技術及圖像處理技術加上成熟的光柵測量技術等組成，實現百分表、千分表、杠桿表等指示表示值誤差的檢定。
　　1　引言
　　指示表(百分表、千分表)是機械工業最為廣泛使用的常規儀表，在我國工業領域中發揮著舉足輕重的作用。在儀表生產企業和計量檢定技術機構，需要對指示表各指標進行準確檢定，以判斷是否合格，隨著指示表檢測市場的增大，使得指示表檢定工作也日趨繁瑣，成為檢測領域中一項勞動強度大的工作。以往的指示表檢定方法基本是采用高精度測微機構為標準，如千分尺，通過不斷旋轉測微桿改變長度由人眼進行示值讀數，然后反行程改變測微桿檢測反行程讀取數據，普通0～10mm的百分表原始讀數200多個點，最后由200多個讀數計算指示表的示值誤差、回程差等指標。這種檢定方法存在的問題是：(1)人工目視讀數的精度低，可靠性差，重復性差；(2)檢定人員的勞動強度大，檢定耗時長，工作效率低，易疲勞；(3)只能進行有限位置的定點檢定，靈活性和通用性差；(4)手工計算效率低，計算繁瑣，易出錯。近年來，檢測市場逐步出現各類半自動指示表檢定儀，不同程度的減輕了檢定員的勞動強度，但標準器的檢測精度殘差不齊，夾雜人工操作部分，檢測結果不確定評定中穩定性和重復性貢獻依然較大。因此，盡快研制出一種能夠快速、準確、穩定的能與人更好溝通的全自動指示表檢定儀，將對我國的儀表生產和檢定發揮很大的作用。計算機視覺、圖像處理等技術近年來隨著理論與方法的發展在應用方面取得了長足的進步。由攝像機獲取指示表圖像，將其轉換成數字信號，用計算機對視覺信息進行處理，再運用相關圖像處理方法對指示表圖像進行預處理、識別，確定出儀表的精度，并自動完成誤差分析，達到提高生產效率，減少人員消耗。降低生產成本的目的。
　　本課題的研究就是在采用計算機視覺技術、圖像處理技術和光學測量技術的基礎上，提供一種更快、更準確、更可靠的檢定方法。
　　2　智能指示表檢定儀的設計
　　智能指示表檢定儀的基本結構如圖1所示。該智能指示表檢定儀由PC機控制，經典的光柵測量技術中融入CCD攝像、圖像處理技術。檢定時只需將被檢表按規范要求安裝好，CCD攝像頭對準指示表表盤，在檢定程序中選擇相應的指示表類型，啟動檢測鍵，計算機根據CCD攝像電路讀取被檢表指針位置，經圖像處理系統將數據反饋傳人電機驅動電路，驅動光柵測量裝置及被檢表，形成閉環回路自動控制系統，檢測數據經數據處理程序給出檢測數據，示值誤差、回程差及結論，使整個指示表檢定方法簡單化、避免手動、半自動檢定儀手動定點的缺陷，大大減少由于人眼視力疲勞及人工定點帶來的誤差。有較好的系統穩定性及良好的計量性能。
　　2.1攝像系統
　　攝像系統由CCD攝像頭對準指示表表盤，對指示表各受檢點位置實時拍攝及圖像處理反饋后自動微調，結果監視，完成圖像獲取工作。本系統中選用MV-VS130FM／FC高分辨率黑白／彩色工業數字CCD攝像機，該攝像機最高分辨率為1280×1024，象素尺寸4.65μm，黑白輸出，12位ADS位數據輸出，清晰度大于960線，具有較好的數據交換接口。
　　2.2圖像處理及反饋系統
　　
　　該系統主要由圖像獲取、圖像預處理、圖像數據轉換、數據處理程序組成。經CCD攝像頭拍攝的圖像獲取后經過邊緣檢測、圖像銳化、閥值分割等預處理后，使原始圖像成為清晰的，對比度良好的可處理圖像。可處理圖像經過圖像處理程序完成表盤位置、示值刻度線、指針位置三個主要參數獲取。檢定儀在檢測點附近由圖像數據處理完成偏差計算，偏差小于閥值，讀取檢測數據；偏差大干閥值驅動電機進行微調，直至指針位置偏差小于閥值。該系統要求有快得相應能力，較高的數據處理速度。
　　2.3電機驅動系統
　　檢測時，伺服電機接受檢定命令后驅動指示表運動，按照預先設計好的指示表受檢點個數和相鄰受檢點之間距離間隔，驅動到受檢點位置，經檢測，指針位置正確后由光柵測量系統采集測量數據。該系統是整個檢定儀核心部件之一，要求結果簡單、穩定性能好，驅動精度高、響應速度快。基于以上要求，本系統驅動電路采用森創5BYG250D-0241兩相混合步進電機，該步進電機半步工作步距角0.9°，保持轉矩1.72N·m，定位轉矩0.07N·m，該步進電機采用SH-2806N細分驅動器，對步進64分后控制精度可達0.01°，導程小于0.01μm，具有較高的精度等級。
　　3　計量性能驗證
　　3.1重復性試驗
　　選取一計量性能較穩定的千分表安裝在智能指示表檢定儀的表座支架，調整其測頭與檢定儀測桿測量面相接觸，從同一方向重復移動檢定儀測桿10次，使千分表顯示同一值，記錄檢定儀10次顯示值的最大變化量，取最大變化量的1／3.08為檢定結果。
　　經試驗最大變化量在3.00mm點為0.00020mm
　　s=0.000203/3.08＝0.000065mm=0.065μm符合JJG201-2008《指示類量具檢定儀檢定規程》關于重復性的要求。
　　3.2穩定性試驗
　　智能指示表檢定儀的穩定性考核方法有兩種方式：(1)用穩定的計量器具每間隔一定時間對該指示表檢定儀進行檢測，連續檢測三次以上，(2)選擇一計量性能穩定的被檢指示表，每隔一段時間用指示表檢定儀對該指示表進行檢測，時間間隔大干一個月，連續三次以上。從計量器具保存、精度、方法綜合判定，選擇第一種方法為佳。故選擇三等量塊作為標準，每隔一個月對該指示表檢定儀進行檢測，共測量四次，其中某次試驗檢測數據如表1所示。
　　由上表可以看出各考核點四次試驗中最大值與最小值之差均小于百分表檢定儀的最大示值誤差。符合JJF1033-2008計量標準考核要求。
　　4　結語
　　本儀器要達到指示類儀表檢定及不確定度規范要求，就須保證該檢定儀各項指標均滿足JJG201-2008《指示類量具檢定儀檢定規程》。本儀器送計量部門檢測。示值誤差、回程差等各項計量性能要求均滿足規程要求。作為計量標準，該儀器具有較高的精度等級，該儀器操作簡單，性能穩定，重復測量能力較強，同時具有良好的人機溝通能力，較大程度的降低了勞動強度，縮短檢定時間，勞動效率大大提高，有較好的使用價