基于检定距离调节的照度计智能检定系统研制

邓洁虹 汤清源 魏峰



基于检定距离调节的照度计智能检定系统研制

邓洁虹 汤清源 魏峰

（广东省江门市质量计量监督检测所）

为解决照度计检定过程中人工检定效率低、过程易出错、数据可信度低等问题，设计照度计智能检定系统框架，从硬件系统搭建、自动控制系统设计、检定数据智能识别系统开发等方面研制具有检定距离与初始位置自动调节、检定数据智能识别等功能的照度计智能检定系统。该系统可提升检定效率、减少劳动成本、降低出错几率，实现照度计检定过程的自动化与智能化。

照度计检定；自动控制；智能识别；智能检定

0 引言

照度计是光学测量应用最多的仪器之一，广泛用于影视照明、工业生产、居家照明等行业。随着国民经济发展，工业、农业、商业、公共基础设施和居民住宅等对照明质量要求越来越高，使得照度计使用数量呈几何级增长，同时需检定的照度计数量剧增。高效率、高精度实现照度计检定已迫在眉睫。基于大数量、高精度的照度计检定需求，未来照度计检定系统必然要往自动化、智能化、高精度化和可信化方向发展。

针对人工检定系统中存在的操作误差、检定效率低、数据可信度低等问题，国内外专家提出并设计不同应用对象的自动化检定系统。文献[1]通过设计关键电路、特定电源模块和智能检定系统，实现对特高压电流互感器的现场检定；文献[2]针对频谱分析仪检定过程中自动化程度低的问题，设计自动化检定系统软件，大大缩短分析仪检定时间；文献[3]利用模板匹配方法提高仪表检定鲁棒性、通用性及准确度；俄罗斯学者Valery Konyavskiy等为保证铁路运输系统安全，设计铁路安全信息关键系统自动检定框架以实时、准确、快速地验证关键系统正常工作[4]；Jaromir Ludwin等学者为检定超导电路电气质量，设计相关软硬件和数据存储与分析工具，提高检定过程的灵活性与可扩展性[5]。除此之外还有超声探伤仪、水表和电能计量装置等方面的自动化检定研究[6-8]。

目前国内外对检定系统的研究都朝着自动化、智能化、数字化方向发展。国内关于照度计自动检定的研究较少，研制照度计智能检定系统具有重要意义。

1 照度计智能检定系统框架

照度计检定基本原理如图1所示，其基本检定流程为：安装固定标准光源、光阑和待检照度计，使标准光源发光点A、光阑孔圆心B、待检照度计光度头圆心C位于同一直线上；初始化待检照度计位置；控制标准光源发出所需光强光线；检测各待检位置照度计读数，并记录数据；与标准数据对比并判断待检照度计是否合格。

图1 照度计检定基本原理图

为实现照度计检定流程的自动化与智能化，本文提出基于检定距离调节的照度计智能检定系统研制的总体方案，如图2所示。本方案主要包含3个方面研究内容：照度计智能检定系统硬件设计、照度计空间位置自动控制系统设计和照度计示值的检定数据可溯源记录系统设计。

图2 基于检定距离调节的照度计智能检定系统总体方案图

2 照度计智能检定系统关键构架

2.1 照度计智能检定系统硬件设计

照度计智能检定系统硬件部分主要包括高精度数字电源与标准光源、高线性度宽量程直线光轨和计算机运动控制模块。

通过对比规定位置照度计检定数据和标准照度值，可得出待检照度计是否合格。标准光源照度值计算公式为

(1)

其中，为规定位置处照度值；为标准光源发光强度；为规定位置与标准光源间水平距离即检定距离。

由式(1)可以看出，规定位置处照度值的精度主要取决于标准光源自身发光强度和检定距离精度。与标准光源输入功率有着直接关系，为保证的精度，必须采用高精度数字电源以确保其输出功率精度；精度直接取决于导轨线性度和定位精度，为此采用高线性度直线光轨结合高精度步进电机，实现的高精度自动化调节。

照度计智能检定平台机械结构如图3所示，标准光源、光阑、工业相机、待检照度计和位姿调节装置安装于直线光轨上，其中标准光源、光阑位置固定不变，而工业相机、待检照度计和位姿调节装置安装于同一移动平台上，通过高精度步进电机实现标准光源与待检照度计在直线光轨上水平间距调节。标准光源、光阑、待检照度计光度头应满足图1的位置关系；工业相机安装位置高度低于待检照度计光度头高度，避免遮挡光线，同时保持与待检照度计的距离，以获得待检数据清晰图像；位姿调节装置在检定开始前调整照度计初始空间位置，确保标准光源、光阑孔、待检照度计光度头位于同一直线，并提升检定距离精度。

图3 照度计智能检定平台机械结构图

2.2 照度计空间位置自动控制系统设计

照度计空间位置自动控制系统由照度计检定距离调节系统和照度计位姿调节系统组成。

照度计空间位置自动控制原理如图4所示，包括照度计检定距离自动控制和照度计位姿自动控制两部分。自动控制流程为：上位机通过RS232通信向PLC发送指令；PLC根据指令，通过晶体管输出高频脉冲信号到步进电机驱动器，用以控制步进电机和位姿调节装置。

