（测试计量技术及仪器专业论文）全自动便携式压力校验仪的研究.pdf

硕上论文 全自动便携式上力校验仪的研究 摘要 压力测量仪表是工业生产过程中不可缺少的测量设备，大量应用于各种生产中。为 了保证压力测量仪表的准确、可靠，必须对压力测量仪表进行定期检定。压力仪表的检 定分送检和现场校验两种，其中现场检验的需求非常大。传统的现场检定方法检定效率 低、劳动强度大、且其检定精度易受人为因素影响。本文针对油田压力仪表现场校验的 特殊需要，根据开发一种一体化、全自动压力校验仪的构想，对该压力校验仪需要解决 的几个主要技术关键问题进行了研究：( 1 ) 针对目前指针式和带电输出的压力仪表都有 大量应用的现状，研究了压力仪表示值的自动判读系统，采用图象处理的方法实现了对 指针式压力仪表示值的自动判读。( 2 ) 对标准压力的产生及控制方法进行了研究，提出 了定步长式压力控制方法，实现了标准压力的精确、快速、稳定无超调地产生及控制。 ( 3 ) 对标准压力传感器性能补偿进行了深入研究，采用分段线性补偿方法对标准传感器 进行了温度及非线性补偿，从而提高标准压力传感器的指示精度。 关键字：压力检定，压力控制，图像处理，温度补偿。 丝! 塑壁 一j 銎塑迭 a b s t r a c t t h ep r e s s u r ev e r i f i c a t i o nm e t e ri st h ee s s e n t i a lm e a s u r e m e n te q u i p m e n ti nt h ei n d u s t r i a l p r o d u c t i o np r o c e s sa n da p p l i e sm a s s i v e l yi ne a c hk i n do fp r o d u c t i o n i no r d e r t og u a r a n t e e t h a tt h ep r e s s u r em e a s u r i n ga p p l i a n c ei sa c c u r a t e ，r e l i a b l e ，w em u s tc a r r yo nt h er e g u l a r e x 锄i n a t i o nt ot h ep r e s s u r em e a s u r i n ga p p l i a n c e t h ee x a m i n a t i o ne f f i c i e n c yo f t r a d i t i o n a l m a n u a le x a m i n a t i o nm e t h o di sv e r yl o w , n e e do fm u c hl a b o ri n t e n s i t y , a n di t se x a m i n a t i o n p r e c i s i o nc a l lb ee a s i l yi n f l u e n c e db yh u m a nf a c t o r t h i sp a p e r h a ss y s t e m a t i c a l l y s u m m a r i z e dt h eh i s t o r i c a ld e v e l o p m e n ta n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fp r e s s u r ev e r i f i c a t i o n m e t e rb o t h d o m e s t i ca n df o r e i g n i nv i e wo ft h es p e c i a ln e e do fp r e s s u r em e a s u r i n g a p p l i a n c e ss c e n ev e r i f i c a t i o ni n o i lf i e l d ，t h i sp a p e rp r o p o s e dt h ec o n c e p t i o no fd e v e l o p s i n o n ek i n dt ob ea b l et oc o m p l e t et h ev e r i f i c a t i o np r o c e s sa u t o m a t i c a l l yw h i c hc a l l e d t h e i n c o r p o r a t ep r e s s u r ev e r i f i c a t i o nm e t e r s e v e r a lm a j o rt e c h n i q u ek e yq u e s t i o n sw h i c h n e e dt o b es o l v e dt ot h i sp r e s s u r ev e r i f i c a t i o nm e t e rh a