姜立斌

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

該項(xiàng)目主要是在風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，研制能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)量罩自動(dòng)校準(zhǔn)的裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)以風(fēng)洞和變頻式電機(jī)作為風(fēng)量產(chǎn)生裝置，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng)，再配以皮托管、數(shù)字差壓計(jì)、數(shù)字溫度傳感器和數(shù)字氣壓傳感器，應(yīng)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制技術(shù)，自動(dòng)采集風(fēng)洞內(nèi)的氣流溫度、大氣壓和風(fēng)洞試驗(yàn)段的差壓值，實(shí)時(shí)計(jì)算出風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)量值，并能夠控制變頻伺服器從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)量值。當(dāng)風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)量值達(dá)到穩(wěn)定后，該系統(tǒng)能夠通過(guò)攝像頭截取被檢風(fēng)量罩的示值圖像，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)讀取出示值，通過(guò)USB傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行計(jì)算。完成一個(gè)風(fēng)量點(diǎn)的校準(zhǔn)后，選擇下一個(gè)風(fēng)量點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，直到完成所有的風(fēng)量點(diǎn)校準(zhǔn)，最后進(jìn)行校準(zhǔn)結(jié)果計(jì)算處理，擬合標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量和被檢風(fēng)量罩的示值曲線圖，并輸出校準(zhǔn)報(bào)告。主要的研究?jī)?nèi)容如下：

（1）通過(guò)計(jì)算機(jī)采集數(shù)字差壓計(jì)、數(shù)字溫度傳感器和數(shù)字氣壓傳感器的數(shù)據(jù)，得到風(fēng)洞內(nèi)氣流的溫度、大氣壓和皮托管壓差值，實(shí)時(shí)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量值。

（2）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)口與變頻伺服電機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)量值。

（3）對(duì)于被檢風(fēng)量罩，通過(guò)攝像頭截取圖像，再通過(guò)圖像識(shí)別獲得被檢風(fēng)量罩的示值。

（4）對(duì)最后的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算并擬合風(fēng)量輸出曲線，最后生成校準(zhǔn)記錄。

1 硬件組成與工作原理

該系統(tǒng)的硬件主要由三大部分組成，如圖1所示，一部分為溫度、差壓采集模塊；一部分為風(fēng)機(jī)控制部分［1］；還有一部分為圖像傳輸部分。

溫度、差壓采集模塊的傳感器為鉑電阻、皮托管和數(shù)字壓力計(jì)，傳感器都放置固定在風(fēng)洞內(nèi)。該模塊可以接收計(jì)算機(jī)的控制指令，主要負(fù)責(zé)采集鉑電阻的電信號(hào)和皮托管的差壓，并將數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)量值。

電機(jī)控制部分主要由一個(gè)變頻伺服器和一個(gè)可以改變轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)組成。變頻伺服器能夠通過(guò)網(wǎng)口和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，接收計(jì)算機(jī)的指令來(lái)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而獲得校準(zhǔn)過(guò)程中所需要的風(fēng)量。

圖像傳輸部分主要為網(wǎng)絡(luò)攝像頭，用于拍攝被檢風(fēng)量罩的示值，并通過(guò)USB通訊將圖片傳送給計(jì)算機(jī)，以便計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，讀取出被檢風(fēng)量罩的示值。電橋測(cè)量法，精度受引出導(dǎo)線的電阻影響。四線制采用恒流源供電，直接測(cè)量鉑電阻兩端的電壓信號(hào)就可以得到鉑電阻的阻值，不受引出導(dǎo)線的影響，測(cè)量精度較高，故該系統(tǒng)采用四線制。

圖1 風(fēng)量罩自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

圖2 四線制的鉑電阻接法

系統(tǒng)工作原理：首先，計(jì)算機(jī)向采集系統(tǒng)發(fā)出采集溫度、差壓的指令，采集系統(tǒng)收到指令開始采集溫度、差壓信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)。同時(shí)計(jì)算機(jī)向變頻伺服器發(fā)出啟動(dòng)指令，讓風(fēng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。計(jì)算機(jī)根據(jù)采集系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)溫度、差壓計(jì)算風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)量值的變化，根據(jù)風(fēng)量值的變化，不斷地通過(guò)變頻伺服器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，直到風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)量值達(dá)到所期望的值。當(dāng)風(fēng)量值趨于穩(wěn)定后，計(jì)算機(jī)再通過(guò)攝像頭拍下被檢風(fēng)量罩的LCD顯示屏幕的圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到被檢風(fēng)量罩的顯示值，并記錄下來(lái)。當(dāng)一個(gè)風(fēng)量點(diǎn)校準(zhǔn)完成后，計(jì)算機(jī)再控制變頻伺服器改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)入下一個(gè)風(fēng)量點(diǎn)的校準(zhǔn)。當(dāng)所有校準(zhǔn)風(fēng)量點(diǎn)都完成后，計(jì)算機(jī)將所記錄的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量值和被檢風(fēng)量罩示值進(jìn)行處理，并生成符合要求的原始校準(zhǔn)記錄［2］。

