CN107063403B - 机械式水表计量精度自动检测装置及方法 - Google Patents

机械式水表计量精度自动检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用激光线定位水表梅花指针圆心的机械式水表计量精度自动检测装置及方法。本装置采用FPGA处理器对检测过程进行全面的控制，测试数据的处理；采用CMOS图像传感器把机械式水表梅花指针转动信号转换为数字信号输出到FPGA处理器处理，处理得到梅花指针转动的圈数；采用两条激光线自动定位水表梅花指针圆心，两条激光线和梅花指针圆心以及CMOS图像传感器像素单元在同一竖直平面。本发明利用激光线定位水表梅花指针和线阵CMOS图像传感器采集水表梅花指针转动数据的装置和方法，解决当前机械式水表检测中光电检测方式受环境影响大，图像检测中成本高，软件处理难度大的缺点，降低了检测成本，提高了检测效率。

Description

机械式水表计量精度自动检测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种机械式水表计量精度自动检测装置及方法，特别是涉及一种利用激光线自动定位机械式水表梅花指针的机械式水表计量精度自动检测装置及方法，属于电子信息领域，且涉及到自动化检测的概念，亦属于自动检测技术领域。
背景技术
在生产机械式水表的过程中，存在着一部分产品质量不合格的情况，所以在机械式水表投入实际应用之前，对其计量精度的检测非常重要。由于机械式水表梅花指针随着机械式水表叶轮转动而转动，机械式水表梅花指针转速和机械表叶轮转速成正比，所以机械式水表梅花指针的转速与机械式水表计量精度相关，机械式水表在出厂之前会由工人进行检测，检测的主要方法是检测机械式水表表盘中梅花指针转速，并根据经验调节至标准值，但是由于人工判断，仍然会存在机械式水表测量不准确的情况。所以，在出厂之后仍需对机械式水表计量精度进行检测。
目前在机械式水表检测过程中，多为手动检测装置，其原理是通过比较被测机械式水表数据与间接得到的标准数据计算误差。在数据比对的操作过程中需要人工读数，容易存在人为误差，而且校验时间较长；目前机械式水表自动检测装置发展迅速，存在光电检测装置，图像处理检测装置等，光电检测由于存在对检测环境要求高，水表中出现水泡，水雾的现象导致的误差无法克服，同时，光电检测装置无法精确对准水表梅花指针，也是光电检测装置逐渐被淘汰的重要原因。图像处理检测装置主要是采用摄像机采集水表指针数据，通过图像处理技术识别出指针数据，这种方法成本较高，软件处理难度也较大，不利于生产。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有自动定位水表梅花指针功能的机械式水表计量精度自动检测装置和方法。利用激光线定位机械式水表梅花指针圆心、图像传感器采集梅花指针图像数据，实现对梅花指针图像数据精确的采集，达到方法简单、成本低廉、可靠性高。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：
一种机械式水表计量精度自动检测装置，包括处理电路板、CMOS图像传感器、微型光学镜头、激光管、LED灯、OLED显示屏、按键；其特征在于：所述处理电路板电连接CMOS图像传感器、微型光学镜头、激光管、LED灯、OLED显示屏和按键。
CMOS图像传感器两端分别安装一个激光管，且两个激光管关于CMOS图像传感器中心左右对称；
两条激光线和CMOS图像传感器像素单元以及机械式水表梅花指针圆心位于同一竖直平面；
所述CMOS图像传感器是线阵图像传感器，和所述微型光学镜头组合用以采集机械式水表梅花指针数据，所述处理电路板对采集到的图像数据进行处理；
所述微型光学镜头是定焦镜头，根据微型光学镜头焦距、机械式水表梅花指针与微型光学镜头的垂直距离、激光管距离CMOS图像传感器中心的距离确定激光管倾斜角度；
所述处理电路板采用FPGA作为数据处理器，用于运行数据处理程序，根据机械式水表梅花指针外部采集光线，自适应调整所述LED灯亮度用以达到所述CMOS图像传感器所需的采集亮度，根据按键信号实现对应的软件功能，接收CMOS图像传感器采集到的梅花指针转动数据，并根据图像数据进行处理得到梅花指针转过的圈数。
所述OLED显示屏组合按键用以控制CMOS图像传感器的采集开始和关闭，提示操作人员进行梅花指针圆心对准。