v eb e e nr e s e a r c h e d ，t h ep r i m et a s ka n dt h e a c h j e v e m e n tm a n i f e s ti nt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ：1 ) i nv i e wo ft h em a s s i v ea p p l i c a t i o n o f p r e s s u r ev e r i f i c a t i o nm e t e ro f b o t hi n d i c a t o rt y p ea n dt h et r a n s m i t t i n gi n s t r u m e n tt y p e ，t h i s p a p e rh a sr e s e a r c h e da u t o m a t i ci n t e r p r e ts y s t e m o ft h ei n d i c a t o r sv a l u eo ft h ep r e s s u r e m e a s u r i n ga p p l i a n c e 2 ) t h i sp a p e rh a sp r o p o s e dc o n t r o lm e t h o do f c e r t a i ns t e p so nb a s eo f h a v i n gd o n et h er e s e a r c ho fi n s t a l l m e n to fm a k i n gs t a n d a r dp r e s s u r ea u t o m a t i c a l l ya sw e l la s i t ，sc o n t r o lm e t h o d 3 ) t h i sp a p e rh a sc o n d u c t e dt h ed e e pr e s e a r c ht ot h en o r m a lp r e s s u r e s e n s o rp e r f o r m a n c ec o m p e n s a t i o n ， c a r r i e do ng o o dc o m p e n s a t i o nt ot e m p e r a t u r ea n dt h e m i s a l i g n m e n tc h a r a c t e r i s t i c o fp r e s s u r es e n s o rw i t ht h em e t h o do fp i e c e w i s el i n e a r i t y c o m p e n s a t i n gs ot h a ti n c r e a s e d i t si n s t r u c t i o np r e c i s i o nt ot h ep r e s s u r ev e r i f i c a t i o nm e t e r k e y w o r d ：p r e s s u r ec a l i b r a t i o n ，p r e s s u r ec o n t r o l ，i m a g ep r o c e s s i n g ， t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 夕p 牌7 月肜日 硕十论文全自动便携式压力校验仪的研究 1 引言 1 1 课题研究的意义 压力测量仪表是工业生产过程中不可缺少的测量设备，大量应用于各种生产工艺 中。为了保证压力测量仪表的准确、可靠，必须对压力测量仪表进行定期校验。校验周 期根据使用条件确定，每年至少经有资格的计量单位校验一次。校验分送检( 即送计量 部门校验) 和现场校验两种方式，而现场校验的需求正日益增大。 目前我国油田生产中，使用的压力仪表数量庞大、使用环境恶劣、校验周期短，因 而送检工作量相当大；另一方面，由于其作业区域广阔、压力仪表安装分散，送检十分 困难，有时在生产上也不允许，因而往往难以按要求对使用的压力仪表进行定期校验。 如不按期进行校验将会产生安全隐患；如按照规定周期进行送检则可能会影响油田的正 常运作，给企业带来很大的经济损失。因此，迫切需要解决压力测量仪表现场校验问题。 适于现场校验的便携式压力校验仪主要有两种形式：一种是由压力校验表与外接压 力源或手动压力泵组成，人工造压；另一种是一体化全自动便携式压力校验仪，可按检 定规程要求自动造压和完成校验过程，一般可以同时校验多台压力表，效率高。但技术 复杂，要求高。 目前国内用于现场校验的压力校验仪技术还比较落后，主要是采用校验仪和手持式 压力泵组合方式的设备，其操作要求高、使用不便、检定效率低、标准压力难以满足检 定规程的要求；自动化程度高的便携式现场压力校验仪产品，国内目前还没有，国外产 品价格昂贵，价格在数万美元，国内用户难以接受。 