指針式壓力表全自動(dòng)檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
介紹指針式壓力表自動(dòng)檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，自動(dòng)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)壓力及自動(dòng)判讀系統(tǒng)。并對(duì)其 誤差分析作出簡(jiǎn)要說明。
1.自動(dòng)檢定系統(tǒng)工作原理
自動(dòng)檢定系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)及自動(dòng)判 讀系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。被檢壓力表通過特 殊接頭固定在檢驗(yàn)臺(tái)上(最多可達(dá)6塊)。由標(biāo)準(zhǔn)壓力 自動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生指定檢定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)壓力，其壓力控 制指令由主機(jī)根據(jù)鍵盤輸人參數(shù)傳遞。當(dāng)系統(tǒng)中壓力 穩(wěn)定后，通知攝像裝置依次攝取檢驗(yàn)臺(tái)上的表盤圖像， 并傳送給主機(jī)。主機(jī)中配有VIGP 2M圖像處理卡及 圖像處理軟件，可實(shí)時(shí)處理表盤圖像，并依次計(jì)算各儀 表指針示值及其在該檢定點(diǎn)的誤差。依次進(jìn)行正反行 程的檢定，最后打印檢定結(jié)果。
2.標(biāo)準(zhǔn)壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)
標(biāo)準(zhǔn)壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)為閉環(huán)油壓系統(tǒng)，系統(tǒng)配 置如圖2所示。采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)活塞壓力泵作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用0. 05級(jí)精密數(shù)字壓力表作為標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量 系統(tǒng)壓力，并利用單片機(jī)壓力控制儀對(duì)造壓過程進(jìn)行 閉環(huán)負(fù)反饋控制。
系統(tǒng)采用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)兩臺(tái)活塞壓力泵造 壓，目的是提高造壓速度，以適應(yīng)多臺(tái)表同時(shí)檢定或某 些要求用油量較大的場(chǎng)合。其中一臺(tái)活塞壓力泵處于 造壓階段時(shí)(即向油路注油），另一臺(tái)處于造壓準(zhǔn)備階 段(即從油杯中吸油）》處于造壓階段的步進(jìn)電機(jī)由單 片機(jī)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器及V/F轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行控制，處于 造壓準(zhǔn)備階段的步進(jìn)電機(jī)則由邏輯電路(阻容充/放電 電路與V/F轉(zhuǎn)換電路)控制。油路的切換采用電磁閥 控制，其優(yōu)點(diǎn)是密閉性好，從而保證系統(tǒng)有較髙的造壓 速度和靜態(tài)壓力穩(wěn)定性。系統(tǒng)在被檢表與標(biāo)準(zhǔn)表油路 間加裝電磁閥，目的是在造壓換泵前切斷被檢表油路與造壓油路間的聯(lián)系。待換泵完成，且造壓油路重新 恢復(fù)換泵前壓力時(shí)，再將電磁閥打開，這樣可消除換泵 過程中可能產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力波動(dòng)。
由于傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)法具有造壓速度與超調(diào)之 間的矛盾，為保證壓力產(chǎn)生的快速性，又避免明顯的過 沖，系統(tǒng)采用智能控制算法。在造壓過程的前段，控制 步進(jìn)電機(jī)以較髙速度運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)壓力接近穩(wěn)態(tài)值時(shí)，步 進(jìn)電機(jī)速度減慢。而當(dāng)壓力進(jìn)人穩(wěn)態(tài)值的某一鄰域 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)改用步進(jìn)(轉(zhuǎn)角）控制。這樣可保證系統(tǒng) 靜態(tài)壓力精度及壓力產(chǎn)生的快速性，又不會(huì)引起過沖，
3.自動(dòng)判讀系統(tǒng)
指針式壓力表自動(dòng)判讀系統(tǒng)如圖3所示。CCD 攝像機(jī)由自動(dòng)掃描裝置控制經(jīng)云臺(tái)帶動(dòng)，完成對(duì)被檢 表的瞄準(zhǔn)及攝像。監(jiān)視器用以實(shí)時(shí)顯示被檢表及圖像 處理過程，而表盤圖像的數(shù)據(jù)處理由主機(jī)完成。
