蘇一鳴，楊水旺，張琦，胡湘寧

（北京振興計(jì)量測(cè)試研究所，北京100074）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，壓力是一種重要的工藝參數(shù)。壓力表作為壓力的檢測(cè)裝置，因價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用［1］。依據(jù)相關(guān)規(guī)定，壓力表屬于強(qiáng)制檢定項(xiàng)目，每半年要對(duì)其進(jìn)行檢定，檢定工作量非常大。

一方面，國(guó)內(nèi)對(duì)于指針式壓力表的自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的研發(fā)，尤其是其壓力數(shù)值識(shí)別方面的研發(fā)還處于初級(jí)階段［2］，目前主要采用手動(dòng)加壓臺(tái)進(jìn)行造壓，再由人眼讀取壓力表示值以及標(biāo)準(zhǔn)表的示值，通過相減得出每一個(gè)點(diǎn)的示值誤差。這種采用手動(dòng)加壓臺(tái)進(jìn)行造壓，再由人眼讀取度數(shù)的方式，工作效率低且測(cè)量準(zhǔn)確率難以持續(xù)保證，已經(jīng)不能滿足如今的計(jì)量工作需求。

另一方面，機(jī)器視覺的發(fā)展和應(yīng)用極大地提高了工業(yè)自動(dòng)化水平，減輕了人類的體力勞動(dòng)，促進(jìn)了社會(huì)發(fā)展［3-7］。將機(jī)器視覺系統(tǒng)引入到計(jì)量領(lǐng)域，可以在節(jié)約成本的同時(shí)保證檢定準(zhǔn)確性并提高工作效率。因此，本文以LabVIEW Vision開發(fā)模塊為基礎(chǔ)，結(jié)合虛擬儀器串口通訊技術(shù)，以GE公司的PACE7000作為壓力源和壓力控制器，設(shè)計(jì)了一套壓力表自動(dòng)化檢定裝置，并對(duì)其進(jìn)行不確定度分析。

1 壓力表自動(dòng)化檢定裝置硬件設(shè)計(jì)

圖1為指針式壓力表自動(dòng)檢定總體方案原理圖，其中包括PACE7000壓力控制器、工業(yè)相機(jī)、工控機(jī)、通訊線束和打印機(jī)等部分。CCD工業(yè)相機(jī)依據(jù)RS485串口通訊協(xié)議通過USB口與計(jì)算機(jī)連接；PACE7000壓力控制臺(tái)通過LAN口與主機(jī)進(jìn)行通訊；打印機(jī)通過USB口連接。

圖1 指針式壓力表自動(dòng)檢定總體方案原理圖

全自動(dòng)指針式壓力表自動(dòng)檢定裝置結(jié)合GE公司的PACE7000壓力控制器的通訊控制協(xié)議，通過自主開發(fā)的檢定軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控壓，標(biāo)準(zhǔn)壓力值通過高準(zhǔn)確度數(shù)字式壓力傳感器進(jìn)行獲取，由工業(yè)相機(jī)結(jié)合指針識(shí)別算法讀取壓力表示數(shù)，按照J(rèn)JG 52-2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程》計(jì)算各項(xiàng)誤差值并給出檢定結(jié)論。圖2為全自動(dòng)壓力校驗(yàn)裝置實(shí)物圖。

圖2 全自動(dòng)壓力校驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)布局實(shí)物圖

全自動(dòng)壓力校驗(yàn)裝置的檢定過程為：安裝壓力表至計(jì)量工裝，保證表盤與鏡頭平行；打開壓力表自動(dòng)計(jì)量軟件；開啟通訊串口和工業(yè)相機(jī)的USB接口；點(diǎn)擊“開始檢定”，自動(dòng)向PACE7000壓力控制器發(fā)出命令，使其輸出對(duì)應(yīng)的壓力值，并將壓力值通過串口實(shí)時(shí)傳輸至工控機(jī)；工業(yè)相機(jī)根據(jù)算法實(shí)時(shí)計(jì)算出被測(cè)壓力表示值，并將其與同高準(zhǔn)確度壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)壓力值進(jìn)行比較，得出每個(gè)壓力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的誤差，并計(jì)算出示值誤差、回程誤差等，依據(jù)壓力表等級(jí)給出相應(yīng)的檢定結(jié)論，打印檢定記錄表。

