电学可视化自动校准装置

郝志坤 聂继鑫 杨 静 张正龙

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

电学计量工作要面对大量的手持万用表、指针表以及没有数据线接口功能的其他仪表，通常此类仪表不能实现自动化计量校准。人眼读数，手笔记录，键盘录入数据，工作效率低、可靠性差，计量过程中容易出现人为的数据错误。

为提高此类仪表的电学计量校准效率和校准可靠性，我们把没有数据接口的测量仪器作为研究对象，研制了一套具有图像获取和识别功能的电学可视化自动化校准装置。可视化自动校准装置实现了标准装置操作的自动化、校准原始数据存储的自动化、数据处理与输出的自动化，提升了此类仪表计量的工作效率。

2 设计原理

根据指针表和手持式数字多用表的计量特性，我们把工业摄像机、图像处理及数据采集技术应用于此类及仪表的自动化计量校准，整个校准过程依据《JJG124-2005电流表、电压表、功率表及电阻表检定规程》、《JJF1587-2016数字多用表校准规范》和《JJG(军工)72-2015交流数字电压表检定规程》。

2.1 模拟指针表显示图象的识别

被校准的设备主要为手持式数字多用表和模拟指针表，下面首先介绍模拟指针表。模拟指针表的识别主要包括两步：测试前预识别和测试读数。

2.1.1 测试前识别特征参数

主要是为了识别表盘上的刻度线，刻度值，两者的对应关系，零值以及表盘字符等。特征参数的识别包括以下步骤：

(1)图像预处理：表盘预处理主要对象有指针、数字标码、仪表上的文字标识和表盘的外部轮廓等。表盘为扇形，其布局模式比较固定，主要识别对象为指针和刻度。预处理包括去噪、二值化处理等步骤。

(2)提取刻度线：Hough变换可以准确捕获到目标的边界(连续或不连续的),并最终以连续曲线的形式输出变换结果.其主要优点是受噪声和曲线间断的影响较小。Hough变换检测直线时，公式(1)为

ρ=xcosθ+ysinθ

(1)

式中：ρ——被检直线极坐标对应极径；x——像素点横坐标；θ——被检直线极坐标对应极角；y——像素点纵坐标。

识别刻度值和表盘字符：模拟指针表的表盘由指针、刻度线、数字、字母和小数点等组成。本装置采用特征提取法作为装置图像识别的基本算法。针对数字的外形特点，识别程序提取横线、竖线、水平过线数、垂直过线数及交点数等5个特征量来对比标准的特征值表，从而进行识别。

经过预处理，我们找出了零值和最大刻度线的位置，确定了表盘的参数。再通过手动预先设置最大量程数值，在软件中通过等分的方法(针对表盘均匀分布的模拟指针表)，可以保存每一格最小刻度之间的数值，完成了表盘的预处理。

2.1.2 测试读数

读数时，需首先使指针归零，保存一张图片，然后再使指针偏转一定角度，保存另一张图片。通过对两张图片的对比，识别指针在表盘中的位置，提取指针信息。在确定了表盘的刻度和零值位置后，我们对扇形表盘进行等分，等分的份数越多，读数时分辨力就越高。读数时，通过寻找指针的位置，再与相邻最近的两个刻度线比较，计算出指针在这两个刻度线间位置的比例，再与预处理中记录的此处刻度的数值比较，计算出模拟指针表此时的读数。

2.2 数字表显示图象的识别

数字表显示图像的识别大部分方法与模拟指针表类似，其关键在于数字、字母、小数点和科学技术符的识别，其识别过程同指针表盘中的字符识别。其中，数字和字母的识别亦可用简单的模板匹配。

2.3 仪表显示数据采集装置

数据采集模块主要由仪器支架、工业摄像机、外加光源、多功能标准源、GPIB卡及PC机组成。

在采集过程中，将表盘和CCD位置用预先设计好的支架固定，保持镜头垂直于被测仪器表盘，同时使外加光源处于镜头与表盘之间。这样外加光源照明充足，可起到消除阴影、减少干扰的作用，采集到的图像清晰度高，预处理难度小，有利于后续的读数识别。