图4 照度计空间位置自动控制原理图

上述流程中，通过PLC和步进电机驱动器，实现上位机对步进电机转向、转速、转动的调控，达到照度计检定距离自动调节的目的；同时实现上位机对位姿调节装置3个坐标轴方向位移控制，达到待检照度计位置初始化的目的。

2.3 照度计示值的检定数据可溯源记录系统设计

照度计示值的检定数据可溯源记录系统由检定数据智能读取系统、检定数据存储与可溯源系统组成。照度计示值的检定数据可溯源记录原理如图5所示，通过工业相机拍摄待检照度计示值图像；通过USB数据线上传至上位机，上位机根据工业相机所摄图像识别待检照度计照度值。

图5 照度计示值的检定数据可溯源记录原理图

本文利用SSD目标检测网络训练和预测待检照度计示值，其流程如图6所示。在训练SSD目标检测网络流程中会迭代优化深度神经网络参数，提高网络对示值的检出率和检测准确率。流程为：配置SSD网络运行环境，确保训练网络正常、快速运行；搭建SSD目标检测训练网络；构建照度计示值数据集，主要包括标注示值位置和内容，用于训练网络参数和验证应用该网络参数预测结果的准确度；利用所搭建网络和构建数据集训练SSD网络；保存网络参数，用于待检照度计示值预测。SSD网络预测主要作用为预测待检照度计示值，流程为：搭建SSD目标检测预测网络；导入预训练参数；从工业相机处获取待检照度计示值图像；在原图像上标定待检照度计示值结果。

图6 SSD目标检测网络训练与预测待检照度计示值流程图

3 待检照度计示值预测实验

待检照度计示值检定结果示意图如图7所示，分别展示照度计202 lux，409 lux，363 lux和405 lux示值下的预测结果。

预测值：2 得分：0.9893826；预测值：0 得分：0.9981122；

预测值：2 得分：0.9978248

图7(a) 预测结果202 lux

预测值：4 得分：0.61435986；预测值：0 得分：0.9544674；

预测值：9 得分：0.9855009

(b) 预测结果409 lux

预测值：3 得分：0.98247486；预测值：6 得分：0.79872984；

预测值：3 得分：0.9977731

(c) 预测结果363 lux

预测值：4 得分：0.98992807；预测值：0 得分：0.97650117；

预测值：5 得分：0.9915072

(d) 预测结果405 lux

图7待检照度计示值预测结果示意图

由图7可知，4张图像预测结果均正确。图7中所展示的预测图像数量为本文实验所有预测图像数量的4/230，除去数码管模糊不清外，230张图像中仅有1张图像出现预测错误情况，故本次实验中待检照度计示值预测准确率为99.6%，结合数据存储和异常数据处理，可实现照度计检定领域中示值智能读取。

4 结语

本文针对照度计检定领域普遍存在的自动化程度低、人工检定效率低、人工检定数据读取与记录易出错等问题，设计照度计智能检定系统。从硬件系统搭建、自动控制系统设计、检定数据智能识别等方面实现具有照度计检定距离自动调节、照度计初始位置自动设置、照度计示值智能检定等功能的照度计智能检定系统，最后通过待检照度计示值预测的实验验证该照度计智能检定系统的可行性。

后续将研究待检照度计检定数据存储、异常数据检测与处理，进一步提高照度计智能检定系统的准确性。

[1] 徐敏锐,曾捷,穆小星,等.特高压电流互感器自动化检定系统设计与应用[J].南京理工大学学报,2017,41(6):730-737.

[2] 赵汝和,李迅波,李三雁.基于IVI技术的频谱分析仪自动检定系统设计[J].中国测试,2017,43(10):114-118.

[3] 莫文雄,裴利强,黄青丹,等.基于模版匹配和查表法的高精度指针式仪表自动检定系统研制[J].电测与仪表,2017,54(12): 100-105.

[4] Konyavskiy V, Epishkina A, Korotin A. The design of integrity monitoring and reliability verification system for critical information, transmitted in automatic train signaling system, based on DMR-RUS radio channel [J]. Procedia Computer Science, 2016, 88:318-323.

[5] Ludwin J, Jurkiewicz P. Upgrade of the Automatic Measurement System for the Electrical Verification of the LHC Superconducting Circuits[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(3):1-3.

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Development of Intelligent Verification System with Adjustable Distance for Illuminometer

Deng Jiehong Tang Qingyuan Wei Feng

(Guangdong Jiangmen Supervision Testing Institute of Quality & Metrology)

In order to solve problems in the process of verification for illuminometer, such as low efficiency of manual verification, error in verification process and low reliability of verification data, a framework of intelligent verification system for illuminometer is designed in this paper. This paper decides to develop an intelligent verification system for illuminometer with the functions of self-regulation for the calibrating distance and initial position and intelligent recognition of calibrating data. The system proposed in this paper can improve the efficiency of verification greatly, reduce labor costs, reduce the probability of error, and realize the automation and intelligence of the verification for illuminometer.

Verification for Illuminometer; Automatic Control; Intelligent Recognition; Intelligent Verification

邓洁虹，女，1976年生，高级工程师，主要研究方向：机电一体化。E-mail: djh336@126.com