表盤圖像處理主要包括圖像預(yù)處理、表盤圓心的 確定、刻線及指針的判讀。預(yù)處理包括圖像灰度分割、 圖像腐蝕與膨脹，以獲得黑白分明的二值圖像并去除 噪聲。為提高搜尋速度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，表盤圓心只在 一定范圍內(nèi)尋找。以確定圓心橫坐標(biāo)為例，分別從左 及從右讀取某一行像素點(diǎn)的灰度值，兩次掃描所遇第 一個(gè)灰度小于域值的像素點(diǎn)（即黑點(diǎn))列數(shù)的均值，即 為該行上圓心橫坐標(biāo)。依次掃描圖像中部100行，取 100個(gè)平均值中概率最大的值作為圓心橫坐標(biāo)。縱坐 標(biāo)的求取原理相同.粗刻線的判讀采用霍夫變換法。 霍夫變換法是利用圖像處理識(shí)別直線段的有效方法之 一。它將圖像空間中的一點(diǎn)變換為參數(shù)空間中的一條 直線。圖像空間中同一直線上的點(diǎn)，經(jīng)霍夫變換所形 成的直線交于參數(shù)空間中的一點(diǎn)，該點(diǎn)坐標(biāo)代表圖像 空間中直線的斜率及截距。利用累加數(shù)組累計(jì)參數(shù)空 間中通過該點(diǎn)的直線條數(shù)，即代表圖像空間中直線上 的點(diǎn)數(shù)。采用這種方法計(jì)算表盤圖像中某一線段上灰 度小于域值的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，即可判斷該線段是否處于 粗刻線上。為提高判讀效率，只在表盤圖像的一定范 圍內(nèi)搜尋粗刻線。指針的判讀方法原理相同，只是搜 尋的范圍略有不同。示值計(jì)算方法如圖4所示。以刻 度盤圓心(指針轉(zhuǎn)軸）為極點(diǎn)，儀表下限刻度OB為極 軸，按順時(shí)針方向建立極坐標(biāo)系。利用表盤粗刻線及 指針對(duì)應(yīng)極角的大小，確定指針?biāo)甘镜膲毫χ怠＜?/span> 定指定檢定點(diǎn)及相鄰的前后檢定點(diǎn)分別為A、C、D，指 針中心線矢徑為OP，它們的極角為a、e林對(duì)應(yīng)壓力 值分別為a、c、厶/>，則儀表指針的示值由下式計(jì)算。 p = a + (j3—a) * (d — a')/(S — a) (a </?) (1) p = a — ia~0) * (.a — c)/(.a — d) (a >/9) (2)
當(dāng)檢定點(diǎn)為零點(diǎn)及上限時(shí)，不管《及^8值大小，P 值分別按式⑴及(2)計(jì)算。檢定點(diǎn)示值偏差(處)為： Ap = p — a
4.誤差分析
標(biāo)準(zhǔn)壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)的誤差主要由被檢表與標(biāo) 準(zhǔn)表的量程上限誤差引起。為降低成本，選取量程上 限分別為 0. 16 MPa、0. 6 MPa, 2. 5 MPa, 10 MPa 及 25 MPa的5種標(biāo)準(zhǔn)表，檢定量程上限從0. 06 MPa至 16 MPa的13種不同量程的壓力表。標(biāo)準(zhǔn)表的精度為 ±0. 05%，則由于量程上限誤差而引起的最大誤差為 ±0.13%(計(jì)算從略）。在造壓過程中，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 一步，帶動(dòng)絲杠移動(dòng)一段距離，對(duì)應(yīng)活塞一定的推油體 積，從而產(chǎn)生相應(yīng)的壓力變化，這是造壓系統(tǒng)所能控制 產(chǎn)生的最小壓力變化。根據(jù)理論計(jì)算，其最大誤差為 ±0.02%(推導(dǎo)從略），可視為微小誤差。根據(jù) JJG49—87《彈簧管式精密壓力表及真空表檢定規(guī)程》 的規(guī)定，檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器的綜合誤差應(yīng)不大于被檢表基 本誤差絕對(duì)值的1/3。可見，這套自動(dòng)造壓系統(tǒng)可用 于檢定0.4級(jí)以下的壓力表。
自動(dòng)判讀系統(tǒng)的誤差主要來源于表盤刻線與指針 的判讀誤差。對(duì)于分辨率為512X512的圖像處理系 統(tǒng)，最大判讀誤差為士 1個(gè)像素。計(jì)算所得的最小表 盤半徑為250(像素個(gè)數(shù)），表盤刻線與指針的掃描半 徑分別為210及190，則最大示值判讀誤差為士0. 3% (推導(dǎo)從略)?？梢?，自動(dòng)判讀系統(tǒng)的判讀精度優(yōu)于人 眼判讀精度。
5.結(jié)語(yǔ)
經(jīng)理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，這套系統(tǒng)的綜合誤差小 于士0. 13%，可用以檢定0. 4級(jí)精密壓力表以及1級(jí) 以下工業(yè)用壓力表。這套檢定系統(tǒng)的自動(dòng)化程度高， 主要體現(xiàn)在自動(dòng)造壓及自動(dòng)判讀兩方面。操作人員只 須輸人量程、精度等必要參數(shù)，整個(gè)檢定工作即可自動(dòng) 進(jìn)行。大大提高了檢定效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，具有很 高推廣應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，自動(dòng)判讀方法對(duì)所有指針式 儀表的示值自動(dòng)判讀都具有一定參考價(jià)值。標(biāo)準(zhǔn)壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)也適用于其他需要產(chǎn)生髙精度標(biāo)準(zhǔn)壓力 的場(chǎng)合。
