（机械制造及其自动化专业论文）数显式测振仪自动校准系统的研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 本文对浙江省电力试验研究院“数显式测振仪自动校准系统”中的关键技术 问题及系统集成进行了研究。 第一章阐述了本论文的研究目的和意义。首先介绍了数显式测振仪及其传统 的校准过程；然后介绍了振动校准装置自动测控系统的研究概况与发展趋势；接 着介绍了仪表显示值识别方法的国内外研究现状，并分析了其中的关键技术；最 后提出了本文的研究目的与内容。 第二章阐述了数显式测振仪自动校准系统的总体设计。首先介绍了系统的总 体组成与工作原理；然后对系统主要硬件进行选型，并确定其主要性能参数；最 后进行系统总线设计。 第三章阐述了仪表显示值的自动识别方法。首先介绍了图像采集的具体过 程；然后依次介绍了图像灰度化、滤波、形态学处理、二值化、数字笔画纠正、 分割和数字识别的实现方法；最后分析了振动对数字识别的影响和示值不稳定状 态下的数字识别问题。 第四章研究和设计了数显式测振仪自动校准系统软件。在系统软件需求分析 的基础上，设计软件总体构架，并使用图像化编程语言l a b v i e w 及相关函数包 实现校准系统软件的编制。 第五章对数显式测振仪自动校准系统进行了实验研究。重点测试了振级调整 精度、仪表显示值识别准确度和系统软件的运行情况。实验结果表明，数显式测 振仪自动校准系统满足设计要求。 第六章总结了本文的研究成果，并展望后续工作。 关键词：数显式测振仪；校准；图像识别；软件设计；l a b v i e w 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i s t l l e s i s ，吐l ek e yt e c l l i l o l o g i e s 锄ds y s t e mi n t e g r a t i o no f 觚a _ u t o m a t i c c a l i b m t i o ns y s t e mo fd i g i t a ld i s p l a yv i b r o m e t e 璐f o rz h e j i a i l ge l e c 仃i cp o w e rt e s t r e s e a r c hi n s t i t u t eh a db e e ns t u d i e d i nc h 印t e rl ，t l l ed e s t i l l 撕o na 1 1 ds i g l l i 6 c a n c eo f 1 et 1 1 e s i sw e r ep r e s e n t e d f 豳t ， t l l ed i g i t a ld i s p l a yv i b r o m e t i e ra i l di t s 仃j 狙i t i o n a lc a l i b r a t i o np r o c e s sw e r ei n t r o d u c e d t h e i l ，t l l ep r e s e n tr e s e a r c hs t 咖so fa u t o m a t i cm e 硒u r c m e n ta i l dc o n 协o ls y s t e mf o r v i b r a t i o nc a l i b r a t i o nw 鹤跚e y e da n d “sc l e v e l o p i n g 舵n dw a sp o i i l t e do u t i n s u c c e s s i o n ，m ep r e s e mr e s e a f c hs 协t u sb o la th o n l e 趾d 蠢b r o a do ft l l er e c o g i l i t i o n a l g o r i t t l l m 向rd i s p i a yv a l u eo fm e t e i sw 勰s u n r e y e d a i l dt l l ek e yt e c 量l i l o l o g i e so ft h e m g o r i 也i n sw e f ea n 2 l l y z e d a tl a s t ，t l l em a i nr e s e a r c ha i l i l 锄dc o n t e mo