因此迫切需要研究丌发一种能够自动产生符合检定规程的标准压力、自动化、进行 现场校验、使用方便、高效率、价格便宜的便携式自动压力校验仪。本课题来源于江苏 省科技攻关项目，目的在于实现压力表的智能化全自动检定，以提高检定精度及检定效 率，改善工作条件。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 长期以来，活塞式压力计作为压力校验的标准装置得到普遍应用，其测量准确度在 不断提高，测量范围也在不断扩大。但活塞式压力计操作复杂、劳动强度大、检定效率 低。自七十年代末八十年初，世界各国的计量检定工作者纷纷开始压力检定自动化的研 究。 压力表的自动检定方法分为两大类：基于活塞式压力计的自动检定法以及利用压力 传感器的自动检定法。 ( 1 ) 基于活塞式压力计的自动检定法 i 引言硕士论文 这种自动造压方法以活塞式压力计为基础，具有造压准确度高、范围大等优点，其 自动化通常体现在活塞旋转自动化、自动检测活塞位置以及自动加装砝码。 1 9 8 4 年，t h e t ap n e u m a t i c s 公司生产的d & h 5 0 0 0 系列标准压力源，实现了标准压 力产生的全自动化。它采用线性差动变压器确定活塞的位移量，利用机械手臂装卸大砝 码，小砝码的加载由一系列电磁阀控制汽缸的动作来完成。造压范围可达5 0 0 m p a 【l 】。 英国剑桥大学的r s s h o r r o c k 与f j a t h e r t o n 于19 8 7 年提出了在活塞式压力计的基 础上，用电机带动螺旋压力机的自动加压方式，并利用位移传感器进行闭环控制以提高 系统的控制精度。系统中压力的大小仍由砝码质量及活塞的有效面积确定【2 j 。 ( 2 ) 利用压力传感器的自动检定法 这是以各种压力传感器为测压元件的自动检定方法，利用压力传感器直接输出电信 号的特点，组成便携式的自动检定系统。 英国牛津压力系统公司于1 9 8 9 年推出了c p c i i 型智能压力校验装置，内含多块精 密压力变送器，用以监控定点压力和测量系统内的压力。压力的控制由两个测量电磁阀 完成，电磁阀的动作受计算机控制，定点造压误差o 1 。标准压力产生范围为o 1 0 m p a 3 1 。 英国d r u c k 公司于1 9 9 0 年研制出d p i l 5 1 0 型压力校验仪。这种检定仪可产生误 差为0 0 2 5 ，范围在0 1 - 2 1m p a 的标准压力，压力达到设定值的时间既快又无超调现 象。采用高准确度的压力敏感元件监测内部产生的压力，压力敏感元件产生的反馈信号 输入到微处理器中，由微处理器采用脉宽调制方式控制压力【4 】。 1 9 9 4 年，美国t r a n s m a t i o n 公司研制成功适于现场校验的1 2 9 2 型便携式自动 压力校验仪【5 ，6 】。这是第一台可全自动控制压力的产生，并可对检定结果进行数据记录的 便携式压力校验仪。压力的产生由一台大功率、小型、嵌入式压缩机完成，上限压力可 达7 0 0k p a ，造压误差为0 0 5 。这种压力校验仪实现了利用便携式校验仪完成从标准 压力的自动产生到校验结果自动记录的全自动校验，特别适合对工业生产中使用的压力 仪表进行现场快速校验。 2 0 0 4 年，德国s i a k 公司的研制出p m 2 5 系列便携式压力校验仪。p m 2 5 系列便携 式压力校验仪外形美观、质量好、精度高，配有较好的数据处理软件，其缺点是外接压 力源，不适宜现场校验。 国内的压力表检定状况还比较落后，基本上仍处在手动操作的阶段。虽然目前已有 一些单位进行了压力表检定自动化的研究工作，但关键技术仍需引进。1 9 8 8 年，大庆 采油工艺研究所从美国地球物理公司( g r c ) 引进了全自动压力标定装置【7 1 。标准压力由 活塞式压力计产生，砝码质量在l g - - v 6 5 5 3 6 9 范围以二进制递增，在l g - - 1 2 8 9 范围内砝 码质量误差为0 0 0 3 9 ，1 2 8 9 - - 6 5 5 3 6 9 误差为公称值的o 0 0 1 。由一台a t 兼容机控制 微型马达带动活塞匀速转动，代替了手动转盘的劳动。但这种装置的最大缺点是砝码的 2 硕士论文全自动便携式压力校验仪的研究 数量过多，结构复杂，造价高。 1 9 9 0 年，中国计量科学研究院引进英国r u s k a 公司的6 0 0 0 压力i 9 1 1 量控制仪以及 d r u c k 公司的1 0 7 1 型数字多用表，实现了0 - - 1 6 k p a 范围内的压力传感器标定的部分 自动化【8 1 。系统利用计算机传送造压控制命令，由压力测量控制仪产生指定检定点的标 准压力，利用转换开关依次采集各传感器的输出值，最后由计算机进行数据处理并打印。 但这套系统仍需人工为压力测量控制仪提供合适的工作压力，并且还需利用两台真空泵 抽空以提供真空零点。 1 9 9 4 年，航空工业总公司6 1l 所为飞机研制过程中使用的压力传感器进行自动检 定，引进英国d p l 5 1 0 压力控制仪组建了压力传感器静态自动标定系统。