趙煥宇

(遼寧省大連市計量檢定測試所，大連 116033)

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智能水平儀檢測裝置的研究與開發(fā)*

趙煥宇

(遼寧省大連市計量檢定測試所，大連 116033)

結合步進電機驅動與視覺處理技術,設計了一種水平儀自動檢測裝置,采用Labview軟件系統(tǒng)NI Vision開發(fā)了其中的視覺處理模塊，模塊化開發(fā)優(yōu)化了軟件設計過程。在裝置開發(fā)過程中，對圖像采集系統(tǒng)及步進電機驅動電路進行了大量實驗,證明了設計方法可靠實用,符合計量校準規(guī)范要求，提高了水平儀檢測的檢測精度和效率，可以用于氣泡式水平儀的計量溯源。

步進電機；視覺處理；Labview；NI Vision

0 引言

目前國內計量檢定機構大都使用杠桿螺絲副式水平儀檢定裝置檢測氣泡式水平儀的刻線示值誤差。檢測時通過人工轉動手輪帶動杠桿螺絲副使工作臺產生微小傾角變化，通過人工判斷水泡刻線誤差。近年來，國內相關生產廠家也對水平儀檢定器產品進行了不同程度的技術改進，如利用光柵尺和數(shù)顯裝置替代了微分筒讀數(shù)，既消除了檢定過程中機械部分螺紋回程誤差又很大程度的提高了讀數(shù)精度，但未能消除完全憑人眼判斷水泡與刻線相對位置所帶來的穩(wěn)定性和重復性誤差，同樣也無法解決要對刻線逐一靜止檢定，工作效率較低等諸多問題[1]。

本文所闡述的智能水平儀檢測裝置是針對現(xiàn)有水平儀檢定裝置進行自動化和智能化的技術改造，以步進電機代替人工為系統(tǒng)提供勻速可控轉動，利用高清鏡頭進行圖像采集和處理，替代人眼觀測。采用NI公司的Labview軟件開發(fā)上位機軟件系統(tǒng)，對校準數(shù)據進行量化分析，實現(xiàn)對氣泡式水平儀計量指標的準確有效檢測，做到了試驗過程的動態(tài)可控。

1 技術原理及測量方法

本次改造是通過在原有檢定器外圍增加功能模塊的方式進行，在實際運行中，以行星減速步進電機模塊提供勻速、可控轉動，使水平儀檢定器工作臺產生對應的傾角變化，單片機模塊記錄表示轉動角度的驅動脈沖數(shù)，通過限位模塊保證水平儀鼓輪轉動不超出可動范圍；利用高清工業(yè)鏡頭對水平儀讀數(shù)面圖像進行采集和處理，替代人眼觀測，對被檢水平儀氣泡運動進行跟蹤與判斷，依次記錄氣泡與每條讀數(shù)刻線相切時的脈沖數(shù)；將氣泡通過兩條刻線間的脈沖數(shù)之差通過特定的系數(shù)換算，就可以將檢測結果量化，進而對檢測結果進行判斷。系統(tǒng)設計示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計示意圖

2 智能檢測裝置的實際工作效果

本系統(tǒng)的控制信息以及檢測數(shù)據都是根據工業(yè)鏡頭采集到的圖像數(shù)據進行的，能否得到良好的圖像直接關系到系統(tǒng)的性能，所以對圖像預處理是非常必要的，目的就是去除圖像噪聲干擾，恢復圖像的本來面目，真實可靠的圖像是數(shù)據檢測和系統(tǒng)控制的前提。根據本檢測系統(tǒng)的特點，需要對原始圖像作濾波、平滑、銳化、增強處理等[2]。

檢測目標的確定，亦關注區(qū)ROI的設定。在機器視覺系統(tǒng)設計中，是從關注區(qū)中提取測量指標而不是從整個圖像中。因為本系統(tǒng)設計思路是工業(yè)鏡頭和待檢水平儀始終處于相對靜止，待處理的圖像中被測物體始終保持在相同的位置和方向，唯一的變化是水平儀液泡隨水平儀檢定器手輪旋轉而做直線運動，所以直接定義了關注區(qū)ROI，實際效果如圖2所示。

