(廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院，廣州 510030)

0 引言

露點(diǎn)儀作為濕度標(biāo)準(zhǔn)器，使用越來越廣泛，對(duì)露點(diǎn)儀的計(jì)量檢定越來越高。當(dāng)前對(duì)露點(diǎn)儀的檢定還沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，采取的方法是手動(dòng)調(diào)整露點(diǎn)發(fā)生裝置的露點(diǎn)溫度固定點(diǎn)，進(jìn)行人工讀數(shù)，工作量大，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，檢定效率低。針對(duì)目前這種現(xiàn)狀，有必要開發(fā)出一套新型的露點(diǎn)儀自動(dòng)檢定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)露點(diǎn)發(fā)生裝置，自動(dòng)采集標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀和被檢露點(diǎn)儀的讀數(shù)，經(jīng)過上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以直接出證書，提高露點(diǎn)儀檢定的準(zhǔn)確性和工作效率。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺與模糊PID控制的露點(diǎn)儀自動(dòng)檢定系統(tǒng)由露點(diǎn)發(fā)生器、一級(jí)精密露點(diǎn)儀、露點(diǎn)儀、模糊PID控制器、高清攝像頭，PCI數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)構(gòu)成。其系統(tǒng)方案圖如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)方案圖

露點(diǎn)發(fā)生器采用英國(guó)Michell公司的DG-1以提供一定露點(diǎn)溫度的氣流標(biāo)準(zhǔn)源； 以一級(jí)精密露點(diǎn)儀作為標(biāo)準(zhǔn)器；選用高清攝像頭和高性能數(shù)據(jù)采集卡，針對(duì)數(shù)顯露點(diǎn)儀和指針式露點(diǎn)儀，分別設(shè)計(jì)兩種不同的機(jī)器視覺采集與處理算法，采集實(shí)時(shí)的露點(diǎn)溫度值，再傳給上位 PC 機(jī)終端；設(shè)計(jì)模糊PID調(diào)節(jié)器，自動(dòng)調(diào)節(jié)露點(diǎn)發(fā)生器干濕蝶閥的PID參數(shù)，對(duì)采集的不同系統(tǒng)的露點(diǎn)值進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并對(duì)偏差進(jìn)行處理，發(fā)送指令控制蝶閥的繼電器和報(bào)警器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使露點(diǎn)發(fā)生器保持在檢定露點(diǎn)儀時(shí)規(guī)程所需設(shè)定的露點(diǎn)溫度值；利用C#程序設(shè)計(jì)語言，開發(fā)出自動(dòng)檢定模塊與上位機(jī)軟件系統(tǒng)，將機(jī)器視覺采集與處理模塊所采集到的標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀與被檢露點(diǎn)儀的值按照規(guī)程要求進(jìn)行比對(duì)，得出結(jié)論，打印出檢定證書或者不合格通知書，完成自動(dòng)檢定過程。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器視覺數(shù)據(jù)采集模塊

本模塊由高清攝像頭、數(shù)據(jù)圖像采集卡、圖像處理單元和計(jì)算機(jī)等幾個(gè)部分組成。圖像采集與識(shí)別過程如圖2所示。高清攝像頭采集圖像包括模擬的圖像和數(shù)字的圖像，通過數(shù)據(jù)圖像采集卡把信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)上的圖像識(shí)別和圖像處理軟件處理后直接顯示當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)信息。被檢露點(diǎn)儀有數(shù)字顯示儀表和指針式模擬儀表兩種，圖像采集與識(shí)別過程在圖像處理和圖像特征提取不同。

圖2 圖像采集與識(shí)別過程圖

2.1.1 數(shù)字顯示儀表的數(shù)據(jù)采集處理

設(shè)計(jì)時(shí)候選取的高清攝像頭位置可以相對(duì)固定，以便簡(jiǎn)化圖像定位的過程。數(shù)字顯示儀表型的露點(diǎn)儀屏幕一般為L(zhǎng)ED或者LCD，由于環(huán)境光照度的影響，需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，圖像灰度變換，圖像平滑，傾斜度校準(zhǔn)，圖像二值化等，來克服出現(xiàn)亮度不均勻，邊緣模糊，數(shù)字區(qū)域與背景重疊難以區(qū)分等現(xiàn)象。

圖像灰度變換采用目前常用的標(biāo)準(zhǔn)的平均值法，把攝像頭采集到的彩色的RGB格式變換成需要的灰度圖像；圖像平滑過程采用八領(lǐng)域平均法對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理；傾斜度校正過程采用Hough變換法檢測(cè)出傾斜角后進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖像二值化值域的選擇是二值化的關(guān)鍵，這里采用局部值域法。其是把原始的圖像分成若干小的幾個(gè)子圖像，再對(duì)每個(gè)子圖像分別求出最優(yōu)值域，可克服光照度不均勻引起灰度直方圖雙峰谷底不明顯，單峰值，多峰值等復(fù)雜情況。

