CN101034154A - 直读仪表全自动检定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直读仪表全自动检定方法及装置，新方法运用计算机视觉理论、信息处理技术、数字波形合成技术和智能仪器设计原理，解决了仪表检定中最为关键的被检定仪表示数自动判读的问题，提出了一种以计算机作为检定装置的检定控制中心，全自动进行仪表检定的方法，设计了一种为实现这种方法的检定装置，实现了电测仪表示值读取、程控标准源控制、误差分析和检定报表输出的全自动化。本发明所采用的方法可适用于各类电测仪表的检定。

Description

直读仪表全自动检定方法及装置

技术领域

本发明属于测量仪表技术领域，特别涉及电测仪表的检定方法及装置。

背景技术

仪表检定是一项准确度要求很高的工作，目前，直读式仪表的检定方法可分为两类，一类是“标准表法”，它采用人工读取标准表和被检定仪表的显示的读数，靠手动调节校准用的电源来不断调整量程，这种方法，由于仪表量程多、标尺刻度特性各异，检定中靠眼盯、手调、手记、人算，不仅劳动强度大，工作效率低，往往检定结果的误差受人为影响的因素较大。

第二类是用“以源检表”代替“以表检表”(标准表法)，利用标准源替代标准表作为检定标准，这种检定方法又分为半自动、和全自动两种方式：在“半自动仪表校验”中，采用由微机调控标准程控源、人工读数进行检定，其结果同样要受到人工读数的影响。在采用“光电式识别系统”的“电表全自动校验”装置中，要求“光电转换器”与仪表表盘、指针相对位置准确，不然会引起较大误差，同时机械移动“光电转换器”的复杂操作，增加了装置操作和维修工作量，同时还降低了系统的可靠性。“光电式识别系统”也没有从根本上解决仪表指针及标尺刻度的识别的难题，也无法做到真正意义上的全自动校验。本发明采用的全自动检定方法及装置，解决了前两类方法存在的问题，为仪表的检定提供了新的方法和装置。

发明内容

本发明运用计算机视觉理论、信息处理技术、数字波形合成技术和智能仪器设计原理，解决了仪表检定中最为关键的被检定仪表示数自动判读的难题，提出了一种以计算机作为检定装置的检定控制中心，全自动进行仪表检定的方法，设计了一种为实现这种方法的检定装置，实现了电测仪表示值读取、程控标准源控制、误差分析和检定报表输出的全自动化。本发明所采用的方法可适用于各类电测仪表的检定。

附图说明

图-1直读仪表全自动检定方法组成原理框图

图-2直读仪表全自动检定装置结构图

图-3直读仪表全自动检定方法程序流程简图

图-4仪表示数读取的几何修正模型计算图

具体实施方式：

以下结合图-1、图-3进一步说明直读仪表全自动检定方法的步骤，本方法和装置以计算机(4)作为检定装置的检定控制中心，进行仪表检定的第一步，首先要向计算机输入被检定仪表的类型，计算机根据仪表类型从数据库内查询被检定仪表的相关信息。第二步，调整摄像机(13)与被检定仪表的位置，采集标准模板(19)的图像，标定摄像机的内外参数。第三步，开始检表，控制计量标准电流源(9)、标准电压源(10)输出标准电量，大小与被检定仪表的特定分度线相符合，激励被检定仪表(14)按检定规程的要求发生偏转。第四步，当计量标准电流源(9)、标准电压源(10)达到稳定输出后，由摄像机(13)采集被检定仪表(14)的视频图像，计算机对采集的图像进行预处理，然后对指针、分度线和表盘符号进行识别，计算分度线与指针的参数，修正被检定仪表(14)的示值。第五步，给计量标准电流源(9)、标准电压源(10)发指令，输出下一个检定的标准量，以后重复第三步和第四步。检定过程中需要驱动被检定仪表(14)的示值由零值按标度逐渐递增到满偏值，然后再由满偏值逐渐递减到零值两个过程，每个过程都以计量标准电流源(9)、标准电压源(10)的输出为准确值，以计算机图像识别后的被检定仪表的示值为实际检测值，两值之差的平均值作为此分度线的绝对误差值，并将此数值存入数据库(2)。第六步，确定出被检定仪表所有示值范围内的最大绝对误差，计算出最大引用误差，根据国家标准判定被检定仪表的误差是否符合其准确度等级、存入数据库(2)并打印输出检定结论。

检定过程中，对指针、分度线和表盘符号识别，将表盘元素看作颗粒目标，提取了图像中颗粒目标的长度比、紧密性和简单度三个特征量。长度比因子L_r：颗粒最大截距M_m与垂直平均截距M_p之比，即：L_r＝M_m/M_p，紧密性因子T_r：颗粒面积A_p与外切矩形面积A_r之比，即：T_r＝A_p/A_r，简单度因子S_r：颗粒面积A_p除以颗粒周长A_c，即：S_r＝A_p/A_c。对各元素标记后采用三层径向基函数神经网络识别表盘元素。