ft l l e l e s i s w e r ee m p i l a s i z e d i nc h a p t e r2 ，n l eo v e r a l ls m j c t u r eo ft l l ea u 【t o m a t i cc a l i b r 砒i o ns y s t e mf o rd i g i t a l d i s p l a yv i b r o m e t e 塔w 嬲p r o p o s e d f i r 瓯t l l ep r i n c i p l e 趿dc o m p o n e n t so f 恤es ) ，s t e m w e r ei l l _ 臼? o m 脱d t h e l l ，t l l ek e yi i l g 咖i n e n t si i lt h es y s t e mw e r es e l e c t e d a t l a s t ，t l l e s y 妣m b u sd e s i 印w 鹊删y z e d i nc l i a p t e r3 ，n l ea u t o m a t i cr e c o g i l i t i o na j g o r i t k 【l sf o rn l ed i s p l a yv a l u eo f m e t e r s w e 陀p r o p o s e d f i r 鸭t h e 蛔忸g ea c q u i s i t i o np r o c e s sw 勰砷d u c e d t h e 玛廿l e a l g o r i 廿l m so fi m a g eg r a y s c a l e ，f i l t e r ，m 唧h o i o g i c a lp r o c e s s ，b i n a r i 盈t i o n ，s 臼o k e c o 玎e c t ，g m e n t a t i o n 趾dm m l b e rc o 砌 i m l a t i o nw e r ei n t r o d u c e ds l 赋e s s i v e l y a tl a s t ， t l l ei i l f l u e n c eo fi i i l a g ev i b r a t i o no nr e c o g 皿i o np r e c i s i o na n dm er e c o g i l i t i o no f d i g i t s i n 仃a m i t i o nw e r e 趾a l y z e d i nc h a p t e r4 ，t l l es o f b a r eo f t h e 卸t o m a t i cc a l i b 蒯o ns y s t e md e s i g n e df o rd i g i t a l d i s p l a yv i b m e t e r sw 豁p 陀s e i l t a tt 1 1 eb e g i n 王l i n g ，m er e q u i r e m e r i so ft h es 0 f w a r e w e r e 觚a l y z e d a i l dt l l e n l eo v e r a l lf r 锄舱w o r ko ft l l es o r w a r ew 觞p 毗f o 刑a r d i n t l i ee n d ，t l l es o n ：、a r ew 嬲i n n - o d u c e 也、) l ，_ i l i c h 、a s d e v e l o p e dw 油鲫k c a l p r 0 髓瑚m i n gl a l l g u a g e l a b v i e w i i lc l l a p t e r5 ，m ee x p e r i m e n t sf o rt l l ed e s i g l l e d 硼_ c o m 撕cc a l i b r a t i o ns ) ，哟m 袱l r e d 0 i l e t h ep r e c i s i o no ft l l ev i b r a t i o nl e v e ia 由u s 协1 e n t ，t 1 1 er e c o g 面t i o np r e c i s i o no ft h e m e t e