水平仪计量检定过程的信息化融合技术

王毅　徐炜东　张荣阁

摘要：该文以水平仪计量检定规程为核心，根据检定过程的技术要求，结合计算机软件技术，设计了用于实际计量检定过程的信息化融合软件辅助检定系统。该系统具备软件交互界面与检定流程相对应的技术特点，使检定过程交互随动，从而使计量检定过程更加合理、规范，最大限度地减少了操作和处理数据所造成的误差，提高了工作效率。

关键词：水平仪；计量检定；数据处理；信息化融合

中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2016）13-0246-03

1 概述

电子水平仪和合像水平仪（以下合称水平仪）是一种小角度测量仪器，主要用于测量相对水平面的倾斜角度，也可用来测量两部件的平行度、导轨的直线度和工作平面的平面度。

水平仪的检定按照中华人民共和国国家计量检定规程JJG103-2005《电子水平仪和合像水平仪》进行，该规程适用于电子水平仪和分度值为0.01mm/m 的合像水平仪的首次检定、后续检定和使用中检验。

水平仪的检定内容包括：1）外观；2）各部分相互作用；3）分度盘棱边上边缘至指标线表面的距离；4）工作面平面度；5）工作面表面粗糙度Ra；6）0.01mm /m与1mm/m的刻线间符合性；7）以V形工作面绕水平心轴倾斜±5°时示值变化量；8）零值误差；9）各量程零位一致性；10）读数稳定时间；11）漂移；12）重复性；13）示值误差等13项。

在重复性检定时，要求将正弦规放置在平板上构成一水平倾角，用调至最小量程挡的水平仪对该倾角进行7 次重复测量，其最大差值的绝对值为重复性。且检定应在相对间隔约 2/3 量程的两个位置进行。

在示值误差检定时，允许采用两种方法，即使用小角度检查仪检定方法和使用正弦规检定方法。检定位置和数量有如下规定：

指针式电子水平仪指示器：全量程范围：11点；侧微器：全量程范围： 4～6点。

数显式电子水平仪：测量范围：11点。

合像水平仪：全量程范围：11点、量程中点±1 m m / m范围：11点。

水平仪的示值误差检定要求：在正、反行程方向上进行。

从检定的重复性和示值误差要求可以看出：检定将产生多组、多类检测数据。同时，也将带来对检测数据处理分析的复杂性。

本文要探讨的是将计算机信息及软件技术应用到计量检定的整个过程并深入到具体细节的技术方法，该方法可以称之为“计量检定过程的信息化融合”。

从检定内容、检定流程和检定操作规范性考虑，信息化内容可分为检定流程的交互引导（包括检定工具和设备的使用）、后台数据处理模型和数据前台交互设计三个方面。

上述三个方面的设计，将有效解决检定操作过程的规范化、检定数据处理的自动化和检定过程及数据的信息化问题。从而使水平仪的计量检定和计算机信息处理的强大功能相融合，极大提高水平仪检定工作的效率。

2 水平仪结构介绍

本文涉及的水平仪包括：指针式电子水平仪、数字显示式电子水平仪和合像水平仪三种。三种水平仪的外部结构见图1、图2和图3所示。

3 检定过程信息化融合设计

3.1 检定流程的交互

检定流程的交互是指：将计量检定规程中的内容按检定操作时序和功能分类，采用相应的计算机软件技术将整体顺序和各个功能进行模块化设计，从而使操作人员可以根据软件设计的人机交互界面的提示进行交叉作业，最终规范化地完成整个计量检定过程。

按照计量检定规程JJG 103—2005《电子水平仪和合像水平仪》的内容和技术要求，结合信息化软件的设计方法，功能模块设计有如下几个方面：

1）信息模块

信息模块是将计量检定规程中的全部文档信息和图片信息进行分类，按检定操作时序把分类的子模块嵌入到各流程环节的合理位置，在系统运行时，在合适的时间完成显示提示，帮助操作人员规范化操作，提高工作效率和准确性。

2）选择模块

选择模块是计算机人机交互的重要方法，在整个计量检定过程中，操作人员需要进行诸多选择，如：检定设备、检定标准、测量方法和检定工具的选择等。信息化软件系统设置多种选择模块，在程序执行进程中提供给用户选择，在主选择结束后，相应的子选择项也随之改变，从而保证计量检定流程的准确性和合理性。

3）数据交互模块

数据交互模块是指在信息化系统运行时，在特定的检定环节产生的对应数据的录入（包括人工和自动），本文的录入指人工输入。数据输入到软件界面相应的文本框后，无需计算的数据将保存在后台数据库对应的数据表内，需要计算的数据在数据处理模块中进行计算。计算结果实时显示在计算机界面上，从而实现信息交互传递。

4）数据处理模块

数据处理模块是信息化的核心之一，无论是系统自动采集或人工录入的数据，需要计算时，软件系统根据程序预先建立的数学模型，合理快捷地将相关数据按技术要求进行运算并按管理要求进行保存和显示。该模块是提高计量检定工作效率的核心引擎。

