CN107101701B - 机械式水表计量精度视觉自适应检定方法 - Google Patents

机械式水表计量精度视觉自适应检定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机械式水表计量精度视觉自适应检定方法。本方法采用线阵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数据处理器处理得到梅花指针转动的圈数；利用CMOS图像传感器自适应调整采集频率算法，能够实时适应梅花指针不同转速；区分CMOS图像传感器采集到梅花指针轮齿部分上的点或是梅花指针齿槽部分上面的点的灰度值阈值是自适应得到，选取方法优于预置阈值，提高了自适应算法准确性。本发明利用线阵CMOS图像传感器采集水表梅花指针转动数据和CMOS图像传感器自适应调整采集频率算法，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视觉自适应检定方法
技术领域
本发明涉及一种机械式水表计量精度视觉自适应检定方法，特别是涉及一种利用线阵CMOS图像传感器在机械式水表计量精度视觉自适应检定中的应用，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
水表是采用活动壁容积测量室的直接机械运动过程或水流流速对翼轮的作用以计算流经自来水管道的水流体积的流量计。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，为了保证用户使用过程中计量的准确性，在机械式水表投入实际应用之前，国家规定所有的水表在出厂前必须经过严格的检定。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，提供一种机械式水表计量精度视觉自适检应定方法，利用线阵CMOS图像传感器对机械式水表计量精度进行视觉自适应检定的方法，利用线阵CMOS图像传感器采集梅花指针图像数据，自适应梅花指针转动速度，实现对梅花指针图像数据精确的采集，进而通过数据处理器处理得到梅花指针转过的圈数，从而提供一种实施简单、可靠性高的机械式水表计量精度视觉自适应检定方法。
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视觉自适应检定方法，针对机械式水表梅花指针不同的转速，CMOS图像传感器自适应调整采集频率，实现对梅花指针图像数据精确的采集，进而通过数据处理器处理得到梅花指针转过的圈数。
所述CMOS图像传感器是线阵图像传感器，用以采集机械式水表梅花指针图像，处理电路板对CMOS图像传感器采集到的图像数据进行处理，然后根据自适应算法输出的反馈信号调整CMOS图像传感器的采集频率；CMOS图像传感器采集频率自适应算法基本方式如下：
1)根据CMOS图像传感器像素点灰度值大小判断此像素点采集到梅花指针的位置。
N1为区分CMOS图像传感器采集到梅花指针黑色轮齿位置或采集到梅花指针齿槽位置的像素点灰度值阈值；像素点灰度值大于N1，此像素点采集到梅花指针齿槽部分上的点，像素点灰度值小于N1，CMOS图像传感器采集到梅花指针轮齿部分上点。
2)根据一帧内CMOS图像传感器像素点数量判断采集到梅花指针轮齿或齿槽。
当一帧内判定为采集到黑色梅花指针轮齿的像素点数超过一定数量时，判定此时CMOS图像传感器采集到梅花指针轮齿部分，否则，判定采集到梅花指针齿槽部分。统计CMOS图像传感器一帧内采集到黑色梅花指针轮齿像素点数并记为N2，设区分CMOS图像传感器采集到梅花指针黑色轮齿部分或采集到梅花指针齿槽部分的像素点数阈值为N3。N2大于N3时，CMOS图像传感器采集到梅花指针轮齿部分；N2小于N3时，CMOS图像传感器采集到梅花指针齿槽部分。
3)根据一个周期内采集到梅花指针轮齿的帧数自适应调整采集频率。