增压系统采用 单活塞往复式、空气驱动、无油润滑气体增压器。利用计算机输出造压命令，并对标定 结果进行分析、处理。标定结果按以下方法进行分析：精确度、最佳直线、重复性及模拟 标准刻度，实现了压力表检定的部分自动化。这套检定系统可用表格和图形表示出来， 或用打印机打印【9 j 。 青岛大学于1 9 9 4 年成功研制智能压力计，并组成压力检定系统，如图1 2 1 所示【l o j ， 实现了部分自动化。造压装置采用校验泵，将其产生的标准压力同时提供给被检表及压 力传感器。由压力传感器测量系统内的压力，并转换为电信号输入给智能压力计( 图中 虚框内) 。 被检表 图1 2 1 自动检定系统框图 2 0 0 4 年，北京航威硕杰电子有限责任公司研制出h b l 2 1 h 型压力校验仪。该压力 校验仪内嵌压力源、体积小、结构简单，适宜现场校验，其不足之处是：增压方式是手 动的，这就要求操作人有较高的操作技能，否则难以安检定规程对压力表进行校验。 近年来，国内也有许多企业生产便携式压力校验仪，也都采用外接压力源或手动压 力泵，但所配的手动压力泵多数是引进的，自我研究开发的产品和技术都较少。 从国内外的研究现状可以看出，压力仪表校验仪的研究主要有两个趋势：一是研究 发展适于现场校验的便携式压力校验仪，其要求是体积小、重量轻、操作简单、校验速 度快，以适应在工业现场校验压力表的需要；二是对于在计量检定室内使用的压力校验 3 i 引言 硕1 ：论文 系统，主要研究方向是提高检定准确度及检定效率，并采用计算机辅助，对检定结果进 行自动记录、数据处理、给出标准的检定报告，并可对同一压力仪表的检定历史数据进 行保存及分析。 就适于现场校验的便携式压力校验仪的发展而言，主要有两种形式：一是由压力测 量仪表与外接压力源或手动压力泵组成，人工造压。这种组合式的压力校验仪虽然携带 方便、经济、但使用不便、检定效率较低，一般用于定点压力校准，不能按检定规程要 求对整个量程进行校准；另一种是一体化的全自动便携式压力校验仪。 1 3 本论文的主要工作 本文针对油阳压力仪表现场校验的特殊需要研究一种自动化的、便携式的压力校验 仪，它来源于省级攻关项目。本压力校验仪的研制目标是便携、操作过程自动化以及具 有强大的数据处理和管理功能，其总体设计方案如图1 3 1 所示。 图1 3 1压力校验系统框图 与实验室的自动化压力仪表校验设备不同，本压力校验仪主要是用来现场校验的， 因此它必须具有质量轻的特点。这就要求采用标准表法对压力仪表进行校验，为此本压 力校验仪配备有标准压力传感器用来指示压力。为了提高压力校验仪的检验效率，最终 实现压力仪表校验的自动化，主要功能有：( 1 ) 压力仪表示值的自动判取。压力仪表主 要分为带电信号输出的和指针式的，对于带电信号输出的压力仪表采用数采的方法以获 取其示值，而指针式的压力仪表则采用图像处理的方法以获取其示值。为了获取指针式 压力表盘的图像，本压力校验仪配备有摄像头。( 2 ) 标准压力的自动产生及控制的自动 化。由自动造压系统自动产生及控制标准压力，快速、精确地为压力仪表的校验提供压 力源。为了方便携带，整个自动造压系统是做成一体化的。( 3 ) 操作的自动化。压力校 4 硕士论文全自动便携式压力校验仪的研究 验仪的整个校验过程是全自动化的，即从主机开始发出校验命令后到压力仪表校验的完 成是由压力校验仪自行完成的。另外，本压力校验仪还具有强大的数据处理及管理功能。 为此，它配备有手提式电脑，以满足对数据适时分析处理以及存储的要求。 本压力校验仪校验过程是这样的：首先主机发送信号给自动造压系统，控制自动造 压系统产生标准压力，压力表显示压力示值；其次主机发送命令给自动判读系统，通知 自通判读系统开始判读压力表示值，自动判读系统判读完成判读后将压力表示值传回主 机；再次主机开始读取由压力标准传感器反馈回来的电压信号，并将其转化为压力信号； 最后主机对获取的压力表示值和标准传感器指示的压力进行分析处理，完成压力表的检 验，并将最终的结果保存以方便以后查阅。 本压力校验仪的主要研制工作由合作单位完成，作为合作单位的技术支持，本文主 要研究以下关键技术。 1 1 压力表的自动判读系统的研究 对于带电信号的压力表，其压力示值自动读取容易实现；对于指针式压力表，其示 值的自动判读则十分困难，需要研究能快速、准确自动读取其指针示值的方法。 2 ) 标准压力的自动产生及控制方法的研究 如何使标准压力既自动化又符合检定规程的产生是一个技术关键，难点在于快速、 高精度、单方向地达到标准压力点。 3 ) 标准压力传感器的补偿的研究 本课题用到的标准压力传感器是用来指示压力的，其精度对整个校验系统的精度有 非常大的影响，因此对标准传感器性能有很高的要求。为此，需要解决标准压力传感器 的补偿问题，也是一个技术难点。 5 2 压力表白动判读系统研究硕十论文 2 压力表自动判读系统研究 目前各个油田企业所使用的压力表主要包括带电信号输出和指针式两种。带电信号 输出的压力表由于其自身输出电信号，比较容易实现自动化；指针式压力表主要靠人工 判读，由于人工判读容易出现误差，且判读人员需要有一定的判读技能，这些因素都阻 碍了压力校验的自动化。