2 壓力表自動(dòng)化檢定裝置軟件設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集及二值化處理模塊

壓力表自動(dòng)化檢定裝置的軟件部分包括壓力表表盤圖像采集程序及指針式壓力表自動(dòng)讀數(shù)識(shí)別程序。通過采用LabVIEW 機(jī)器視覺軟件平臺(tái)編程，控制CCD工業(yè)相機(jī)對(duì)壓力表的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

通過對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理和計(jì)算，得到壓力表指針讀數(shù)。程序?qū)⒉杉降膱D像實(shí)時(shí)讀入到內(nèi)存，由IMAQ Threshold對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，以減小背景噪聲對(duì)數(shù)值識(shí)別的影響。通過使用For Loop的循環(huán)端口VI和Index Array確定閾值范圍，通過IMAQ Threshold設(shè)置閾值范圍。規(guī)定大于閾值時(shí)亮度為0（亮度最小），小于閾值時(shí)亮度為255（亮度最大）。按照上述方法獲得的指針式壓力表二值化圖像如圖3所示。

圖3 壓力表表盤二值化處理圖像

2.2 壓力表讀數(shù)識(shí)別模塊

對(duì)壓力表圖像示數(shù)進(jìn)行讀取的過程分為學(xué)習(xí)階段和讀數(shù)階段。在學(xué)習(xí)階段，首先利用Vision Assistant獲取圖像對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的值，并輸入到相應(yīng)數(shù)組中，兩個(gè)數(shù)組作為輸入連接至IMAQ convert line to ROI函數(shù)中，再利用兩個(gè)IMAQconvert line to ROI函數(shù)指定儀表的初始值和滿量程值的位置，隨后IMAQ Group ROI對(duì)兩個(gè)階段的ROI進(jìn)行組合，作為儀表學(xué)習(xí)函數(shù)IMAQ Get Meter的輸入。

學(xué)習(xí)過程完成后，輸出儀表指針的旋轉(zhuǎn)位置中心和一個(gè)數(shù)組。其中數(shù)組元素代表了儀表的初始值和滿量程值之間一條沿著刻度的弧線上各點(diǎn)的位置，這些點(diǎn)將用于在讀數(shù)階段計(jì)算儀表的讀數(shù)。

讀數(shù)階段基于學(xué)習(xí)階段的輸出來完成，IMAQ Read Meter可以通過檢測(cè)儀表指針的位置來確定當(dāng)前讀數(shù)所在位置的百分比，從而計(jì)算出儀表的真實(shí)讀數(shù)。如圖3所示的運(yùn)行結(jié)果中，除了顯示讀數(shù)值，還在圖像中顯示了ROI（如圖3中藍(lán)點(diǎn)所示），學(xué)習(xí)過程所返回?cái)?shù)組中的各點(diǎn)以及指針指向的位置（如圖3中紅點(diǎn)所示）。讀數(shù)階段程序框圖如圖4所示。

圖4 調(diào)用IMAQ Read函數(shù)程序框圖

2.3 壓力表通訊與控制模塊

PACE7000全自動(dòng)液壓控制器通過RS485串口與軟件進(jìn)行通訊；工業(yè)CCD相機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)USB接口與軟件進(jìn)行通訊。通過RS485串口通訊方式，在LabVIEW 中使用VISA進(jìn)行通訊。

VISA是儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I／O API，采用面向?qū)ο缶幊谭绞剑哂泻芎玫募嫒菪?、擴(kuò)展性和獨(dú)立性；VISA可控制GPIB、串口、USB、以太網(wǎng)、PXI或VXI儀器，并根據(jù)使用儀器的類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，用戶無需學(xué)習(xí)各種儀器的通信協(xié)議；VISA獨(dú)立于操作系統(tǒng)、總線和編程環(huán)境，無論使用何種設(shè)備、操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言，均使用相同的API。與PACE7000進(jìn)行串口通訊的步驟為：先初始化串口，再對(duì)串口進(jìn)行配置，然后利用visa configure serial Port設(shè)定串口的端口號(hào)、波特率等基本配置。