r s d i s p l a yv a l u e 锄dn l e 证l p l e m e m a t i o n 魄m l so fn l es o 小a r ew e r em 训y t e s t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wm a tt l l e 踟t o m a t i cc a l i b r a t i o ns ) ，s t e mc o u l dm e e tt h e d e s i g nr e q u i r c m e n t s i nc l l a p t e r6 ，m ea c l l i e v e m e n t so fm et i l e s i s 、e r eb r i e f l ys m m m l r i z e da i l dt h e f i l m l e rr e s e a r c hw o r kw a se x p e c t e d 1 ( e yw o r d s ：d i g i t a ld i s p l a yv i b r o m e t e r s ；c m i b r a t i o n ；i m a g er e c o g i l i t i o n ；s 0 小v a r e d e s i 印；l a b v i e w - l l i 浙江大学硕士学位论文 致谢 深深的感谢我的导师何闻教授硕士学习阶段，在何老师精心指导下，我顺 利完成了相关课题的研究工作以及最后的硕士学位论文。学生的点滴进步，都离 不开何老师的辛勤耕耘与悉心栽培。何老师杰出的学术水平、严谨的治学态度， 勤勉的工作作风，精益求精的科研精神，是学生永远学习的榜样。值此论文完成 之际，谨再一次向尊敬的何老师表示衷心的感谢，并致以崇高的敬意。 衷心感谢浙江省电力试验研究院刘敏高级工程师和陶定峰工程师在项目进 展中提出的宝贵建议和对我工作的支持和理解，您们渊博的学识，随和的性格以 及乐观的处事风格给我留下了深刻印象。 衷心感谢贾叔仕高级工程师，魏燕定教授，李培玉副教授和沈润杰副研究员 在我学习过程中给予的指导和帮助。 感谢实验室的所有师兄弟们的帮助。在此特别感谢我的师兄郑建毅博士、施 彦彬硕士、程龙飞硕士、王春宇博士生、荣左超博士生、王志鹏硕士、陆书圣硕 士、唐波博士生和我的同窗徐冠华博士生、周远来硕士生，还有我的师弟顾邦平 博士生、戴坤鹏硕士生、周杰硕士生、陈群硕士生、潘龙博士生、金子迪硕士生、 邓国辉硕士生和师妹许琳硕士生，正因有了才华横溢的你们，才使试验室成为一 个学术氛围浓厚的大家庭，你们是实验室发展前进的基石和中流砥柱。每当我想 起与你们在一起的时光，都会让我倍受鼓舞与自豪，谢谢你们。 真诚感谢我的父母、姐姐和姐夫，正是你们在我生活和学习中给予的理解、 关心和帮助，才使我顺利地度过了十余年的学习生涯。 光阴荏苒，回首两年多的时光，不由让人因即将到来的分别而伤感，但治学 严谨的老师，意气风发的同学，西子湖畔的美丽校园这一切将永远铭刻在我 的内心深处，终生难忘。但过去已成历史，必须汲取过去的经验和教训继续前行。 李根 二零一二年二月于求是园 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 随着科学技术的日益发展，人们对工业生产中由机械振动所带来的危害的认 识也越加深刻，因此在电力、石油、冶金等重要行业中，对机械振动的实时监测 显得尤为重要。数显式测振仪以其携带方便、功能丰富、精度高和功耗小等优点 在机械振动实时监测领域得到了广泛的应用，并取得了良好的应用效果 近些年来，计算机及其接口技术的迅速发展极大地提高了振动校准装置的自 动化水平，使得振级的调整与被校传感器的输出采集可以由计算机通过标准接口 控制可编程仪器自动完成，从而减轻了校准人员的工作强度并提高了校准精度， 该种方法适用于大多数振动传感器( 位移传感器、速度传感器、加速度计以及地 震计等) 的自动校准。但本文所研究的数显式测振仪，由于仪器本身不提供与计 算机通讯用的接口和模拟输出量，因此无法使用上述振动校准装置进行自动校 准。随着机器视觉与图像识别技术的飞速发展，仪表显示值自动识别技术的应用 也愈加广泛，如冶金、化工等行业中的实时监控，电能表自动记录系统和汽车牌 照自动识别等领域，因此合理地将仪表显示值自动识别技术与计算机接口技术相 结合，就可以实现数显式测振仪的自动化校准，校准效率与精度也会显著提高。 