本文主要针对指针式压力仪表的自动判读系统进行研究。 2 1 压力表自动判读系统的总体设计 本检验系统能同时检验多个压力表，因此自动判读系统具有同时判读多个压力表数 值的功能。 2 1 1 带电信号输出压力表的自动判读过程 带电信号输出的压力表的自动判读由于其自身输出电信号，因此容易实现自动判 读。图2 1 1 1 为检定系统同时检定多个带电信号输出的压力表的示意图，其自动判读的 过程是这样的：主机监测到由标准传感器传回的电压达到设定值后分时选通多路模拟开 关，通过采集系统获取带电信号输出的电压表输出的电信号并进行相应的处理。 _ - 一 q o - 图2 1 1 1具有电信号输出的判读系统示意图 2 1 2 指针式压力表白动判读过程 图2 1 2 1 为校验系统同时检定多个指针式压力表的示意图。由图2 1 2 1 可以看出： 定点压力由标准压力控制器产生，指针式压力表沿刻度盘旋转指示给定的压力。其自动 判读的过程是这样的：( 1 ) 主机监测到由标准传感器传回的电压达到设定值后发出命令 给自动扫描控制装置以启动控制装置。( 2 ) 控制装置带动导轨上的摄像头到达指定位置 后进行表盘图像摄取，并将被检表的图像数据传回给主机。( 3 ) 主机对摄取过来表盘图 像数据进行处理，给出指针示值。压力表示值被识别之后，再由主机给扫描控制装置发 出命令，控制摄像头沿导轨滑动到第二个被检表。在该校验系统中，被检表分布在检验 6 硕士论文 全自动便携式压力校验仪的研究 台上，导轨及摄像头位于表盘的前方。在进行多块压力表同时检定时， 图2 1 2 1 指针式压力仪表白动判读系统结构简图 利用自动扫描装置( 步进电机及扫描控制仪) 驱动摄像头在导轨上滑动，按步骤地对各 个待检表依次检验。其控制流程图如图2 1 2 2 所示。 图2 1 2 2 单片机扫描控制仪流程图 2 2 指针式压力表示值判读的总思想 判读指针式压力表示值的总体思路是这样的：通过图像处理技术分别识别出指针式 压力表盘的指针位置、初始刻度线位置、终止刻度线位置( 如图2 2 1 所示) ，进而计 算出指针刻度线与初始刻度线的夹角( 0 。) 以及初始刻度线与终止刻度线的夹角 ( 3 6 0 0 ：) 。由于压力表盘的刻度是均匀分布的，当压力表的量程给定时，便可以通过 7 2 压力表白动判读系统研究硕士论文 0 。与( 3 6 0 - 0 2 ) 的关系计算出压力表指针示值。 初始刻度线 图2 2 1 压力表盘的简单示意图 2 3 指针式压力表盘的预处理 刻度线 2 3 1 数字图像处理的基本概念 所谓数字图像处理是一门关于如何使用计算机对图像进行处理的学科，而数字图像 是由被称作像素的小块区域组成的二维矩阵。对于单色即灰度图象而言，每个像素的亮 度用一个像素来表示，通常数值范围在0 - - 2 5 5 之间，即可用一个字节来表示，0 表示黑、 2 5 5 表示白，而其他表示灰度。彩色图像可以用红、绿、蓝三元组组成的二维矩阵来表 示。通常，三元组的每个数值也是在0 2 5 5 之间，0 表示相应的基色在该像素中没有， 而2 5 5 则代表相应的基色在该像素中取得最大值，这种情况下每个像素可用三个字节来 表示。正是由于这些看似枯燥的数字表示形式，以及计算机在工程和科研领域的普及， 才带动了数字图像处理的飞速发展【l 4 1 。 2 3 2 数字图像处理的应用开发系统的选择 m a t l a b 是一种应用广泛的编程工具：语法简单，函数丰富，其在图像处理方面也有 着明显的优势：( 1 ) 它具有强大的矩阵运算功能，在进行一些简单的图像变换时可以避免 很多繁琐的计算；( 2 ) 图形显示方便，有专门的狄度及彩色图像显示函数，甚至在调试的 过程中也能随时观察图形的变化。但是在用m a t l a b 处理实际图像的过程中，不可避免 地会遇到其自带的函数无法处理的问题，只能自己编程解决，这时便会遇到运算速度慢 的问题。这是因为m a t l a b 是一种解释性的变成语言，对程序读一句执行一句，这一问题 在程序作循环运算时显得尤为严重【l 5 1 。 v i s u a lc + + 是w i n d o w s 环境下的最重要的开发系统，它能方便的形成应用软件中所 需要的各种用户界面和工具，并直接与系统及底层硬件交换数据。用v i s u a lc + + 开发的 系统具有容易维护升级、界面友好、代码效率高、执行速度快等一系列优点。w i n d o w s 中最基本、最常见的编程模式是图像设备接口( g d i ) ，任何时候当程序需要在屏幕上显 示，或在打印机上绘图时，都需要调用g d i 函数。在v i s u a lc + + 下能很好的使用g d i ， 8 女 自动便携式压力枝# 杖的 f 究 实现对图形图像的操作。另外，v i s u a lc h 提供了非常方便的动态链接库编程向导，支 持正规d l l 的编写从而提高了编程的灵活性”。 本课题主要是针对油田、化工等企业压力仪表的现场控验，对图像处理的速度有较 高的要求，即要求快速地处理压力表盘图像并计算出压力表盘指针示值。