1.1 組成單元功能

1.1.1 溫度、壓力采集系統(tǒng)

溫度傳感器采用鉑電阻傳感器。鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時(shí)自身電阻值也隨之改變的特性來(lái)測(cè)量溫度的，它的準(zhǔn)確度和線性度優(yōu)于其它溫度傳感器，如熱電偶、熱敏電阻。由于鉑的特性穩(wěn)定，不會(huì)因高低溫而引起物理或化學(xué)變化，因而它具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。鉑電阻的接法有二線制、三線制、四線制。二線制和三線制都是

圖3 溫度、壓力采集系統(tǒng)

差壓測(cè)量直接關(guān)系到風(fēng)量值的測(cè)量準(zhǔn)確度，故而采用日本恒河儀表的數(shù)字壓力計(jì)。該款數(shù)字壓力計(jì)能夠提供精確穩(wěn)定的壓力讀數(shù)，壓力量程最大可達(dá)1000Pa，測(cè)量精度可達(dá)0.1%FS，計(jì)量性能能夠滿足本系統(tǒng)的要求［3］。

當(dāng)風(fēng)量罩自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)采集到大氣壓、風(fēng)洞氣流的溫度后，就可以根據(jù)以下公式計(jì)算出空氣密度：

式中：

再根據(jù)采集到的差壓值，就可以按下式計(jì)算風(fēng)量值［4］：

式中：

1.1.2 風(fēng)機(jī)控制部分

對(duì)于該系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程中，風(fēng)量值的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。風(fēng)量的穩(wěn)定性取決于變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)控制的響應(yīng)和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的變頻器采用Frenic的5000P11，它采用動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩適量控制，能在各種運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的最佳控制。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制是一種先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)高速計(jì)算電機(jī)負(fù)載所需功率，最佳控制電壓和電流矢量，最大限度發(fā)揮電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。按照動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制方式，能配合負(fù)載實(shí)現(xiàn)在最短時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)地加減速。5000P11帶有PG反饋卡，能構(gòu)成帶PG反饋的矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更高性能、更高精度的運(yùn)行。5000P11速度控制范圍1：1200，速度控制精度±0.02% ，速度響應(yīng)40Hz，具有網(wǎng)口可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)通信。計(jì)算機(jī)可以根據(jù)校準(zhǔn)風(fēng)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)頻率，自動(dòng)改變變頻器的輸出，從而無(wú)需對(duì)變頻器進(jìn)行人工操作。

1.1.3 圖像采集部分

該系統(tǒng)對(duì)被檢風(fēng)量罩示值的讀數(shù)采用遠(yuǎn)程攝像頭拍攝，再經(jīng)USB傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，得到被檢風(fēng)量罩的示值。

2 軟件系統(tǒng)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要為視頻模塊、儀器接口管理模塊、檢定模塊、打印模塊、儀器控制模塊、圖像處理模塊以及數(shù)據(jù)庫(kù)模塊等組成。系統(tǒng)軟件功能模塊組成結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖4 系統(tǒng)軟件功能模塊組成結(jié)構(gòu)

2.1 檢定模塊

按照檢定規(guī)程的要求，以一定的順序調(diào)度儀器控制模塊、圖像處理及識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，相互配合共同完成檢定工作。儀器控制模塊包括：（1）對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器和被檢測(cè)的風(fēng)量罩進(jìn)行基本信息設(shè)置；（2）控制高精度的變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，輸出穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)速；（3）設(shè)置被檢測(cè)儀器量程，讀取被檢測(cè)儀器的示值等。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

系統(tǒng)采用Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫(kù)，MS Access以一定格式將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在基于Access Jet的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎里，可以直接導(dǎo)入或者鏈接數(shù)據(jù)(這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在其他應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù))。ACCESS支持Visual Basic宏語(yǔ)言,它是一個(gè)面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言,可以引用各種對(duì)象，包括DAO(數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象),ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象,以及許多其他的ActiveX組件。該軟件應(yīng)用程序是基于VB.NET語(yǔ)言編寫，通過(guò)創(chuàng)建DAO數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)ACCESS的鏈接和訪問(wèn)，在數(shù)據(jù)庫(kù)存放主要信息有：被檢測(cè)單位信息，被檢測(cè)儀器信息，被檢測(cè)儀器的示數(shù)值等。