圖像字符分割的任務(wù)是把圖像中的多行或者多個(gè)字符從整幅圖像中分割出來，成為單個(gè)的字符體，以便于識(shí)別。這里選取投影直方圖法，通過對(duì)字符區(qū)域進(jìn)行垂直投影來獲取數(shù)字或符號(hào)的前沿和后沿，然后確定相應(yīng)的位置，再把每一組前沿和每一組后沿作為一個(gè)數(shù)字或者符號(hào)來統(tǒng)計(jì)字符的總數(shù)，達(dá)到字符分割的效果。

圖像字符識(shí)別是圖像數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵，是數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口的途徑。目前常用的字符識(shí)別方法比較多，這里選取模板識(shí)別法，預(yù)先建立二值化的數(shù)字模板作為標(biāo)準(zhǔn)模板庫，將分割后得到的圖像區(qū)域進(jìn)行歸一化處理，并且從圖像區(qū)域中提取若干特征量與模板逐個(gè)進(jìn)行相應(yīng)的比較，得出二者之間的匹配度，進(jìn)行歸類，完成識(shí)別的功能。

2.1.2 指針式儀表的數(shù)據(jù)采集處理

指針式儀表的數(shù)據(jù)采集的預(yù)處理與數(shù)字顯示儀表的類似，但其中灰度圖像需做要求更高的細(xì)化處理來提高識(shí)別精度和速度。需要把一個(gè)像素寬度的線條圖像即骨架取代該圖形，但是原圖像中圖形的連通性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不要改變。這里選取基于Hilditch的改進(jìn)細(xì)化算法，達(dá)到優(yōu)質(zhì)的細(xì)化效果。

指針刻度的提取也采用Hough變換法，指針刻度讀數(shù)的識(shí)別是關(guān)鍵。這里采用最小二乘法擬合法，根據(jù)指針與刻度線的距離來識(shí)別儀表的讀數(shù)，以刻度線示值作為基準(zhǔn)，當(dāng)指針與刻度線重合的時(shí)候，用刻度線的示值作為儀表的讀數(shù)值；當(dāng)指針位于兩刻度線之間的時(shí)候，則用刻度線示值和距離法相結(jié)合進(jìn)行讀數(shù)識(shí)別。假設(shè)指針左側(cè)的第一條刻度線示值為A，指針右側(cè)的第一條刻度線示值為B，指針左側(cè)的第一條刻度線到指針的距離取指針左側(cè)的第一條刻度線上的所有點(diǎn)到指針的平均距離為C；同理指針右側(cè)的第一條刻度線到指針的距離取指針右側(cè)的第一條刻度線上的所有點(diǎn)到指針的平均距離為D；則指針表的示值S就為:

S=A+(B-A)C/D

2.2 模糊PID調(diào)節(jié)器模塊

自動(dòng)檢定的時(shí)候需要露點(diǎn)發(fā)生器穩(wěn)定在某一個(gè)固定的露點(diǎn)值。調(diào)節(jié)器模塊主要實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)儀發(fā)生器固定點(diǎn)的調(diào)節(jié)。一般情況下，露點(diǎn)發(fā)生器用的是手動(dòng)調(diào)節(jié)干氣和濕氣的五路針閥，這里設(shè)計(jì)時(shí)需要把針閥用蝶閥來代替，調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)蝶閥的開度大小來實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣的大小從而實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)發(fā)生器固定點(diǎn)的值。

蝶閥的開度大小的控制通過設(shè)計(jì)具有參數(shù)自整定功能的模糊PID算法來實(shí)現(xiàn)。區(qū)別于傳統(tǒng)的PID算法，該調(diào)節(jié)器可以根據(jù)預(yù)定露點(diǎn)值與當(dāng)前露點(diǎn)值之間的偏差絕對(duì)值e和偏差變化率絕對(duì)值ec的改變，在線自動(dòng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，驅(qū)動(dòng)蝶閥在線進(jìn)行其開度大小的調(diào)節(jié)，從而有效的對(duì)固定露點(diǎn)值進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

模糊PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)以預(yù)定露點(diǎn)值與當(dāng)前露點(diǎn)值之間的偏差絕對(duì)值e和預(yù)定露點(diǎn)值與當(dāng)前露點(diǎn)值之間的偏差絕對(duì)值變化ec作為輸入,可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊推理算子實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線修改,構(gòu)成了模糊PID調(diào)節(jié)器，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 模糊PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖

PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個(gè)參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系,在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)e和ec,根據(jù)模糊推理算子對(duì)kp，Ti，Td這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改,以滿足不同e和ec是對(duì)控制參數(shù)的不同要求,獲得穩(wěn)定的固定露點(diǎn)值，本模塊所使用的PID調(diào)節(jié)器的算法為:

