电测量仪表自动检定装置的设计

王法光 周晓华 杨维

(1.温州职业技术学院,浙江温州 325025;2.温州市计量科学研究院,浙江温州 325001)

0 引言

在电测量仪表的生产以及后续的检定中,需要对每只仪表的各个不同测量点进行检测,对不带通讯功能的电测量仪表,目前采用的为人工操作的方式进行,每只耗时约10～30分钟之间,为提高工作效率,本文基于C#以及openCV,设计了数码管识别代码以及标准器控制代码,并在此基础上,设计了人机交互界面,实现了对原始记录的自动生成。本文的研究成果为电测量仪表的生产企业以及质检机构高效开展电测量仪表的检测提供了解决方案。

1 总体设计

电测量仪表自动检定装置主要由被测仪表夹具、工业相机、标准器、计算机构成。夹具负责固定被测仪表以及工业相机,让二者之间存在固定的物理坐标关系。计算机根据被测仪表的型号,输出相应的控制命令给标准器,标准器接收命令后,输出相应的标准信号,如标准电流信号,标准器与被测仪表之间存在物理连接,被测仪表将实时显示当前信号的测量值,工业相机实时拍摄被测仪表的示值照片,同时传输给计算机,计算机实时对图像数据进行识别,等待数据稳定之后,单点测量结束,计算机发送下一个测量点的控制命令给标准器。如此反复,完成所有测量点的检测,此时,将数据自动填入已有的原始记录模板中,检测过程结束。整体流程图如图1所示。

图1 整体流程图Fig.1 Overall flow chart

2 硬件设计

2.1 夹具设计及相机选型

被测仪表与标准器之间需有物理连接,为实现快速夹装,采用弹簧顶针设计,在接线位置设计顶针,利用顶针弹力固定被测仪表,同时实现免接线快速夹装。如图2所示。

图2 夹具及被测表安装图Fig.2 Fixture and table under test installation diagram

选择了迈德威视的MV-SUA1000C-T 型工业相机搭配MV-LD-12-3M-A 型镜头,有效像素1000万,自带功能组件包。

2.2 标准器选型

选用长沙天恒测控技术有限公司生产的TD1860型多功能校准系统作为我们的标准器,其可精准输出交直流电压、电流、功率、电阻,兼具频率相位调节、脉冲输出、变送器二次信号测量等功能,同时,内置串口通讯协议,能方便得利用控制命令去控制标准器的输出。

3 软件设计

3.1 人机交互界面设计

整个人机交互系统需要实现以下功能:

(1)检测需要需要与数据库对接,读取检定系统内被测对象的各个数据,在必要的时候对数据进行修改;

(2)相机设置功能,检测前根据实时图像,选取感兴趣的区域;

(3)提供操作界面,对相机以及被测对象进行设置;

(4)提供显示界面,对显示实时采集图像以及本幅图像识别结果。

根据以上需求,设计了如图3所示的界面。

图3 人机交互界面Fig.3 Interactive interface

3.2 串口通讯

根据长沙天恒测控技术有限公司提供的产品串口通讯指令说明书,在确定的时间节点,按照相应的格式,将各字符串组合在一起,发送至串口端。其中,主要使用通讯指令内的“设置系统参数命令:PARW/PARR”以及“设置设备输出命令:MEAS”。

3.3 图像处理

3.3.1 图像预处理

由于原始图像为三通道彩色图片,需将其处理为黑白二值图,一般采用自定义阈值处理法或者HSV色彩通道分离法。由于自定义阈值处理法对背景噪声处理效果不好,而本系统所处实验室光环境较为复杂,噪声较大,所以采用HSV 色彩通道分离法。而所选的被测仪表数码管均为红色,因此,对三通道彩色图片中的红色通道进行阈值判断二值化处理。经多环境试验,将hmin设置为156,hmax设置为180,效果较好。

噪声点对于后续处理影响较大,而二值化处理对于背景与数码管的区分效果虽然较为明显,但对于一些人眼无法见到的微小噪声点仍然无法进行较好的处理,因此采用滤波及开运算相结合的方式对噪声点进行处理。滤波采用对椒盐式噪声处理效果较好的中值滤波与采用高斯函数的高斯滤波。开运算是对图像进行多次先腐蚀后膨胀的操作,消除了大部分二值化的图片微小的背景上的微小白色像素点。

3.3.2 图像切割

为方便后续对图片数字进行识别,基于投影将数码管字符进行切割。首先进行竖直方向的水平投影的方法对数码管显示字符进行竖直方向的切割。然后将切割完毕的数码管字符图像再进行水平方向的扫描,统计白色像素点数,以完成水平方向的切割。

3.3.3 图像识别

对切割完毕的单数码管图片,按七段数码管形式在各段数码管位置上检测是否存在白色像素点,若存在则按对应二进制进行加法运算,根据最后结果确定数字及小数点。而数字1因为形状特殊则根据所切割图像长宽比确定,如图4所示。

图4 数字段位分布图Fig.4 Digital tier distribution map

3.4 数据处理

3.4.1 原始数据处理

被测仪表显示数据每秒钟刷新2次,将计算机每秒钟处理图像帧数设为与之同步。连续5次测量结果之间的偏差不大于分辨率时,即认为数值稳定,取后三次数据的平均值作为测量结果。

3.4.2 原始记录生成

将原始记录模板做好,置于根目录下,利用C#自带的Microsoft.Office.Interop.Excel操作Excel文件。根据所选的被测仪表,在Excel表格里写入测量点的标准值以及测量值,测量完毕后另存为新的文件。

4 实验验证

为验证整个系统的可行性,对正泰以及德力西生产的不同类型的电测量仪表进行检测,与人工检测数据进行比对。数据如表1 所示。

表1 自动检测与人工检测数据对比表Tab.1 Comparison Table of Automatic Detection and Manual Detection Data

从上述数据可见,整个自动化检定系统检定数据与人工检测数据之间无差异,但是效率得到极大的提高,同时配合设计的快速夹装夹具,可实现对被测表的快速检测。

5 结语

本文设计了一套基于C#以及open CV 的电测量仪表自动检定装置,实现了对电测量仪表的自动检定。本装置检定结果准确可靠,效率高。实验证明,本装置适用于各大电测量仪表生产企业作为产品出厂质检使用,能极大得提高工作效率,有较高的经济效益。