设一帧内采集得到梅花指针轮齿像素点数最小值到下一个最小值为采集的一个周期，统计一个周期内采集到黑色梅花指针轮齿部分的帧数并记为N4，设数据处理器可正常处理CMOS图像传感器采集到的数据时，N4的合理范围为N5至N6且N6大于N5。N4大于N6时，即在一个周期内采集的帧数过多，判断CMOS图像传感器采集频率过高；N4小于N5时，即在一个周期内采集的帧数过少，判断CMOS图像传感器采集频率过低。根据判断结果设置反馈信号实时调整CMOS图像传感器采集频率至合理范围，即调整一个周期内N4的范围为N5至N6，以达到CMOS图像传感器自适应调整采集频率。
4)处理采集到梅花指针轮齿和齿槽的转换得出梅花指针转过圈数。
通过CMOS图像传感器自适应调整采集频率实现对梅花指针图像数据精确采集，CMOS图像传感器由采集到梅花指针齿槽转到采集到梅花指针黑色轮齿，产生脉冲上升沿，且N2大于N3，脉冲保持高电平；CMOS图像传感器由完全采集到梅花指针黑色轮齿转到完全采集到梅花指针齿槽，产生脉冲下降沿，且N2小于N3，脉冲保持低电平。对脉冲计数，再除以梅花指针齿数得到梅花指针转过的圈数。
其进一步特征在于：所述根据CMOS图像传感器像素点灰度值大小判断此像素点采集到梅花指针的位置中，判断采集到梅花指针轮齿或是梅花指针齿槽的像素点灰度值阈值N1,自适应取一帧内像素点灰度值最高的四个与像素点灰度值最低四个的平均值。当CMOS图像传感器采集到像素点灰度值高于N1时，判断CMOS图像传感器采集到梅花指针齿槽，而当CMOS图像传感器采集到像素点灰度值低于N1时，判断CMOS图像传感器采集到黑色梅花指针轮齿。
其进一步特征在于：所述根据一个周期内采集到梅花指针轮齿的帧数自适应调整采集频率中，机械式水表梅花指针形状为圆形，梅花指针以圆心为中点旋转，CMOS图像传感器采集梅花指针圆心处，CMOS图像传感器完全采集到梅花指针轮齿时，采集到黑色梅花指针轮齿的像素点数最大，随着梅花指针转动，采集到黑色梅花指针轮齿的像素点数逐渐减小，当CMOS图像传感器完全采集到梅花指针齿槽，采集到黑色梅花指针轮齿的像素点数逐渐最小，CMOS图像传感器采集到梅花指针轮齿的像素点数呈现周期性规律。
其进一步特征在于：所述根据一个周期内采集到梅花指针轮齿的帧数自适应调整采集频率中，通过设置反馈信号实时调整CMOS图像传感器采集频率至合理范围过程中，调整CMOS图像传感器采集频率是通过利用反馈信号对CMOS图像传感器采集频率进行分频得到的。
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，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.本发明中区分CMOS图像传感器采集到梅花指针轮齿部分上的点或是梅花指针齿槽部分上面的点的灰度值阈值是自适应得到。自适应的阈值选取方法优于预置阈值，线阵CMOS图像传感器像素点灰度值范围为0到255之间，线阵CMOS图像传感器采集到黑色梅花指针轮齿时，像素点灰度值接近0，而线阵CMOS图像传感器采集到梅花指针齿槽时，像素点灰度值接近255，但是机械式水表梅花指针会出现水泡，水中杂质或灯光阴影等因素，导致CMOS图像传感器采集到梅花指针轮齿部分和采集到梅花指针齿槽部分的像素点灰度值很接近，预置阈值将会导致区分效果不稳定。
3.本发明中根据一个周期内采集到的帧数自适应调整CMOS图像传感器采集频率，线阵CMOS图像传感器采集频率较高，CMOS图像传感器可以在很大范围内适应梅花指针转速，通过CMOS图像传感器自适应调整采集频率，实现对梅花指针实时精确采集。
附图说明
图1为本申请机械式水表计量精度视觉自适应检定结构示意图。
图2为本申请机械式水表计量精度视觉自适应检定图像采集示意图。
图3为本申请机械式水表计量精度视觉自适应检定方法流程示意图。
图4为本申请机械式水表梅花指针转动状态转移示意图。