检定过程中，计算分度线与指针的参数采用点-弧线投影极值检测法，可以识别标度尺均匀与非均匀分布的直读式仪表；点-弧线投影极值检测法原理如下：

由差分图像中的两条指针拟合出其旋转轴心，以此轴心为坐标原点，水平方向为基准线，将仪表图像中分度线上的各黑像素点，沿径向投影到半径为R(稍大于指针长度)的一段圆弧上，可以由原点与像素点构成直线的延长线与弧线相交得到交点，取g_i(θ)为圆弧上与基准线夹角θ交点的相交频度。在圆弧上总投影强度由S(θ)＝K∑g_i(θ)计算，其中K为与光照有关的权重系数，θ为原点到圆弧上交点构成的直线与基准线的夹角(与g_i(θ)相同)。S(θ)的大小即可反应分度线的分布和长短。找到弧线上S(θ)的各极大值点，限定其有效幅值的大小范围，由极值点和原点可确定对应的θ，得到分度线参数方程。

检定过程中，修正被检验仪表的示值，采用固定视点的仪表示值修正算法，用来消除由于视角偏差产生的读数误差，满足仪表读取准则对检定过程动态移动视点的要求；固定视点的仪表示值修正算法原理如下：

参见图-4，仪表示数读取的几何修正模型计算图，指针所处平面、标度盘平面和成像平面O₁XY均相互平行，按常规的针孔模型成像后，由于指针平面与标度盘平面之间距离D的存在，指针尖端P₂点在像平面O₁XY投影点为P_u(x_u，y_u)，而标度盘上的P点在像平面上的投影也叠加的Pu点。按照读取仪表的规则，P₂点应该与其在标度盘平面上的垂直投影P₁点比对得出示数，而不应该是P点，显然在成像过程中存在读数误差。这实质上由于指针和标度盘在同一图像平面上成像的缩放系数不同所导致。本发明提出利用P1点重新在成像平面上投影来计算实际的仪表示数，避免了检定过程中移动视点的难题(机械移动视点速度慢，需要重新标定坐标，而且会造成可靠性降低)。

随着输入标准量的变化(此时标度盘固定，指针产生运动)，“固定视点的仪表示值修正算法”重构各点的映射关系，在像平面上“虚拟出”P_u1(x_u1，y_u1)点(成像时P_u1不存在)对应指针尖端。

由几何关系可得三角形O_cPP₁和O_cP_uP_u1，以及O_cP_uO₁和P₂PP₁是相似三角形，故采用固定视点来重构合成图像，可找到图像的P_u1点。

由 $\frac{f}{f+H}=\frac{P_{u1}{P}_u}{P_{1}P},$ $\frac{O_1{P}_u}{P_{1}P}=\frac{f}{D}$

得到 $P_u{P}_{u1}=\frac{D}{f+H}\×O_1{P}_u$

其中f、H分别为本发明具体实施方式第二步中标定出的焦距和物距。如O₁P_u可由像平面上指针尖端成像点坐标 求得，将各量代入公式可求出P_u1坐标，从而确定指针修正后的参数方程，由仪表标度盘的图像可得到分度线方程，二者比对后即为在视点固定时仪表的修正读数，满足读表准则的要求。

为了对被检定仪表进行全寿命的管理，在数据库中建立了对仪表全寿命期的检定信息建立管理档案，检定档案包括历史检定数据和仪表外观图像，在检定工作实施过程中可以自动存储、查询和管理检定档案。

图-2是为了实现直读仪表全自动检定方法而设计的组合式直读仪表检定装置，装置的特点是由组件组合构成，装置的支撑箱(16)和支撑腿(17)支撑着台板(15)，支撑腿(17)固定在台板(15)上，支撑腿(17)可进行90度的折叠。在台板(15)上装有一个表计支撑杆(20)和一个万向调整杆(23)。装置的表计支撑杆(20)距离台板台面长度可以调整，它通过安装在台板台面的特制螺母(21)来调整，最终达到调整表计卡座(18)高度的目的。在表计支撑杆(20)的上端安装有一个表计卡座(18)，用来固定被检定仪表，表计卡座(18)上装有一个标准模版(19)，为摄像机采集标准的图像，标定摄像机的内外参数用。

在表计支撑杆(20)的对应位置，设有一个万向调整杆(23)，在万向调整杆(23)上装有一个摄像机(13)和照明光源(12)，照明光源为检定仪表提供充足的光线，万向调整杆(23)可以为摄像机调整位置和方向，万向调整杆通过一个定位螺栓(22)固定在台板(15)上。特制螺母(21)与定位螺栓(22)安装定位要求是：特制螺母(21)与定位螺栓(22)要定位在与台板(15)的台边平行的一条直线上。