對(duì)于連續(xù)情況：

e(t)=Yin(t)-Yout(t)

(1)

其中:Yin(t)為當(dāng)前露點(diǎn)值，Yout(t)預(yù)定露點(diǎn)值:

(2)

其中:kp為比例系數(shù);Ti為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù)。

對(duì)于離散情況：

(3)

Δu(k)=kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-

2e(k-1)+e(k-2))

(4)

其中:ki=kp/Ti，kd=kp/Td，k為采樣序號(hào)，T為采樣周期。

模糊推理算子的設(shè)計(jì)與露點(diǎn)發(fā)生器的氣路閥相關(guān)。露點(diǎn)發(fā)生器氣路系統(tǒng)通常由干氣粗調(diào)閥，干氣細(xì)調(diào)閥，濕氣粗調(diào)閥，濕氣細(xì)調(diào)閥和混合閥組成。對(duì)于露點(diǎn)溫度為(-80～+20)℃的露點(diǎn)發(fā)生裝置，相對(duì)全干狀態(tài)下，干氣粗調(diào)閥，干氣細(xì)調(diào)閥均為全開狀態(tài)，而濕氣粗調(diào)閥，濕氣細(xì)調(diào)閥均為關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)露點(diǎn)值為-80 ℃，如若有偏離，相應(yīng)的調(diào)節(jié)細(xì)調(diào)蝶閥；對(duì)于飽和濕度狀態(tài)，濕氣粗調(diào)閥，濕氣細(xì)調(diào)閥均為全開狀態(tài)，而干氣粗調(diào)閥，干氣細(xì)調(diào)閥則為全關(guān)狀態(tài)；露點(diǎn)值為10 ℃時(shí)，濕氣粗調(diào)閥半開狀態(tài)，濕氣細(xì)調(diào)閥全開，干氣粗調(diào)閥，干氣細(xì)調(diào)閥，均為半開狀態(tài)；露點(diǎn)值為0 ℃時(shí)，濕氣粗調(diào)閥，濕氣細(xì)調(diào)閥，干氣粗調(diào)閥，干氣細(xì)調(diào)閥，均為半開狀態(tài)；露點(diǎn)值為-20 ℃時(shí)，濕氣粗調(diào)閥開度為1/4，濕氣細(xì)調(diào)閥全開，干氣粗調(diào)閥，干氣細(xì)調(diào)閥，均為開狀態(tài)；露點(diǎn)值為-40 ℃時(shí)，濕氣粗調(diào)閥開度為全關(guān)，濕氣細(xì)調(diào)閥1/2，干氣粗調(diào)閥，干氣細(xì)調(diào)閥，均為開狀態(tài)；以上各個(gè)區(qū)間的期望值如若有偏離，根據(jù)kp，Ti，Td這三個(gè)參數(shù)的功能特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)模糊規(guī)則和語言，輸出相應(yīng)的模糊指令，以調(diào)節(jié)相對(duì)應(yīng)的細(xì)調(diào)蝶閥，達(dá)到期望的露點(diǎn)值。

2.3 自動(dòng)檢定模塊與上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在被檢露點(diǎn)儀、標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀、機(jī)器視覺系統(tǒng)安裝連接好，露點(diǎn)發(fā)生器達(dá)到規(guī)程所要求的設(shè)定點(diǎn)之后，送入檢定信息和通過檢查后，開始按照相關(guān)規(guī)程進(jìn)行檢定。自動(dòng)檢定的過程框圖如圖3所示。首先標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀判斷露點(diǎn)值是否穩(wěn)定在所需要的設(shè)定點(diǎn)，是否滿足檢定條件，如果滿足，開始測(cè)量；當(dāng)一個(gè)露點(diǎn)值檢定點(diǎn)結(jié)束后，判斷是否完成，如果完成，保存結(jié)束 ，如果還有下一個(gè)露點(diǎn)值需要檢定，設(shè)定參數(shù)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)器使露點(diǎn)發(fā)生器達(dá)到下一個(gè)露點(diǎn)值，然后開始下一個(gè)露點(diǎn)值的檢定，其中出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集偶爾出錯(cuò)，繼續(xù)進(jìn)行下一輪采集，如果是標(biāo)準(zhǔn)器出錯(cuò)，立即檢定中斷，發(fā)出警報(bào)。

圖4 露點(diǎn)儀自動(dòng)檢定過程圖

檢定過程中要求工作可靠，具備容錯(cuò)能力，以保證在檢定過程中數(shù)據(jù)采集偶爾出錯(cuò)不導(dǎo)致上位機(jī)程序跳出或者死機(jī)。在自動(dòng)檢定過程中由于特殊原因需要停止檢定，可立即中斷和退出，同時(shí)保存中間檢定數(shù)據(jù)。