一种机械式水表计量精度自动检测方法，采用上述的机械式水表计量精度自动检测装置进行检测操作，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
第一步，根据微型光学镜头焦距、机械式水表梅花指针与微型光学镜头的垂直距离、激光管距离CMOS图像传感器中心的距离，在两条激光线和线阵CMOS图像传感器像素单元所在竖直平面调整激光管至正确倾斜角度；
第二步，打开水表检测装置电源开关，根据OLED显示屏显示的提示按下按键一，进行激光线定位机械式水表梅花指针操作，移动水表位置使梅花指针与微型光学镜头的垂直距离到达预定值，然后再对水表位置进行微调使两激光线相交汇聚于水表梅花指针圆心。
第三步，按下按键二，CMOS图像传感器开始采集机械式水表梅花指针图像数据，打开水阀进行水表检测，处理电路板对采集到的梅花指针数据进行处理，得到梅花指针转过的圈数。
第四步，检测完成，按下按键三，结束CMOS图像传感器图像采集，根据梅花指针圈数计算得到流过水表的水量，再与标注水量进行比较，得出检测结果。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明使用线阵CMOS图像传感器，配合激光线定位，相比市场上最常用的摄像机图像处理、光电检测等受环境影响较小，抗干扰强，更适合于工厂环境下检测；
2.本发明装置结构简单，使用方便易操作，适应性好，系统稳定可靠，成本较低，便于快速投入工业检测现场，在工业现场对水表进行简单安装即可使用，缩短了检测时间。
附图说明
图1为本申请机械式水表计量精度自动检测装置结构示意图。
图2为本申请机械式水表计量精度自动检测装置利用激光线定位梅花指针圆心的示意图。
图3为本申请机械式水表计量精度自动检测方法流程示意图。
图4为本申请实施例中确定激光管倾斜角度的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明优选实施例做详细说明：
实施例一：
参见图1、图2和图4，本机械式水表计量精度自动检测装置，包括处理电路板12、CMOS图像传感器5、微型光学镜头8、激光管7、LED灯6、OLED显示屏1、按键2、按键3、按键4；其特征在于：所述处理电路板12电连接CMOS图像传感器5、微型光学镜头8、激光管7、LED灯6、OLED显示屏1、按键2、按键3、按键4；所述CMOS图像传感器5两端分别安装一个激光管7，且两个激光管7与CMOS图像传感器5的中心左右对称；两个激光管7产生的两条激光线和CMOS图像传感器5像素单元以及被测水表10的梅花指针9圆心位于同一竖直平面；所述CMOS图像传感器5是线阵图像传感器和所述微型光学镜头8组合用以采集水表梅花指针数据，所述处理电路板12对采集到的图像数据进行处理；所述微型光学镜头8是定焦镜头，根据微型光学镜头8焦距、水表梅花指针9与微型光学镜头8的垂直距离、激光管7距离CMOS图像传感器5中心的距离确定激光管7倾斜角度；所述处理电路板12采用FPGA作为数据处理器，用于运行数据处理程序，根据水表梅花指针9外部采集光线，自适应调整所述LED灯6亮度用以达到所述CMOS图像传感器5所需的采集亮度，根据按键2、按键3和按键4信号实现对应的软件功能，接收CMOS图像传感器5采集到的梅花指针9转动数据，并根据图像数据进行处理得到梅花指针9转过的圈数。所述OLED显示屏1组合按键2、按键3、按键4用以控制CMOS图像传感器5的采集开始和关闭，提示操作人员进行梅花指针9圆心对准。
实施例二：
本实施例与实施一基本相同，特别之处如下：
所述激光管7倾斜角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，由梅花指针9成像像距V、水表10梅花指针9与微型光学镜头8的垂直距离U、激光管7距离CMOS图像传感器5中心的距离L确定；梅花指针9成像像距V由微型光学镜头8焦距F、水表10梅花指针9与微型光学镜头8的垂直距离U通过高斯公式
Figure 771202DEST_PATH_IMAGE002
确定。所述CMOS图像传感器5采用线阵图像传感器，用于把水表10梅花指针9的转动信号转换为数据处理器能处理的数字信号。
实施例三：
参见图3，机械式水表计量精度自动检测方法，采用上述装置进行检测操作，其特征在于：
第一步，根据微型光学镜头8焦距、水表10梅花指针9与微型光学镜头8的垂直距离、激光管7距离CMOS图像传感器5中心的距离，在两条激光线和线阵CMOS图像传感器5像素单元所在竖直平面调整激光管7至正确倾斜角度；
