指针式仪表的自动检定系统研究

赵　准

摘要:本文在数字图像处理技术、精密光栅测量技术以及步进电机控制技术的基础上对指针式仪表的自动检定进行了研究,并设计了一种指针式仪表的自动检定系统。实践表明,本系统具有高精度、高分辨率、高自动化程度等优点。

关键词:指针式仪表 数字图像处理 步进电机控制

1. 引言

指针式仪表是工业领域中应用非常普遍的测量仪表之一。国内对指针式仪表的检测工作主要是采用人工观测读数的方法,来判断产品的合格与否,这种判别方法受人的主观因素如人的观测角度、观测距离等影响,不稳定、可靠性不高。而且数据处理工作量大,检定效率低。

因此,针对目前我国所普遍采用的指针式仪表检定方法所存在的缺点,研究一种快速、准确、稳定的指针式仪表自动检定系统,将非常有助于我国的仪表生产和检定。本文的研究是在采用光栅测量技术、步进电机伺服控制技术和数字图像处理技术的基础上,为指针式仪表提供一种自动化程度更高、速度更快、更准确、更可靠的检定方法。本系统能自动完成仪表的示值误差的检定,且准确度高、分辨能力强、回程误差小、操作简便、检定效率高,而且可以用于检定各种类型的百分表、千分表等,有较高的通用性。

2. 系统工作原理

本文是对指针式仪表的自动检定技术进行研究,完成对仪表的各种精度的检定。在系统的设计过程中,要着重的注意以下几点:

(1)系统的自动化程度,这直接决定系统的检定工作效率。

(2)尽量减少系统误差,因为百分表、千分表等指针式仪表本身为精密测量仪器,要使系统能够检定仪表的精度,那么系统应该有更高的精度。考虑到这两点,本系统先是采用步进电机伺服控制技术来驱动仪表指针转动,然后利用CCD摄像机对指针进行“观察”和“读数”,实现了系统的自动化;同时采用光栅传感器作为精密测量设备来降低系统误差。

结合上面的原理,根据本系统的功能我们设计整个系统的工作原理图如图1所示。

图1 系统工作原理图

计算机的主要任务包括:表盘图像和光栅信号的采集、表盘图像的处理、步进电机的控制。表盘图像的采集是通过控制CCD摄像机实现的;光栅信号的采集是通过与光栅测量系统的通信实现的;步进电机的控制是通过步进电机控制卡发送脉冲给步进电动机驱动器来实现的。步进电动机带动光栅传感器的手轮,从而驱动光栅传感器的推杆,最终推动仪表的测杆使得仪表指针转动。仪表的准确位移量由光栅测量系统测得,最终由串口传送到计算机。摄取的表盘图像通过图像采集卡传输到计算机。

在指针式仪表检定之前,需要将光栅传感器的推杆与仪表的测杆相接触,并将指针对零。系统工作时,首先根据被检表的类型和量程确定受检点的个数和相邻受检点之间的分度间隔。然后由步进电动机带动动仪表指针转动。在仪表指针转动时,计算机实时采集光栅测量系统的测量数据,当该数据与相邻受检点的间隔距离相等时,计算机启动CCD摄像机采集表盘图像,对采集到的表盘图像进行处理,从而确定仪表指针的位置参数,并将该位置参数与光栅测量系统采集到的基准量相比较,从而求出该受检点的示值误差。按照这种方法依次检测正反行程内各受检点的示值误差。在测量完正反行程各受检点的示值误差之后,根据国家指示表类检定规程JJG34.96所规定的检定算法,并依据所有受检点的示值误差,可以计算仪表的其它各项精度指标如工作行程误差、回程误差等。

3. 系统总体结构设计

本系统总体结构按照图1来设计。系统采用步进电机为动力源,步进电机通过弹性连轴结与光栅传感器的转动轮相连,转动轮将电机的旋转运动变为直线运动,并推动光栅传感器的推杆与被检表的测杆相对,当推杆与测杆相接触后,步进电机便可以直接驱动测杆移动。

光栅测量系统是利用光栅测长原理实时地对光栅传感器的输出信号进行处理,并通过计算机串口把标准位移值送到计算机。本系统采用的光栅传感器每lmm有100个刻线,光栅测量系统对光栅传感器的信号进行了20细分,光栅传感器的测杆每移动0.51ma,光栅测量系统的输出位移值就改变1。步进电机的转动由计算机通过步进电机控制卡进行控制。当光栅传感器的推杆未与被检表测杆相接触时,计算机控制步进电机快速运动。当推杆与测杆接触后,计算机控制电机做低速匀速转动,实现被检表的指针匀速转动,保证示值测量精度。当被检表指针达到最大行程后,计算机控制电机反向运转,实现反行程检定。

在光栅传感器的推杆推动下产生的被检表指针指示值变化量,由高精度CCD摄像机进行摄取,通过图像采集卡的传输和计算机图像处理和计算,最终得到指针示值。整个检定过程完全是在计算机的控制下完成的,因此本系统具有较高的自动化和智能化程度。

4. 本系统的优点

本文研究的指针式仪表的自动检定方法是基于数字图像处理技术、精密光栅测量技术以及步进电机控制技术的,将数字图像处理技术用于指针式仪表的检定,具有精度高、效率高、易于实现自动测量等优点;另外,将精密光栅测量技术用来测微位移,有利于提高系统的分辨率;还有,通过步进电机控制卡来实现在计算机上对多步进电机的控制,提高了系统的自动化程度。

参考文献:

[1]徐慧,Visual c++数字图像实用工程案例精选.北京:人民邮电出版社,2004

[2]数字图像处理(朱志刚,林学阉,石定机等译).北京:电子工业出版社,2002.392—393

作者简介:赵准,男,汉族,1975年出生,河南南阳,新乡博力达滤器机械有限公司,主要从事仪表电气方面的设计安装。