运用m a t l a b 对 压力表盘图像进行处理需要通过编程才能智能地识别出压力表盘指引示值，这样速度会 非常慢，因此这里选择v i s u a lc + + 作为应用开发系统。 2 3 3 指针式压力表盘的二值化处理 图像的二值化处理就足将图像上的点的狄度置变为0 或2 5 5 ，也就是将整个图像呈 现出明显的黑白效果即将2 5 6 个亮度等级的灰度图像通过适当的闽值选取而获得仍然 可以反映图像整体和局部特征的二值化图像。在数字图像处理中，二值图像占有非常重 要的地位，在实用的图像处理中以二值图像处理实现而构成的系统是很多的。对图像进 行二值化后，图像的集台性质只与像素值为0 或2 5 5 的点的位置有关，不再涉及像素的 多级值，使处理变得简单，而且数据的处理和压缩量小。为了得到理想的二值图像，一 般采用封闭、连通的边界定义不交叠的区域。所有扳度大于或等于闽值的像素被判定为 属于特定物体，其灰度值为2 5 5 ；否则这些像素点被排除在物体区域以外，表示背景或 者n # i - 的物体区域，其挑度值为0 m j 。 由于图像处理要有实时性的要求，这就要求图像处理必须快速。由摄像头摄取柬 的图像是1 0 2 4x 1 0 2 4 大小的3 2 位彩色图像，其数据量很大，在进行图像的处理的时 候会严重的影响处理的速度。因此，必须对其进行类型转换。灰度图像是包古灰度级 幽2 33 13 2 位真彩幽幽2 332 二值化凹像 ( 亮度) 的图像，它是不含色彩信息的图像，就像我们平时看到亮度由暗到明的黑白照片。 雎力表的表面就是由白色的表盘和黑色的指针刻度线组成的，斛此将图像转化为灰度图 像对指针的识别将不会产生影响。将3 2 位的彩色图像转化为二值化图像，大大的减小 图像的数据量、提高了图像处理的速度。图2 331 和2 332 分别是3 2 位真彩图和二值 化后的图像。 2 压力表白动判读系统研究硕士论文 州 ，糕 ，去 像素h ( x ，y ) 的像素灰度。根据需要也可以选用5 x 5 ，7 x 7 等不同作用域的h ( x ，y ) 。h ( x ，y ) 假设待处理图像为f ( x ，y ) ，处理后图像为g ( x ，y ) ，领域平均法图像平滑处理的数学表 g ( x ，y ) = 吉f ( x - - m ，y - n ) l o 顺论文 幸自动便拂式力桂验仪的研究 m 为邻域内所包含的像素总数，s 为事先确定邻域，该邻域不包括( x ，”点。取闽值的邻 域平均法的基本原理：一个窗口拙：3 3 窗口沿图象移动( 逐行遥列) ，先求出商口中 除了待处理像元之外的全部像元荻度值的平均值。如果待处理像元扶度值与这个平均值 之差的绝对值超过了某一个预先确定的闽值，则该像元的灰度值使用平均值代替；否则， 保持该像元的扶度不变。 3 多图象平均法：通过提高图像的信噪比，实现图像的增强 多图象平均法是以噪声干扰的统计学特征为基础，如果一幅罔像包含有噪声，可以 假定这些噪声相对丁每个坐标点( x ，y ) 是相关的，且其数学期望值为零。 综上所述，可知：无论是采用消噪声掩模法还是领域平均法，其算法核心都可归纳 到模板矩阵h ( x ，删均生成，它们之间的差别也就在h ( x ，y ) 形式的差别。只要模板矩阵h ( x ，y ) 确定了。这里采用了消噪声掩模法实现图像的平滑，采用的平滑模板算子为： r 1 2i 二i2 42 l 。 1 6 1 1 1 图2 , 341 为指针式压力表盘经图像平滑处理后的图像。很明显，图像的噪声信息得 到了很好的处理。 幽23 4 1 平滑处理肝的蚓像 2 3 s 指针式压力表盘大刻度的提般 在摄取图像时由于分辨率或光线等原凶，定位出压力表盘的每一个具体的最小刻度 值具有一定的难度，而且细小刻度也不一定是均匀的，所以需要定位出刻度比较明显的 几个大刻度。这就需要滤除细小的刻度。本文采用中值滤波技术滤除细小刻度。 中值滤波是一种非线性信号处理方法与其对应的中值滤波器当然也就是非线性滤 波器。中值滤波器是在1 9 7 1 年出j w j u k e y 首先提出并应用在一维信号处理技术中( 时 间序列分析) ，后来被二维信号处理技术所引用。它在一定的条件下，可咀克服线形滤 波器如最小均方滤波、平均值滤波( 平滑滤波) 等所带来的图像细节模糊，而且对滤除 2 压力表白动判读系统研究硕士论文 脉冲干扰及图像扫描噪声最为有效。在实际运算过程中并不需要图像的统计特性，这也 带来了不少方便【1 9 】。 中值滤波是一种非线性运算，对随机输入信号的严格数学分析比较复杂。下面采用 直观的方法介绍本文针对压力表盘的中值滤波核心程序的编程思想。 在图像画面中开一个一维的小窗口，它包含奇数个像素，按像素的灰度值从小到大 排列起来，然后用中间灰度值来代替原排列的中间位置像素的灰度值。窗口然后从左到 右移动，直到边界。窗口下移一行，再从左到右依次进行。如图2 3 5 1 所示。 区互五盈s 虮 上叶顺序排列像素灰度值l5 0 ，6 0 ，1 0 0 ，1 2 0 ，3 0 0 ，l 0用中间灰度值i0 0 代替原中间点灰度值3 0 0 医互正习s 虮 1 一一顺序排列像素灰度值医j j 五五二三习 中间点灰度值1 0 0 相同不用换 1 9 0 。 