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3，一种机械式水表计量精度视觉自适应检定方法针对机械式水表梅花指针1不同的转速，CMOS图像传感器4自适应调整采集频率，具体如下：
所述CMOS图像传感器4是线阵图像传感器，用以采集机械式水表梅花指针图像，处理电路板5对CMOS图像传感器4采集到的图像数据进行处理，然后根据自适应算法输出的反馈信号调整CMOS图像传感器4的采集频率；CMOS图像传感器4采集频率自适应算法基本方式如下：
1)根据CMOS图像传感器4像素点灰度值判断此像素点采集到梅花指针1的位置:
N1为区分CMOS图像传感器4采集到梅花指针黑色轮齿位置或采集到梅花指针齿槽2位置的像素点灰度值阈值；像素点灰度值大于N1，此像素点采集到梅花指针齿槽2部分上的点，像素点灰度值小于N1，CMOS图像传感器4采集到梅花指针轮齿3部分上点。
2)根据一帧内CMOS图像传感器4像素点数量判断采集到梅花指针轮齿3或梅花指针齿槽2:
当一帧内判定为采集到黑色梅花指针轮齿3的像素点数超过一定数量时，判定此时CMOS图像传感器4采集到梅花指针轮齿3部分，否则，判定采集到梅花指针齿槽2部分。统计CMOS图像传感器4一帧内采集到黑色梅花指针轮齿3像素点数并记为N2，设区分CMOS图像传感器4采集到梅花指针黑色轮齿部分或采集到梅花指针齿槽2部分的像素点数阈值为N3。N2大于N3时，CMOS图像传感器4采集到梅花指针轮齿3部分；N2小于N3时，CMOS图像传感器4采集到梅花指针齿槽2部分。
3)根据一个周期内采集到梅花指针轮齿3的帧数自适应调整采集频率:
设一帧内采集得到梅花指针轮齿3像素点数最小值到下一个最小值为采集的一个周期，统计一个周期内采集到黑色梅花指针轮齿3部分的帧数并记为N4，设数据处理器可正常处理CMOS图像传感器4采集到的数据时，N4的合理范围为N5至N6且N6大于N5。N4大于N6时，即在一个周期内采集的帧数过多，判断CMOS图像传感器4采集频率过高；N4小于N5时，即在一个周期内采集的帧数过少，判断CMOS图像传感器4采集频率过低。根据判断结果设置反馈信号实时调整CMOS图像传感器4采集频率至合理范围，即调整一个周期内N4的范围为N5至N6，以达到CMOS图像传感器4自适应调整采集频率。
4)处理采集到梅花指针轮齿3和梅花指针齿槽2的转换得出梅花指针1转过圈数:
通过CMOS图像传感器4自适应调整采集频率实现对梅花指针图像数据精确采集，CMOS图像传感器由采集到梅花指针齿槽2转到采集到黑色梅花指针轮齿，产生脉冲上升沿，且N2大于N3，脉冲保持高电平；CMOS图像传感器4由完全采集到黑色梅花指针轮齿转到完全采集到梅花指针齿槽2，产生脉冲下降沿，且N2小于N3，脉冲保持低电平。对脉冲计数，再除以梅花指针齿数得到梅花指针1转过的圈数。
实施例二:
本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：
所述根据CMOS图像传感器2像素点灰度值大小判断此像素点采集到梅花指针的位置中，判断采集到梅花指针轮齿3或是梅花指针齿槽2的像素点灰度值阈值N1,自适应取一帧内像素点灰度值最高的四个与像素点灰度值最低四个的平均值。当CMOS图像传感器4采集到像素点灰度值高于N1时，判断CMOS图像传感器4采集到梅花指针齿槽2，而当CMOS图像传感器4采集到像素点灰度值低于N1时，判断CMOS图像传感器4采集到黑色梅花指针轮齿3。
所述根据一个周期内采集到梅花指针轮齿3的帧数自适应调整采集频率中，所述机械式水表梅花指针1以圆心为中点旋转，CMOS图像传感器4采集梅花指针1圆心处，CMOS图像传感器4完全采集到梅花指针轮齿3时，采集到黑色梅花指针轮齿3的像素点数最大，随着梅花指针1转动，采集到黑色梅花指针轮齿3的像素点数逐渐减小，CMOS图像传感器4完全采集到梅花指针齿槽2，采集到黑色梅花指针轮齿3的像素点数逐渐最小，CMOS图像传感器4采集到梅花指针轮齿3像素点数呈现周期性规律。