3.2 信息模块设计

1）检定规程信息导航设计

设计导航栏，用户选择相应内容时，显示检定规程的技术要求。内容包括：检定规程概览信息，如：检定规程名称、编号、发布日期、实施日期、归口单位、起草单位等；检定规程内容导航，如：检定规程适用范围、引用文献、总体概述（文档和图片）、计量性能要求、通用技术要求、计量器具控制及附录等。内容显示及操作方式有两种，一是用户顺序执行程序时，相关信息自动显示在界面侧边提示栏；二是用户单击导航条上相应栏目并激活子栏目显示对应信息。例如：当用户单击导航栏“计量器具控制”时，“检定条件”、“检定项目”“检定方法”等子栏目弹出，再单击“检定条件”下的“检定环境条件”时，将弹出显示下表所示内容：

3.3 流程原理与信息交互

在检定过程开始时，首先运行本信息系统。系统流程与信息交互框图见图4所示。在程序运行的各个阶段，用户界面同时运行对应信息模块，提示用户操作。

图中，三个选择环节分别为用户提供：设备种类选择、检定工具选择和检定项目选择。其中设备种类选择包括：指针式电子水平仪、数字显示式电子水平仪和合像水平仪三种。检定工具选择包括：小角度检查仪、正弦规、量块平板、心轴、刀口形直尺、塞尺、表面粗糙度比较样块、秒表等。检定项目选择包括：首次检定、后续检定、使用中检定三类及上述类别中涉及的各种规程规定的检定项目。

数据计算由后台数据处理模块完成，数据处理结束后自动保存在数据库中。

数据交互模块设计

数据交互主要在用户界面中进行。因此，用户界面的设计按照以下格局进行。图中，界面左侧为数据的输入和计算结果输出功能区。功能区给出了计算公式、单位、输入文本框和输出文本框。右侧区域显示按照规程进行检定时，该环节的技术要求。下方配置功能按钮，用户可以点击实现具体操作。

数据处理模块设计

按照检定规程，数据计算与处理包括：零值误差的计算、水平仪示值误差计算、最终结果的数据处理等。本文以水平仪示值误差计算为例，描述数据处理模块的设计。

在示值误差检定时，允许采用两种方法，即使用小角度检查仪检定方法和使用正弦规检定方法。

使用小角度检查仪检定方法

根据检定规程的描述，在小角度检查仪上检定水平仪的示值误差所用的量块尺寸按式 （1） 计算：

式中： ri为i点的偏差读数，格；Li，L0—分别为检定i点和起始点位置时，所用量块的实际尺寸偏差，μm；d—水平仪分度值，mm/m。

对于合像水平仪和指针式电子水平仪，取正、反两行程方向上各检定位置的示值误差δi的绝对值最大者为水平仪的示值误差δ。对于数显式电子水平仪，正、反两行程方向上各检定位置的示值误差δi均应满足测量范围内：±（1+A×2%）（的要求。式中A为检定位置标称值的绝对值，（值与电子水平仪相应量程档的分辨力数值相同。

使用正弦规检定方法

根据检定规程的描述，正弦规所垫量块尺寸L按式 （4） 计算：

式中：l—正弦规两圆柱轴线间距，mm；H—检定位置的标称示值，mm/m 。

各检定位置的水平仪读数值rk与相应正弦规产生的角度值（△x之差为各检定位置的示值误差。检定完零位一侧测量范围的示值误差后，将水平仪调转 180°方位，用相同的方法检定零位另一侧测量范围的示值误差。

根据检定方法的区别和每个检定方法所采用的数学模型设计程序流程，软件原理框图如图6所示。

软件设计平台与数据库

软件设计开发平台选择Microsoft Visual Studio 2012，设计语言选用C++；数据库采用Microsoft Access 2007设计平台。

数据库设计4个与程序功能对应的数据表，分别是：人员管理表、规程信息表、检定数据表和信息查询输出表。

人员管理表：用于用户使用本软件系统的登录、操作、维护管理。包括：系统ID、姓名、密码、岗位、持证信息、角色信息（检定、核验、审批）、查询及操作权限等。

规程信息表：用于保存检定规程中各种技术要求信息。可由程序按随机方式或流程节点调用显示。

检定数据表：保存测试过程的实时数据和最终结果数据。

信息查询输出表：提供各种查询结果并作为信息打印输出的临时表。

上述数据库表的内容由C++语言程序在主程序或个子程序模块中调用，将数据读出显示或将测量数据写入保存。在需要查询时，用户可以进行单项或组合查询。

4 结束语

通过对计量检定规程JJG103-2005《电子水平仪和合像水平仪》的格式、检定环境、检定器具、检定通用技术要求、检定数据处理方法等内容的具体分析，总结出该计量检定过程的基本规律。结合现代软件工程设计技术和数据处理方法，将整个计量检定过程与计算机软件交互融合，使检定操作过程在计算机软件的规范化、层次化、标准化框架模式下高效运行。整个软件设计流程符合计量检定规程的要求，使计量检定工作效率大大提升。同时，由于计算机软件流程的介入和计算方法的更新，降低了人为因素造成的操作和计算误差。本文的设计思路更加适合能够实现设备通讯功能的计量检定自动化流程和涉及复杂的数据处理计算的仪器检定过程。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家计量检定规程.JJG 103—2005《电子水平仪和合像水平仪》[S].2005.

[2] 中华人民共和国国家计量检定规程.JJG 191- 2002《水平仪检定器检定规程》[S].2002.

[3] 高守传，聂云铭.Visual C++6.0开发指南[M].北京： 人民邮电出版社， 2007.

[4] 孙鑫，余安萍.VC++深入详解[M].北京： 电子工业出版社， 2006.

[5] 孙浩.Visual C++范例大全[M].北京： 机械工业出版社， 2009.