圖2 水平儀圖像設置ROI后的實際效果

為了獲取水平儀刻度以及液泡頂端坐標。通過調用Ni Vision函數(shù)中的IMA QLine Profile.VI，獲取ROI直線上的像素值[3]，以數(shù)組的形式返回直線上分布的像素大小，將其輸入進波形顯示控件，形成一個最大值是255、最小值為0的波形圖，尖峰的位置坐標就是玻璃管刻度和液泡頂端的位置坐標，可以通過算法程序得到像素數(shù)組值的最大值以及與其對應的索引坐標，就可以確定水平儀玻璃管刻度和液泡頂端位置坐標。顯示效果如圖3。

圖3 原始圖像對應的波形坐標

3 裝置改造后的誤差來源分析

改造后的裝置各方面運行良好，為了確保其可靠性，我們從以下幾個方面對其進行誤差分析。

3.1 機器視覺讀數(shù)判斷能力

首先對機器視覺的分辨力進行分析，通過與人眼的分辨力進行對比論證系統(tǒng)采用機器視覺的可行性與合理性。

人眼的極限分辨力：查閱相關文獻，得到兩個數(shù)值。一是在中等亮度、中等對比度及對應的最佳距離(0.668m)的條件下，人眼的分辨力為0.2mm；另一個根據瑞利準則，利用公式:

(1)

式中，θ為最小分辯角；l 為入射波長；D為光學儀器入射直徑。

一般人的虹膜直徑約為3～5mm，充足光線，取虹膜直徑為3mm，肉眼對波長約555nm的光最敏感，可以得到人眼的最小分辨角為：

θ=1.22×555×10-9/(3×10-3)=0.000226，在人眼明視距為250mm條件下的極限分辨力為：

Δy=2×250×θ=0.113mm

(2)

機器視覺的分辨力由以下三個方面的因素決定：軟件圖像算法、相機光學系統(tǒng)畸變以及成像光路誤差。

軟件圖像算法誤差：在圖像處理中，我們采用Labview和NI Vision實現(xiàn)，根據相機的視場與分辨率，通過公式：特征分辨力=(視場/分辨率)×2，相機的分辨率為1280×768，橫向成像寬度為50mm，則相機橫向特征分辨力即軟件圖像算法誤差為：

(50/1280)×2=0.078125mm

(3)

相機光學系統(tǒng)畸變：在一般的機器視覺應用中，由于需要精確定位的要求，通常需要對相機進行畸變修正。而在本裝置中，由于采集到的圖像并不需要進行定位，只需要完成相對位置的判斷即可，實際并不需要進行畸變的修正，該影響量可忽略不計。

成像光路誤差：由于水平儀的結構，相機采集到的圖像實際是將三維信息轉換為二維的信息，而在實際應用時，水平儀的玻璃管與外部的防塵玻璃/有機玻璃都會引入誤差，只有攝像機正下方的讀數(shù)點才是零誤差的。在這里進行最壞情況分析，即相機視場的最邊緣位置。利用一個簡化的模型來評估玻璃厚度的影響，將成像路徑簡化為如圖4所示。在這里做了兩個簡化處理：一是將兩層玻璃的影響做合并處理，不計算玻璃的折射影響；二是忽略讀數(shù)時水泡端讀數(shù)切線位置的微小變化影響。

測試條件為：相機距離讀數(shù)面距離為400mm，相機視場為50mm，合并的玻璃厚度為2.5mm，刻線間距為2mm，最邊緣的兩條刻線的誤差分別是x0，x1。利用正切與平行關系有：

(4)

兩刻線間之差為x0-x1=0.0125mm，根據正切函數(shù)性質，該值為最大值，為光路誤差。

圖4 簡化光路

將軟件圖像算法誤差與光路誤差進行合并，在最不理想的情況下，得出機器視覺系統(tǒng)的分辨力為：

(5)