所述根据一个周期内采集到梅花指针轮齿3的帧数自适应调整采集频率中，所述通过设置反馈信号实时调整CMOS图像传感器44采集频率至合理范围过程中，调整CMOS图像传感器4采集频率是通过利用反馈信号对CMOS图像传感器4采集频率进行分频得到的。
实施例三:
参见图1、图2、图3和图4，一种机械式水表计量精度视觉自适应检定方法，针对机械式水表梅花指针1不同的转速，CMOS图像传感器4自适应调整采集频率，实现对梅花指针图像数据精确的采集，进而通过数据处理器5处理得到梅花指针1转过的圈数。图像传感器的采集频率；CMOS图像传感器采集频率自适应算法基本方式如下：
1)根据CMOS图像传感器4像素点灰度值判断此像素点采集到梅花指针1的位置:
本实施例中梅花指针1是六齿梅花指针，梅花指针1齿根圆和轮齿是黑色；CMOS图像传感器4采集频率变化范围1Hz至12Mhz。根据CMOS图像传感器4像素点灰度值判断线阵CMOS图像传感器4采集到梅花指针轮齿3或是梅花指针齿槽2。
2)根据一帧内CMOS图像传感器4像素点数量判断采集到梅花指针轮齿3或梅花指针齿槽2:
参照图2，设CMOS图像传感器4一帧内采集到黑色梅花指针轮齿3的像素点数为N1，本实施例中N1值的范围为30到90，区分CMOS图像传感器4采集到梅花指针黑色轮齿3或采集到梅花指针齿槽2的像素点数阈值为N2，本实施例中N2的值为一个周期内最大值与最小值的平均，取值60左右。N1大于N2时，CMOS图像传感器4采集到梅花指针轮齿3；N1小于N2时，CMOS图像传感器4采集到梅花指针齿槽2。
3)根据一个周期内采集到梅花指针轮齿3的帧数自适应调整采集频率:
进而统计一个周期内采集到黑色梅花指针轮齿部分的帧数并记为N3，设数据处理器可正常处理CMOS图像传感器4采集到的数据时，N4的合理范围为N5至N6且N6大于N5。本实施例中，N5为20，N6为50。当N4大于N6时，即在一个周期内采集的帧数过多，判断CMOS图像传感器4采集频率过高；当N4小于N5时，即在一个周期内采集的帧数过少，判断CMOS图像传感器4采集频率过低。根据判断结果设置反馈信号K，对CMOS图像传感器4采集频率进行K分频，即调整一个周期内N4的范围为N5至N6，以达到CMOS图像传感器4自适应调整采集频率。
4)处理采集到梅花指针轮齿3和梅花指针齿槽2的转换得出梅花指针1转过圈数:
参照图4，通过CMOS图像传感器4自适应调整采集频率实现对梅花指针1图像数据精确采集，梅花指针1处于图4所示状态1，CMOS图像传感器4完全采集到梅花指针轮齿3，采集得到的黑色梅花指针轮齿3像素点数最大，随着梅花指针1转动到状态2，采集得到的黑色梅花指针轮齿3像素点数逐渐减小，梅花指针转到状态3，CMOS图像传感器4完全采集到梅花指针齿槽2，采集得到的黑色梅花指针轮齿3像素点数最小。梅花指针由状态3到状态4，数据处理器5生脉冲上升沿，脉冲保持高电平至状态2；梅花指针由状态2到状态3，，数据处理器5生脉冲下降沿，脉冲保持低电平至状态4。对脉冲计数，再除以梅花指针1齿数6得到梅花指针1过的圈数。
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，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种机械式水表计量精度视觉自适应检定方法，针对机械式水表梅花指针(1)不同的转速，CMOS图像传感器(4)自适应调整采集频率，实现对梅花指针图像数据精确的采集，进而通过数据处理器(5)处理得到梅花指针转过的圈数，其特征在于操作步骤如下：
1)根据CMOS图像传感器(4)像素点灰度值判断此像素点采集到梅花指针(1)的位置，N1为区分CMOS图像传感器(4)采集到梅花指针黑色轮齿位置或采集到梅花指针齿槽(2)位置的像素点灰度值阈值；像素点灰度值大于N1，此像素点采集到梅花指针齿槽(2)部分上的点，像素点灰度值小于N1，CMOS图像传感器(4)采集到梅花指针轮齿(3)部分上点；