采集到的图像传回PC机。PC机根据编写的识别软件进行读数识别和显示，并根据需要进行数据处理，实现在线检测模拟指针表和数字多用表。

3 设计方案

校准装置包括硬件装置和软件装置两部分。硬件装置主要由图像采集装置和计量测试处理装置组成。图像采集装置由高分辨率的工业照相机、外加光源和上位机采集控制装置组成，计量测试装置包括被测的指针表或手持式数字多用表、多功能标准源5520A和GPIB转接卡等组成。软件装置运行软件依据《JJG124-2005电流表、电压表、功率表及电阻表检定规程》、《JJG315-83直流数字电压表检定规程》、《JJG598-89直流数字电流表检定规程》和《JJG(军工)72-2015交流数字电压表检定规程》编写。软件包括指针式仪表的检测和数字式仪表的检测两部分。软件可自动读取工业摄像机采集的指针表和手持式数字多用表的测试图象，并识别读数，按照检定规程的要求，测试采集数据，并通过规定模板保存原始数据。

3.1 硬件部分

硬件部分的核心由图像采集模块和表盘识别模块组成。其中图像采集模块主要由被测仪表、工业摄像机和外加光源组成。对于指针式仪表，表盘较大且呈扇形，由于软件设置问题，摄像头成像时需固定表盘的中央位置无法移动，这就造成了指针在中心位置和两侧位置的画面在成像角度上有所不同，这就会影响指针在两侧位置的成像精度，为了解决这一问题，除了在软件部分调整算法外，还可以增加摄像头与被测仪器的距离，以达到减小误差的效果，理论上当摄像头移动到无限远时，这类角度误差即可消除。但这样会造成分辨率的下降，本课题为了解决此类问题，购买了高分辨率工业摄像机，增加摄像头与被测表盘的距离，使此问题带来的读数误差在可接受范围之内。

硬件由支架、光源、CCD摄像头和数据采集卡等组成。如图1所示。

图1 电学可视化自动校准装置Fig.1 Devise of the electricity viewdata auto-detection

为了保证成像清晰和均匀，防止外界光源形成阴影的干扰，本装置采取了一组外加光源，固定在被测仪器的四周。经比较，排除了环形光源和面光源，此类光源会造成阴影或光源强度不均匀问题，最后采取了一组条形光源，用支架固定，分别从不同方向打光，最后得到了均匀且明亮的照明效果。

在仪器控制方面，选取了技术上比较成熟的NI公司的GIPB-USB-HS卡，经测试，符合本装置测试速度和功能的要求。

3.2 软件部分

装置软件主要包括图像数据采集和原始数据的保存和处理两部分。图像采集与指针表表盘的读取精度达到0.01mm，读数时可以一定程度上保证不被外界光源或指表针阴影的干扰，每个测试点的测试及稳定时间不大于5s，可以准确识别数字表的量程和小数点位数。软件原理框图如图2所示。

图2 可视化自动校准装置指针式仪表软件部分原理框图Fig.2 Software schematic of analog pointer meter for the devise of the electricity viewdata auto-detection

对采集到的数据可自动记录、处理并进行判定，存储数据至excel表格；软件可以显示检定数据及过程，在检定过程中可以暂停并保存退出；可对USB或GPIB接口的摄像头实现控制，可以对FLUKE5520A实现半自动化的GPIB操作。软件运行界面如图3、图4所示。

图3 手持式数字表检定界面Fig.3 Verification interface for the portable digital multimeter

图4 指针表数据采集示意图Fig.4 Sketch map for data acquisition of analog pointer meter

4 试验验证与分析

我们采用此套装置分别对手持式数字多用表和指针式电压表进行了计量检定，检定结果如表1、表2所示。

表1 可视化自动校准装置手持式数字多用表检定数据Tab.1 Verification data of portable digital multimeter by electricity viewdata auto-detection devise

表2 可视化自动校准装置指针表检定数据Tab.2 Verification data of analog pointer meter by electricity viewdata auto-detection devise

表1和表2为电学可视化自动校准装置分别对FLUKE17B手持式数字多用表和量程为50mV的指针式电压表的检定数据，测试结果表明，此套装置检定结果能够满足此类仪表的检定要求。

5 结束语

可视化自动校准装置实现了标准装置操作的自动化、校准原始数据存储的自动化、数据处理与输出的自动化，大大减少了数字多用表和模拟指针表的计量耗时，减小了人为因素对测量准确性的影响，因此提高了手持式数字多用表和指针表计量的可靠性和准确性。为今后研究相关无程控接口的仪表自动化计量提供了支持。