初始化成功后，對(duì)串口進(jìn)行讀寫，根據(jù)PACE7000通訊控制協(xié)議指令，調(diào)用VISA Write，VISA Read對(duì)協(xié)議指令進(jìn)行相應(yīng)的寫入和讀取并加之相應(yīng)條件判斷，從而完成對(duì)壓力控制器的程控操作，在順序結(jié)構(gòu)的最后，調(diào)用MSOffice Report模塊對(duì)整個(gè)記錄進(jìn)行輸出打印操作，打印完成后，使用函數(shù)VISA Close將串口關(guān)閉。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及不確定度分析

3.1 軟件計(jì)算結(jié)果與壓力表實(shí)際值比較分析

以量程為40 MPa，誤差1.6%FS，分度值為1 MPa的壓力表為例，其允許誤差為0.64 MPa（即3／5個(gè)分度值），選取6個(gè)檢定點(diǎn)對(duì)壓力表施加標(biāo)準(zhǔn)壓力，比較軟件計(jì)算結(jié)果與壓力表指針示值。表盤分度值的1／10為0.1 MPa。按照按分度值1／5的估讀原則，人眼讀數(shù)和機(jī)器視覺讀數(shù)如表1所示?？梢钥闯霰疚奶岢龅闹羔樧R(shí)別算法的計(jì)算結(jié)果識(shí)別準(zhǔn)確度小于表盤分度值的1／10，完全滿足壓力表檢定準(zhǔn)確度要求。

表1 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

3.2 壓力表自動(dòng)化檢定裝置不確定度分析

按照J(rèn)JG 52-2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程》，在溫度21.2℃、相對(duì)濕度41.0%RH環(huán)境下進(jìn)行不確定度分析。

主標(biāo)準(zhǔn)（PACE7000）由上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)溯源得到，不確定度為

機(jī)器視覺分辨力為0.001 MPa，按均勻分布，則由機(jī)器視覺引入的不確定度分量為

被檢表示值允許估讀到分度值的1／5，按照均勻分布，則被檢儀表（40 MPa）分辨力引入的不確定度為

對(duì)該表在15 MPa點(diǎn)進(jìn)行10次重復(fù)性測(cè)試，其數(shù)據(jù)分別為14.997，14.998，15.000，14.998，14.999，15.000，14.999，15.000，14.998，14.999 MPa，利用貝塞爾公式計(jì)算出實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s＝0.108 MPa，則由重復(fù)性引入的不確定度分量為

試驗(yàn)裝置不確定度匯總?cè)绫?所示。

表2 試驗(yàn)裝置不確定度匯總

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為

擴(kuò)展不確定度Urel為

4 結(jié)論

本文在LabVIEW 機(jī)器視覺功能的基礎(chǔ)上，利用IMAQ Vision／Vision Assistant的圖像處理功能，結(jié)合虛擬儀器串口通訊理論，設(shè)計(jì)了一套集圖像采集、機(jī)器視覺模擬量讀取、決策判斷及I／O控制于一體的壓力表自動(dòng)化檢定裝置，并對(duì)裝置進(jìn)行了不確定度分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用CCD攝像頭實(shí)現(xiàn)全真模擬人眼自動(dòng)識(shí)別壓力表模擬量，識(shí)別誤差小于表盤分度值的1／10，準(zhǔn)確性滿足計(jì)量檢定要求，且測(cè)量效率明顯優(yōu)于人工測(cè)量。目前，本裝置已經(jīng)成功應(yīng)用于本單位的壓力表檢定工作中，在極大地縮短檢定時(shí)間的同時(shí)，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性。滿足了自動(dòng)化、高效化、智能化的計(jì)量需求，具有技術(shù)參考價(jià)值和推廣意義。