第二步，打开机械式水表计量精度自动检测装置电源开关，根据OLED显示屏1显示的提示按下按键一2，进行激光线定位水表梅花指针操作，移动水表10位置使水表梅花指针9与微型光学镜头8的垂直距离到达预定值，然后再对水表10位置进行微调使两激光线相交汇聚于水表梅花指9针圆心。
第三步，按下按键二3，CMOS图像传感器5开始采集水表10梅花指针9图像数据，打开水阀进行水表检测，处理电路板12对采集到的梅花指针9数据进行处理，得到梅花指针9转过的圈数；
第四步，检测完成，按下按键三4，结束CMOS图像传感器5图像采集，根据梅花指针9圈数计算得到流过水表10的水量，再与标注水量进行比较，得出检测结果。
实施例四：
如图1所示本机械式水表计量精度自动检测装置结构示意图，一种利用激光线定位水表梅花指针圆心的水表检测装置，包括OLED显示屏1、按键2、按键3、按键4、CMOS图像传感器5、LED灯6、激光管7、微型光学镜头8、水表梅花指针9、水表10、处理电路板11、CMOS图像传感器像素单元12。
CMOS图像传感器5两端分别安装有一个激光管7，且两个激光管7关于CMOS图像传感器5中心左右对称。
所述OLED显示屏用于显示指示画面，管理测试步骤，提示操作人员进行梅花指针圆心对准，显示处理后梅花指针所转圈数；所述按键2用于确保操作人员进行梅花指针圆心对准；所述按键3用于开启CMOS图像传感器图像采集；所述按键4用于关闭CMOS图像传感器图像采集，显示所测梅花指针转过的圈数；所述CMOS图像传感器5用于把梅花指针的转动信号转换为处理电路板11能处理的数字信号；所述LED灯6用于补偿水表外界光线亮度；所述激光管7用于自动对准水表梅花指针圆心；所述处理电路板11采用FPGA作为数据处理器，用于运行数据处理程序，根据水表梅花指针外部采集光线，自适应调整所述LED灯亮度用以达到所述CMOS图像传感器所需的采集亮度，根据按键信号实现对应的软件功能，接收CMOS图像传感器5采集到的梅花指针转动数据，并根据图像数据进行处理得到梅花指针转过的圈数，实现测试数据和测试步骤的管理。
如图2所示为本申请机械式水表计量精度自动检测装置利用激光线定位梅花指针圆心的示意图，包括CMOS图像传感器5、LED灯6、激光管7、微型光学镜头8、梅花指针9、机械式水表10、CMOS图像传感器像素单元12、作用如前所述；两个激光管7关于CMOS图像传感器5中心左右对称，两条激光线14和CMOS图像传感器像素单元12以及梅花指针圆心处于同一竖直平面13，在竖直平面内，激光管具有倾斜角度使两条激光线14相交汇聚梅花指针圆心处。
如图3所示为，一个完整的测试过程包括以下四步：第一步，根据微型光学镜头焦距、水表梅花指针与微型光学镜头的垂直距离、激光管距离CMOS图像传感器中心的距离，在两条激光线和线阵CMOS图像传感器像素单元所在竖直平面调整激光管至正确倾斜角度；第二步，打开水表检测装置电源开关，根据OLED显示屏显示的提示按下按键一，进行激光线定位机械式水表梅花指针操作，移动水表位置使水表梅花指针与微型光学镜头的垂直距离到达预定值，然后再对水表位置进行微调使两激光线相交汇聚于水表梅花指针圆心。第三步，按下按键二，CMOS图像传感器开始采集水表梅花指针图像数据，打开水阀进行水表检测，处理电路板对采集到的梅花指针数据进行处理，得到梅花指针转过的圈数。第四步，检测完成，按下按键三，结束CMOS图像传感器图像采集，根据梅花指针圈数计算得到流过水表的水量，再与标注水量进行比较，得出检测结果。至此，一个完整的测试完成。
如图4所示为实施例中确定激光管倾斜角度的原理示意图，本实施例中，采用焦距为F为25mm的微型光学镜头8，机械式水表梅花指针9与微型光学镜头8的垂直距离U为25cm，焦距F为25mm，通过高斯成像公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
可得像距V为2.78cm，梅花指针直径为10mm，根据图4中的成像相似三角形16可得梅花指针9在CMOS图像传感器像素单元12的成像宽度为1.11mm，线阵CMOS图像传感器像素单元12具有1024个像元，长度约为14.3mm,计算可得梅花指针成像占据线阵CMOS图像传感器82个像素点左右，此条件下，处理电路板能正确处理CMOS图像传感器采集到的梅花指针转动数据。激光管倾斜角度15为
Figure 550939DEST_PATH_IMAGE001