1 l 右移窗口得 。000 0000 。0。0000 0000000000 000 000000000 。莹垂量。 一 ：二二 一 一 二二二 一 一 二 一 5 5 方形5 5 十字形3 3 方形5 5 菱形 图2 3 5 2 窗口形状图 窗口形状和尺寸对滤波效果影响较大( 可以通过下面的实例看出) ，窗口尺寸一般 先用3 再取5 ，逐点增大，直到滤波效果满意为止。 综上所述，中值滤波算法可以表示为： 2 掣坼) ( 2 1 ) 其中，a 为窗口 毛) 为图像像素灰度值序列。只要确定了窗口函数a ，图像中的任 1 2 * 女自自式力枝验位的日 究 意一像素的扶度便可由式( 21 ) 求出。 图2 352 、2 353 、2354 分别是逐次用3 x 3 窗口、5 x5 窗口、7 7 窗口中值滤 波后的图像。由图可见经过三次中值滤波后指针式压力表盘的细小刻度线已经被滤除， 这样图像的信息量进一步减少，提高了接下来的图像处理的速度，同叫也降低了接下来 的图像处理的难度。然而，在滤除细小刻度线的同时也不可避免的影响了大刻度线的部 分图像信息，为了提高图像处理的精确度，必须对图像进行膨胀处理。 幽2 3523 3 窗口中值滤波幽像圈2 3535 5 窗口中值滤波图像 图2 3547 7 窗口中值滤波图像 2 3 6 指针式压力表盘的膨胀处理 图像膨胀是数字形态学( m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g _ v ) 目 j 基本运算的种。数字形态学 是一r j 新兴的学科，它足法国和德因的科学家在研究岩石结构时建立起来的一门学科。 形态学的用途主要是扶取物体拓扑和结构信息，通过物体和结构元素相互作用的某些运 算，得到物体更本质的形态。数字形态学的基本运算有4 个：膨胀、腐蚀、开启关闭。 下面就本论文用到的膨胀算法做一下简单介绍。 图像膨胀处理过程是这样的：扩展正的峰值收缩负的峰值，剔除低于结构元素的负 峰值。膨胀后的图像变亮，被暗区域包围的亮区域增大，被亮区域包围的暗区域收缩。 小的暗斑点被包围它们的强度值填充，小的亮斑点变得更人。膨胀操作使得图像中强度 突然发生变化的区域改变的最显著，而强度非常均匀的区域几乎不发生变化。仅边缘或 2 压力表白动判读系统研究 硕士论文 多或少有所改变【2 0 1 。 膨胀的运算符为o ，a 用b 来膨胀写作aob ，其定义为： 么。曰= 口i 吃个4 ) 上式表示把结构元素b 平移a 后得到b 。，若b 。击中a ，记下这个a 点。所有满足 上述条件的a 点组成的集合被称作a 被b 膨胀的结果。 图2 3 6 1 中a 表示的大长方形是被处理的对象，b 所示的小正方形是结构元素，原 点指定为b 的中心。不难知道，对于任意一个在阴影部分的a ，b 。击中a ，所以a 被b 膨 胀的结果就是那个阴影部分。阴影部分包括a 的所有范围，就像a 膨胀了一圈似的， 这就是将这种算法称之为膨胀的原因。 ， 锄 。 岱 图2 3 6 1 膨胀运算示意图 以上所述的膨胀处理是针对所有图像的笼统的概念，下面用直观的方法介绍本文针 对已经二值化过的压力表盘图像进行膨胀处理的核心编程思想。 压力表盘二值图像的膨胀过程如图2 3 6 2 所示：左边是被处理的图像a ( 黑点表示 黑色，白点表示白色，其要处理的黑色图像即黑点) ，中间是结构元素b ，其原点已经 标出。膨胀的方法是：拿b 的原点和a 的点一个一个地对，如果b 上有一个点落在a 的范围内，则该点就是黑。右边是膨胀的结果，可以看出，它包括a 的所有范围，且比 a 包含的点要多，就像a 膨胀了一圈似的。 oooooooooo oooooo oooo ooooo o ooooo ooooo o ooooo ooooo o ooooo ooo ooo ooo o ooo oooooo oo o ooo oooo o oo o oooooo ooo o ooo o oooooo o o o oooo oo oooooooooo oooo o oooooo aba ob 图2 3 6 2 二值图像膨胀的过程 1 4 硕+ 论文全自动便携式压力校验仪的研究 2 3 6 3 为指针式压力表盘经过膨胀处理后的图像，膨胀处理后大刻度线丢失的信息 得到了很好的补偿。 图2 3 6 3 经过膨胀处理后的图像 2 4 指针式压力表盘的圆心定位 由指针式压力表盘示值判读的总思想可知：要判读指针式压力表的示值必须识别出 压力表盘的初始、终止刻度线，而压力表盘的初始、终止刻度线的识别与压力表盘的圆 心有关( 后面会详述) 。因此，首先要定位出压力表盘的圆心。本文定位压力表盘圆心 的思路是这样的：首先通过图像分割技术除去压力表盘指针刻度线和大刻度线；其次通 过边缘检测技术提取出压力表盘的轮廓；最后采用一种算法求出压力表盘的圆心。 2 4 1 指针式压力表盘的图像分割 图像分割是把图像分解成若干个有意义的子区域。这种分解是基于物体有平滑均匀 的表面，与图像中强度恒定或缓慢变化的区域相对应，即每个区域都具有一定的均匀性 质。