檢定結(jié)束，可以立即進(jìn)行檢定結(jié)果數(shù)據(jù)處理，原始數(shù)據(jù)和處理結(jié)果打印出來；對(duì)于檢定的原始數(shù)據(jù)保存在上位機(jī)硬盤里，可隨時(shí)進(jìn)行查閱但不允許修改。

上位機(jī)軟件系統(tǒng)包括被檢露點(diǎn)儀管理模塊、標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀管理模塊、露點(diǎn)發(fā)生器固定點(diǎn)設(shè)置模塊、檢定過程控制模塊、證書與原始記錄生成模塊。其中，被檢露點(diǎn)儀管理模塊與標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀管理模塊具備露點(diǎn)儀信息的錄入、查詢與修改功能；露點(diǎn)發(fā)生器固定點(diǎn)設(shè)置模塊通過設(shè)定檢定規(guī)程所要求的檢定點(diǎn)完成露點(diǎn)發(fā)生器固定點(diǎn)的設(shè)定功能；檢定過程控制模塊負(fù)責(zé)向機(jī)器視覺數(shù)據(jù)采集與處理模塊、調(diào)節(jié)器模塊等發(fā)送檢定命令、實(shí)時(shí)顯示圖像信息、回傳檢定結(jié)果命令和顯示檢定結(jié)果等功能；證書與原始記錄生成模塊 對(duì)檢定結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，按照相應(yīng)的檢定規(guī)程的要求動(dòng)態(tài)生成原始記錄和檢定證書。

3 測(cè)試與結(jié)果驗(yàn)證

在檢定過程中，選取北京興泰公司DP99型號(hào)的露點(diǎn)儀作為被檢對(duì)象，以Michell公司型號(hào)為S8000并經(jīng)國(guó)家計(jì)量院檢定合格的一級(jí)精密露點(diǎn)儀為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)露點(diǎn)溫度為-40℃這個(gè)點(diǎn)分別采取手動(dòng)調(diào)節(jié)固定點(diǎn)和新型自動(dòng)檢定系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)固定點(diǎn)進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如圖5～8。

圖5 手動(dòng)調(diào)節(jié)固定點(diǎn)時(shí)10次測(cè)量結(jié)果曲線圖 圖6 自動(dòng)調(diào)節(jié)固定點(diǎn)10次測(cè)量結(jié)果曲線圖

圖7 手動(dòng)調(diào)節(jié)固定點(diǎn)10次測(cè)量誤差曲線圖 圖8 自動(dòng)調(diào)節(jié)固定點(diǎn)10次測(cè)量誤差曲線圖

根據(jù)曲線圖，采用手動(dòng)調(diào)節(jié)固定點(diǎn)被檢露點(diǎn)示值在(-38.8， -41.6)℃，標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)示值在(-39.2，-41.3)℃，誤差在(-0.5，0.4)℃；而采用自動(dòng)調(diào)節(jié)固定點(diǎn)被檢露點(diǎn)示值在(-39.5， -40.6)℃,標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)示值在(-39.6，-40.4)℃，誤差在(-0.3，0.1)℃。表明在無論是被檢標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀還是標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀采用新型自動(dòng)檢定系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)固定點(diǎn)檢定得到的結(jié)果重復(fù)性好過手動(dòng)調(diào)節(jié)固定點(diǎn)得到的結(jié)果，偏移-40℃設(shè)定點(diǎn)的幅度也小，并且誤差也小于采用手動(dòng)調(diào)節(jié)固定點(diǎn)得到的結(jié)果。露點(diǎn)儀檢定實(shí)驗(yàn)過程中，在被檢露點(diǎn)儀和標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀都固定的情況下，露點(diǎn)測(cè)量誤差的大小不同，主要由于采用露點(diǎn)發(fā)生器手動(dòng)調(diào)節(jié)固定點(diǎn)和自動(dòng)調(diào)節(jié)固定點(diǎn)兩種檢定方法的不同引起,從而驗(yàn)證開發(fā)的新型露點(diǎn)儀自動(dòng)檢定系統(tǒng)的可靠性和科學(xué)性。

4 總結(jié)

基于機(jī)器視覺原理和參數(shù)自整定的模糊PID控制理論，開發(fā)與設(shè)計(jì)了一種新型的自動(dòng)調(diào)節(jié)露點(diǎn)溫度固定點(diǎn)的露點(diǎn)儀自動(dòng)檢定系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了露點(diǎn)儀檢定的自動(dòng)化。通過與手動(dòng)調(diào)節(jié)固定點(diǎn)法對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，減少了人為因素引起的誤差，降低了計(jì)量成本，提高了檢定效率，以滿足日益發(fā)展的露點(diǎn)儀的自動(dòng)化計(jì)量，為類似計(jì)量器具的自動(dòng)化量提供有效的參考。

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