與人眼的極限分辨力相比較，機器視覺分辨力更高，這個精度可以一直保持，避免了人眼存在的疲勞和個體差異等因素影響。

3.2 步進電機模塊轉動精度

由電機模塊結構決定，影響系統(tǒng)精度的因素有：脈沖計數(shù)誤差、減速裝置不均勻以及機械振動影響。

脈沖計數(shù)誤差：影響脈沖數(shù)與轉動角度的量有步進電機驅動角、減速比、驅動電流細分數(shù)，在本次應用中有：1步進計數(shù)=360°/(200×264×32),對于檢定器顯示刻度為6°/格，每格刻度對應的脈沖數(shù)為：6×200×264×32/360=28160，對于規(guī)格為0.02mm的水平儀，水平儀氣泡移動一個刻度區(qū)間需要轉動的格數(shù)為6格，理論上記錄的脈沖數(shù)為168960，只要系統(tǒng)驅動步進電機的脈沖數(shù)足夠多，系統(tǒng)中脈沖計數(shù)誤差影響可以忽略不計。

減速裝置不均勻：機械固有，實際測試比較小，通過實驗可以在軟件設計中對其進行修正。

機械振動影響：通過采用相互隔離的工作底座、柔性連接以及其它減震措施，實際的測試運行過程中機械振動的影響可以忽略不計。

步進電機模塊能提供均勻、連續(xù)和可控的轉動，與人工方式比較，避免了轉速波動的發(fā)生，有利于緩解水平儀氣泡在玻璃管中的粘滯現(xiàn)象。

通過比對的方法完成系統(tǒng)性能測試，對采用傳統(tǒng)裝置進行檢測的數(shù)據與改造后的裝置測試數(shù)據進行對比試驗，驗證系統(tǒng)工作情況及性能，分析測量數(shù)據及測量過程，找到影響測量精度的因素并加以改進。使用分度值為0.005mm/m的水平儀檢定器校準一臺分度值為0.02mm/m的水平儀，傳統(tǒng)裝置與改造后的裝置取得的數(shù)據分析如圖5。

圖5 傳統(tǒng)方法、自動檢測數(shù)據分析

分析兩種方法取得的數(shù)據可以看出，傳統(tǒng)方法因檢定人員個體判定標準差異導致校準結果的穩(wěn)定性和重復性一致性較差，也無法解決要對刻線逐一靜止檢定、工作效率較低等諸多問題。水平儀自動檢測裝置取得的數(shù)據一致性較好，而且只要驅動步進電機脈沖數(shù)足夠多，裝置的精度也會得到相應提高，實現(xiàn)了試驗過程動態(tài)連續(xù)檢測，大大提高了檢定系統(tǒng)精度和工作效率。

4 結論

傳統(tǒng)的水平儀檢測校準采用人眼識別判斷的方法費時費力，研制成功的智能水平儀檢測裝置綜合運用視覺處理技術，結合Labview相關工具軟件，能夠自動檢測，達到了預期的設計效果，能夠滿足水平儀校準規(guī)范對檢測標準裝置的要求，節(jié)省了人力的同時也提高了檢測結果的客觀性和精確性，研究成果在計量檢定校準行業(yè)中具有很好的應用前景。

[1] 賀凱琴.水平儀的調修及保養(yǎng)[J].中國計量,2005(5):57-58

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[5] 趙易彬,王振文.基于Lab VIEW的數(shù)據采集系統(tǒng)[J].中國計量,2006(10)

[6] 陳志坤，馬曉峰.基于Labview的圖像檢測系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)[J].河北理工學院學報,2003,25(3):40-45

[7] 李瑞，周冰，胡仁喜.Labview 2009中文版虛擬儀器從入門到精通[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010

*課題項目：遼寧省質量技術監(jiān)督局科技計劃項目：2011607

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.11.12