2)根据一帧内CMOS图像传感器(4)像素点数量判断采集到梅花指针轮齿(3)或梅花指针齿槽(2)，当一帧内判定为采集到黑色梅花指针轮齿(3)的像素点数超过一定数量时，判定此时CMOS图像传感器(4)采集到梅花指针轮齿(3)部分，否则，判定采集到梅花指针齿槽(2)部分；统计CMOS图像传感器(4)一帧内采集到黑色梅花指针轮齿(3)像素点数并记为N2，设区分CMOS图像传感器(4)采集到梅花指针黑色轮齿部分或采集到梅花指针齿槽(2)部分的像素点数阈值为N3；N2大于N3时，CMOS图像传感器(4)采集到梅花指针轮齿(3)部分；N2小于N3时，CMOS图像传感器(4)采集到梅花指针齿槽(2)部分；
3)根据一个周期内采集到梅花指针轮齿(3)的帧数自适应调整采集频率：
设一帧内采集得到梅花指针轮齿(3)像素点数最小值到下一个最小值为采集的一个周期，统计一个周期内采集到黑色梅花指针轮齿(3)部分的帧数并记为N4，设数据处理器可正常处理CMOS图像传感器(4)采集到的数据时，N4的合理范围为N5至N6且N6大于N5，N4大于N6时，即在一个周期内采集的帧数过多，判断CMOS图像传感器(4)采集频率过高；N4小于N5时，即在一个周期内采集的帧数过少，判断CMOS图像传感器(4)采集频率过低，根据判断结果设置反馈信号实时调整CMOS图像传感器(4)采集频率至合理范围，即调整一个周期内N4的范围为N5至N6，以达到CMOS图像传感器(4)自适应调整采集频率；
4)处理采集到梅花指针轮齿(3)和梅花指针齿槽(2)的转换得出梅花指针(1)转过圈数：
通过CMOS图像传感器(4)自适应调整采集频率实现对梅花指针图像数据精确采集，CMOS图像传感器由采集到梅花指针齿槽(2)转到采集到黑色梅花指针轮齿，产生脉冲上升沿，且N2大于N3，脉冲保持高电平；CMOS图像传感器(4)由完全采集到黑色梅花指针轮齿转到完全采集到梅花指针齿槽(2)，产生脉冲下降沿，且N2小于N3，脉冲保持低电平；对脉冲计数，再除以梅花指针齿数得到梅花指针(1)转过的圈数。
2.根据权利要求1所述一种机械式水表计量精度视觉自适应检定方法，其特征在于：所述步骤1)根据CMOS图像传感器(4)像素点灰度值大小判断此像素点采集到梅花指针的位置中，判断采集到梅花指针轮齿(3)或是梅花指针齿槽(2)的像素点灰度值阈值N1,自适应取一帧内像素点灰度值最高的四个与像素点灰度值最低四个的平均值；当CMOS图像传感器(4)采集到像素点灰度值高于N1时，判断CMOS图像传感器(4)采集到梅花指针齿槽(2)，而当CMOS图像传感器(4)采集到像素点灰度值低于N1时，判断CMOS图像传感器(4)采集到黑色梅花指针轮齿(3)。
3.根据权利要求1所述一种机械式水表计量精度视觉自适应检定方法，其特征在于：所述步骤3)根据一个周期内采集到梅花指针轮齿(3)的帧数自适应调整采集频率中，机械式水表梅花指针(1)以圆心为中点旋转，CMOS图像传感器(4)采集梅花指针(1)圆心处，CMOS图像传感器(4)完全采集到梅花指针轮齿(3)时，采集到黑色梅花指针轮齿(3)的像素点数最大，随着梅花指针(1)转动，采集到黑色梅花指针轮齿(3)的像素点数逐渐减小，CMOS图像传感器(4)完全采集到梅花指针齿槽(2)，采集到黑色梅花指针轮齿(3)的像素点数逐渐最小，CMOS图像传感器(4)采集到梅花指针轮齿(3)像素点数呈现周期性规律。
4.根据权利要求1所述的机械式水表计量精度视觉自适应检定方法，其特征在于：所述步骤3)根据一个周期内采集到梅花指针轮齿(3)的帧数自适应调整采集频率中，所述通过设置反馈信号实时调整CMOS图像传感器(4)采集频率至合理范围过程中，调整CMOS图像传感器(4)采集频率是通过利用反馈信号对CMOS图像传感器(4)采集频率进行分频得到的。
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