组合式直读仪表检定装置的其它辅助设备，可以安放在不同的位置上，数据库(2)、程控标准电流源(9)、标准电压源(10)可设在支撑箱(16)内，计算机显示器、键盘等可安放在台板上。

实施本方法和制作本装置，都尽量采用国家规定的标准的器件、配件和设备，在此不作详细说明。

在附图中，(1)是显示器、(2)数据库、(3)网络通信接口、(4)计算机、(5)打印机、(6)键盘、(7)通信接口RS232、(8)图像采集卡、(9)程控标准电流源、(10)程控标准电压源、(11)连接电缆、(12)照明光源、(13)摄像机、(14)被检定仪表、(15)台板、(16)支撑箱、(17)支撑腿、(18)表计卡座、(19)标准模版、(20)支撑杆、(21)螺母、(22)定位螺栓、(23)万向调整杆。

Claims (9)

1、一种直读仪表全自动检定方法，以计算机作为检定装置的控制中心，其检定方法的特征是：检定方法按以下步骤实施，第一步，输入被检定仪表的类型，计算机根据仪表类型从数据库查询被检定仪表信息；第二步，调整摄像机(13)与被检定仪表(14)的位置，采集标准模板(19)的图像，标定摄像机的内外参数；第三步，控制计量标准电流源(9)、标准电压源(10)输出标准电量，大小与被检定仪表的特定分度线相符合，激励被检定仪表(14)按检定规程的要求发生偏转；第四步，当计量标准电流源(9)、标准电压源(10)达到稳定输出后，由摄像机(13)采集被检定仪表(14)的视频图像，计算机对采集的图像进行预处理，然后对指针、分度线和表盘符号进行识别，计算分度线与指针的参数，修正被检定仪表(14)的示值；第五步，给计量标准电流源(9)、标准电压源(10)发指令，输出下一个检定的标准量，以后重复第三步和第四步；检定过程中需要驱动被检定仪表(14)的示值由零值按标度逐渐递增到满偏值，然后再由满偏值逐渐递减到零值两个过程，每个过程都以计量标准电流源(9)、标准电压源(10)的输出为准确值，以计算机图像识别后的被检定仪表的示值为实际检测值，两值之差的平均值作为此分度线的绝对误差值，并将此数值存入数据库；第六步，确定出被检定仪表所有示值范围内的最大绝对误差，计算出最大引用误差，根据国家标准判定被检定仪表的误差是否符合其准确度等级、存入数据库，并打印输出检定结论。

2、根据权利要求1所述的直读仪表全自动检定方法，其特征在于：对指针、分度线和表盘符号识别，将表盘元素看作颗粒目标，提取了图像中颗粒目标的长度比、紧密性和简单度三个特征量，采用径向基函数神经网络识别表盘元素。

3、根据权利要求1所述的直读仪表全自动检定方法，其特征在于：计算分度线与指针的参数采用点-弧线投影极值检测法，可以识别标度尺均匀与非均匀分布的直读式仪表。

4、根据权利要求1所述的直读仪表全自动检定方法，其特征在于：修正被检验仪表的示值，采用固定视点的仪表示值修正算法，用来消除由于视角偏差产生的读数误差，满足仪表读取准则对检定过程动态移动视点的要求。

5、根据权利要求1所述的直读仪表全自动检定方法，其特征在于：所述方法具有利用关系数据库对仪表全寿命期的检定信息建立管理档案，检定档案包括历史检定数据和仪表外观图像，在检定工作实施过程中，可以自动存储、查询和管理检定档案。

6、一种为实现权利要求1所述方法而设计的组合式直读仪表检定装置，其特征在于：装置由组件组合构成，装置的支撑箱(16)和支撑腿(17)支撑着台板(15)，支撑腿(17)固定在台板(15)上；台板(15)上装有一个表计支撑杆(20)和一个万向调整杆(23)。

7、根据权利要求6所述的组合式直读仪表检定装置，其特征在于：表计支撑杆(20)安装在一个可调节表计支撑杆(20)距离台板面长度的特制螺母(21)上，表计支撑杆(20)的上端装有一个表计卡座(18)，表计卡座(18)上装有一个标准模版(19)。

8、根据权利要求6所述的组合式直读仪表检定装置，其特征在于：在表计支撑杆(20)的对应位置设有一个万向调整杆(23)，万向调整杆(23)上装有一个摄像机(13)和照明光源(12)，万向调整杆(23)通过定位螺栓(22)固定在台板(15)上。

9、根据权利要求6所述的组合式直读仪表检定装置，其特征在于：特制螺母(21)与定位螺栓(22)安装在与台板(15)的台边平行的一条直线上。

Images