这罩所讨论的图像分割是直接根据事先确定的相似性原则，直接取出若干特征相近 或相同像素组成区域。常用的区域方法有区域生长法、分裂一合并区域法等 2 1 】【2 2 1 。本文 采用区域生长法对压力表盘进行分割。下面采用直观的方法介绍本文针对压力表盘的区 域生长技术的核心编程思想。 首先对需要分割的区域找一个种子像素作为生长的起点；然后将种子像素周围邻域 中与种子像素有相同或相似的像素合并到种子像素所在的区域。当新的点被合并后再用 新的区域重复这一过程，直到没有可接受的邻近点时生成过程中止。图2 4 1 1 为区域生 长示例图，图中被接受的点和起始点均显示为黑色。其中( a ) 图是输入图像；( b ) 图是第一 步接受的邻近点；( c ) 图是第二步接受的邻近点；( d ) 图是从右上角开始生成的结果。本文 区域生长的种子起点选取在表盘图像的( o ，o ) 位置，即从顶点( o ，o ) 位置丌始生长。对区域 生长没有波及到的所有区域的像素赋值2 5 5 ，也就是屏蔽掉区域生长以外的区域。为下 一步指针式压力表盘的边缘检测打下基础。图2 4 1 2 为经过区域生长后的图像。 1 5 2 压力表白动判读系统研究硕士论文 口田田田 ( a )( b )( c ) 图2 4 1 1 区域生长示例图 图2 4 1 2 区域生长后的图像 2 4 2 指针式压力表盘的边缘检测 采用图像分割技术对图像进行处理后已经除去了压力表盘的指针刻度线和大刻度 线，接下来的工作便是要提取压力表盘的圆周，为定位压力表盘的圆心打下基础，通常 用来检测图像边缘的有轮廓提取法、边缘算子法等。下面分别给以介绍。 1 ) 边缘检测的基本概念【z 3 j 图像边缘对图像识别和计算机分析有着特别的价值。边缘蕴含了丰富的内在信息 ( 如方向、阶跃性质、形状等) ，是图像识别中抽取图像特征的重要属性。从本质上说， 图像边缘是图像局部特性不连续性( 灰度突变，颜色突变等) 的反映，它标志着一个区域 的终结和另一个区域的开始。 边缘提取首先检出图像局部特性的不连续性，然后再将这些不连续的边缘像素连成 完备的边界。边缘的特性是沿边缘走向的像素变换平缓，而垂直于边缘方向的像素变换 剧烈，所以，从这个意义上说，提取边缘的算法就是检出符合边缘特性的边缘像素的数 学算子。目前，提取边缘常采用轮廓提取法、边缘算子法、等方法。 2 ) 轮廓提取法【2 4 】 轮廓提取的算法非常简单，就是掏空内部点。如果源图中有一点为黑，且它的8 个 相邻点都是黑色是( 此时该点市内部点) ，则将该点删除。因此该算法实际是对图像的 各个像素进行扫描，对于这里讨论的二值图像来说就可以只考虑黑点，考察其上、下、 1 6 硕士论文全自动便携式压力校验仪的研究 方向的，可以用梯度是垂直方向的模板e 。 检测它的边缘。而一个梯度为4 5 度方向模 板【- ：j 可以检测出1 3 5 度方向的边缘。常用的边缘算子有s o b e l 算子、高斯拉普 - 1 2o l 拉斯算子等。s o b e l 有两个一个是检测水平边缘的l ? 2 0o j 另一个是检测垂直边 一1 0 1 缘的1 2 0 2l 。不同的算子本质上并没有多大的区别，只是用来进行模板运算的模板 1 1 01i 1 7 2 压力表白动判读系统研究硕士论文 于一个3 x 3 窗口内的9 个像素，当它们位于某区域内部时，根据前面分析，这些像素具有 连续性，像素间灰度值的变化平缓，其最大值和最小值之差较小；而当窗口位于区域边 缘时，由于图像局部的不连续性，窗口内的9 个像素灰度值变化剧烈，其最大值和最小 值之差较大。根据这一特性，考察图像像素灰度值分布的特点，确定一个合适的门限， 就可以确定窗口是否处于区域边缘。这种方法相对于梯度法的一个缺点是它加宽了边 缘，使得图像边缘变得模糊。但它可以对整幅图像只搜索一次就可得到边缘信息。而 且，经过进一步的处理，这种边缘加宽的特性可以很容易的消除掉。如确定一个相对比 例门限，当中心像素灰度值与窗口内的极大值之比小于这个门限时，判定此时中心像素 位置不是边界，反之，则判为边界。这种相对比例门限的方法与别的方法相比，有利于 成像特性不均匀性等因素对边界的干扰和侵蚀。 具体的实现考虑了下面两种方法： ( 1 ) 只找出边界曲线。为消除上述方法产生的冗余边界像素( 如图2 4 2 1 所示) ，设填 充值为1 的方格为边缘像素，左下边为边界内部区域，右上边为边界外边区域，可 1 1 i l1 l ll l l 图2 4 2 1 具有像素冗余边缘的图像图2 4 2 2 单像素边缘图像 见有可能出现多像素边界，而这种情况一方面使得边缘加粗模糊，另一方面，由于 内部冗余的像素具有不确定性，在相对于中心不对称的情况下，势必会对后面中心的计 算带来不利影响。程序中增加了对内部冗余项的处理，使得边缘只包含一个像素，精确 地勾画出了图像的边界。图2 4 2 2 即为对内部冗余项进行处理后的图像。 ( 2 ) 把整幅图像的像素分割为两个区域( 内部或外部) 。首先，设定一个合适的门限， 移动窗口搜索图像矩阵，对于中心像素值大于这个门限的像素判定为内部，区域对于满