,在本实施例中，L为2.4cm，计算得到两激光管倾斜角度15为4.9°。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明利用激光线定位梅花指针圆心的水表自动定位检测装置及方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种机械式水表计量精度自动检测装置，包括处理电路板(12)、CMOS图像传感器(5)、微型光学镜头(8)、激光管(7)、LED灯(6)、OLED显示屏(1)、按键(2、3、4)；其特征在于：所述处理电路板(12)电连接CMOS图像传感器(5)、微型光学镜头(8)、激光管(7)、LED灯(6)、OLED显示屏(1)和按键(2、3、4)；所述CMOS图像传感器(5)两端分别安装一个激光管(7)，且两个激光管(7)与CMOS图像传感器(5)的中心左右对称；两个激光管(7)产生的两条激光线和CMOS图像传感器(5)像素单元以及被测水表(10)的梅花指针(9)圆心位于同一竖直平面；所述CMOS图像传感器(5)是线阵图像传感器和所述微型光学镜头(8)组合用以采集水表梅花指针数据，所述处理电路板(12)对采集到的图像数据进行处理；所述微型光学镜头(8)是定焦镜头，根据微型光学镜头(8)焦距、水表梅花指针(9)与微型光学镜头(8)的垂直距离、激光管(7)距离CMOS图像传感器(5)中心的距离确定激光管(7)倾斜角度；所述处理电路板(12)采用FPGA作为数据处理器，用于运行数据处理程序，根据水表梅花指针(9)外部采集光线，自适应调整所述LED灯(6)亮度用以达到所述CMOS图像传感器(5)所需的采集亮度，根据按键(2、3、4)信号实现对应的软件功能，接收CMOS图像传感器(5)采集到的梅花指针(9)转动数据，并根据图像数据进行处理得到梅花指针(9)转过的圈数，所述OLED显示屏(1)组合按键(2、3、4)用以控制CMOS图像传感器(5)的采集开始和关闭，提示操作人员进行梅花指针(9)圆心对准；所述CMOS图像传感器(5)采用线阵图像传感器，用于把水表(10)梅花指针(9)的转动信号转换为数据处理器能处理的数字信号。
2.根据权利要求1所述一种机械式水表计量精度自动检测装置，其特征在于：所述激光管(7)倾斜角度为
Figure FDA0002632869050000011
由梅花指针(9)成像像距V、水表(10)梅花指针(9)与微型光学镜头(8)的垂直距离U、激光管(7)距离CMOS图像传感器(5)中心的距离L确定；梅花指针(9)成像像距V由微型光学镜头(8)焦距F、水表(10)梅花指针(9)与微型光学镜头(8)的垂直距离U通过高斯公式
Figure FDA0002632869050000021
确定。
3.一种机械式水表计量精度自动检测方法，采用根据权利要求1所述的机械式水表计量精度自动检测装置进行检测操作，其特征在于操作步骤如下：
第一步，根据微型光学镜头(8)焦距、水表(10)梅花指针(9)与微型光学镜头(8)的垂直距离、激光管(7)距离CMOS图像传感器(5)中心的距离，在两条激光线和线阵CMOS图像传感器像素单元所在竖直平面调整激光管(7)至正确倾斜角度
Figure FDA0002632869050000022
梅花指针(9)成像像距V由微型光学镜头(8)焦距F、水表(10)梅花指针(9)与微型光学镜头(8)的垂直距离U通过高斯公式
Figure FDA0002632869050000023
确定；
第二步，打开机械式水表计量精度自动检测装置电源开关，根据OLED显示屏(1)显示的提示按下按键一(2)，进行激光线定位水表(10)梅花指针(9)操作，移动水表(10)位置使水表(10)梅花指针(9)与微型光学镜头(8)的垂直距离到达预定值，然后再对水表(10)位置进行微调使两激光线相交汇聚于水表(10)梅花指针(9)圆心；
第三步，按下按键二(3)，CMOS图像传感器(5)开始采集水表(10)梅花指针(10)图像数据，打开水阀进行水表检测，处理电路板(12)对采集到的梅花指针(9)数据进行处理，得到梅花指针(9)转过的圈数；
第四步，检测完成，按下按键三(4)，结束CMOS图像传感器(5)图像采集，根据梅花指针(9)圈数计算得到流过水表(10)的水量，再与标注水量进行比较，得出检测结果。
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