2.3 視頻模塊

采用FC-ID系列工業(yè)攝像頭，具有百萬(wàn)像數(shù)級(jí)高分辨率，通過(guò)USB接口與PC鏈接。USB線傳輸3m內(nèi)不用增益，如需更長(zhǎng)的傳輸距離，可使用增益延長(zhǎng)線，最長(zhǎng)可延長(zhǎng)至20m。通過(guò)軟件可以完成對(duì)亮度增益、藍(lán)色增益、圖像格式、采集分辨率、曝光時(shí)間、亮度等調(diào)節(jié)。在調(diào)試階段，軟件實(shí)時(shí)顯示視頻圖像及其識(shí)別結(jié)果，圖像和識(shí)別結(jié)果多次吻合，則調(diào)試成功，進(jìn)入檢定項(xiàng)目。在檢定時(shí)，通過(guò)視頻模塊實(shí)時(shí)采集圖像存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，圖像處理及識(shí)別模塊調(diào)用該圖像進(jìn)行識(shí)別，輸出結(jié)果。

2.4 圖像識(shí)別

圖5 識(shí)別系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)圖

2.5 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

界面是軟件與用戶交互的最直接的層，良好的界面設(shè)計(jì)能夠引導(dǎo)用戶自己完成相應(yīng)的操作，起到向?qū)У淖饔?，同時(shí)也能起到吸引用戶的目的。合理的界面設(shè)計(jì)能給用戶帶來(lái)輕松愉悅的感受和成功的感覺，相反由于界面設(shè)計(jì)的失敗，會(huì)讓用戶有挫敗感，再實(shí)用強(qiáng)大的功能都可能在用戶的畏懼與放棄中付諸東流。

軟件主要界面如圖3所示，主要包括：被檢測(cè)儀器基本信息記錄界面、檢定設(shè)置及檢定結(jié)果輸出界面、攝像頭采集界面三個(gè)部分。其中被檢儀器基本信息記錄與標(biāo)準(zhǔn)器信息界面，如圖4，用于用戶輸入儀器信息和檢定的條件和環(huán)境信息，軟件將其保留和輸出。串口參數(shù)設(shè)置，如圖5，用于用戶選擇和設(shè)置串口參數(shù)。攝像頭采集界面可輸入曝光時(shí)間，調(diào)節(jié)圖像亮度。點(diǎn)擊“測(cè)試”按鈕，可查看當(dāng)前圖像的識(shí)別結(jié)果，確定當(dāng)前識(shí)別準(zhǔn)確后，可進(jìn)行攝像頭檢定操作，如圖6。

點(diǎn)擊“開始按鈕”，程序自動(dòng)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定性判斷，等待風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定后顯示標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)風(fēng)量與被檢風(fēng)量罩的實(shí)時(shí)示值，自動(dòng)計(jì)算其平均值，用戶可自由選擇采樣時(shí)間和采樣點(diǎn)數(shù)，將平均值記錄到原始校準(zhǔn)記錄中，并輸出結(jié)果和擬合風(fēng)量曲線。

圖6 軟件主要界面

圖7 參數(shù)設(shè)置

圖8 串口信息設(shè)置界面

圖9 攝像頭顯示設(shè)置

3 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

（1）由于風(fēng)速檢測(cè)儀與計(jì)算機(jī)是通過(guò)串口進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊的，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)速和讀取風(fēng)速值兩個(gè)功能，需要對(duì)風(fēng)速檢測(cè)儀的串口數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)聽，而不能對(duì)原有的控制信號(hào)產(chǎn)生干擾，讀取出其對(duì)應(yīng)的顯示值和風(fēng)洞狀態(tài)(是否達(dá)到穩(wěn)定)，風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)風(fēng)速穩(wěn)定后方可進(jìn)行示值校準(zhǔn)，該項(xiàng)目對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，找出其規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了該功能。

（2）由于風(fēng)場(chǎng)的波動(dòng)性，人工讀數(shù)不可避免的會(huì)存在讀取標(biāo)準(zhǔn)值和被檢器時(shí)間不同步的問(wèn)題，人為誤差較大。采用計(jì)算機(jī)同步讀取風(fēng)量罩的讀數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量值的方式，可最大限度地減小由風(fēng)洞波動(dòng)引入的示值誤差。

（3）為了實(shí)現(xiàn)更廣泛的適用性，在獲取風(fēng)量罩顯示值讀數(shù)中，該項(xiàng)目采用攝像頭拍攝風(fēng)量罩顯示屏，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)獲取數(shù)據(jù)。

（4）該項(xiàng)目編寫了風(fēng)量罩自動(dòng)校準(zhǔn)軟件，減小了人為讀數(shù)誤差，提供自動(dòng)生成校準(zhǔn)記錄功能，也提高了檢測(cè)效率，并擬合風(fēng)量曲線，方便客戶依據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)使用該風(fēng)量罩。

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