此外，考虑到计量检定部门的校准工作量大、试验数据难于管理、相关证书制作 花费时间多等实际困难，在自动校准系统中有必要增加数据库与证书制作功能， 使得整个系统功能更加丰富，能够更好地服务于计量检定部门的日常工作。 1 1 数显式测振仪及其校准 数显式测振仪作为一种振动检测设备，按照国家计量部门规定需对其进行定 期的校准。所谓校准，又称检定，它是通过试验建立被校仪器的输出量与标准输 入量之间的关系，同时也确定出不同使用条件下的误差关系。数显式测振仪的传 统校准过程十分繁琐，需要大量的人工干预，劳动强度大且容易产生错误。因此， 找到一种自动化、高效、准确的数显式测振仪校准方法具有很高的学术和应用价 值。 浙 l ：人学硕士学化论文 1 1 1 数显式测振仪 数显式测振仪，又称便携式测振仪，是一种将振动传感器、放大器和指示或 记录装置集成与一体的数字显示( 记录) 仪表。所谓数字显示仪表，就是把与被 测量( 例如温度、流量、液位、压力、振动等) 成一定函数关系的连续变化的模 拟量，通过，d 转换成相应的数字编码，变换成断续的数字量后通过数字显示器 显示出来【1 】。目前市场占有率较高的数显式测振仪是由日本r o i n 公司生产的 v m 6 3 a 型，其产品外观如图1 1 所示。 根据所配传感器类型不同， 数显式测振仪通常分为配加速度 传感器型和配其他传感器型两 种，其中以配加速度传感器型最 为常用，它的组成原理如图1 2 所示，工作过程如下：加速度传 感器感知被测物体运动状态，其 输出电荷信号经电荷放大器转换 图1 1r o l n 产v m 一6 3 a 型数显式测振仪 成电压信号并经过滤波电路处理 一 加速度传感器一+ 电荷放大器 - 滤游器 整形，积分器将加速度信号转换 一 为速度和位移信号，经a d 转换 成数字信号并送给单片机进行处 积分器 攀换器_ 兰竺 理，最终由显示电路显示吲。 嘉器显示三二一 由于数显式测振仪具有体积小、 便于携带、能耗低、功能丰富( 通 竺竺二 常可提供位移、速度和加速度三图1 2 配加速度传感器型数显式测振仪组成原理图 种测试功能) 和精度高的优点， 被广泛地应用于电力、石化、冶金等工业领域的现场监测中。 1 1 2 数显式测振仪的校准 振动测量中所使用的各类传感器与测振仪，它们的各项指标如灵敏度、线性 范围、频响特性等，将会直接影响到测量数据的精度和可靠性【5 1 。因此，国家计 浙江大学硕士学位论文 量检定规程( j j g6 7 6 2 0 0 0 ，工作测振仪) 规定，测振仪的检定周期一般不超过 1 年。但对用于重要工程测试或野外作业的测振仪，建议用前检定，用后复检网。 测振仪的计量性能要求有以下三方面： 第一，测振仪的参考灵敏度。在对传感器与测振仪分离式的数显式测振仪进 行校准时应首先单独校准传感器的参考灵敏度，所谓参考灵敏度是指传感器在参 考频率点所标定的位移灵敏度、速度灵敏度或加速度灵敏度，其校准扩展不确定 度为2 ( k = 3 ) 。 第二，测振仪的频率响应。配压电加速度传感器：5 ；配其他传感器： 士l o 。 第三，测振仪的幅值非线性度。配压电加速度传感器：5 ；配其他传感器： 土l o 。 振动传感器和测振仪器是由标准振动装置来进行校准的，检定规程中一般推 荐绝对法和相对法两种校准方法，其中绝对法的校准精度高于相对法。所谓标准 振动装置，由标准振动台( 水平向和垂直向) 、振动台功率放大器、信号源、激 光测振仪、通用计数器、高精度数字电压表、标准加速度计套组构成。 一、绝对法校准 绝对法校准是把被校传感器 安装于标准振动台上承受振动， 通过直接测量振动的振幅、频率 和传感器的输出电量来确定传感 器的特性参数。绝对校准又分为 激光干涉仪校准法、重力加速度 校准法和共振梁校准法等多种形 式，其中以激光干涉仪校准法使 用最广泛。 图1 3 激光干涉仪校准系统组成 激光干涉仪校准法原理如图 1 3 所示【7 】，其中正弦信号发生器的输出信号经过功率放大器推动标准振动台， 被校数显式测振仪安装在标准振动台台面上，测量镜贴在振动台或标准加速度计 上。h e - n e 激光器发射出波长名= o 6 3 2 8um 的激光由分光镜分成两柬，其中透射 浙江大学硕士学位论文 至参考镜的一束经反射后作为参考光；另一束在分光镜上反射至安装在振动台台 面上的测量镜作为测试光，这两束再反射回到分光镜，由于两束光存在光程差而 发生干涉现象，并在光电倍增管表面产生明暗相间的干涉条纹，经光电倍增管转 换成电信号，并送至通用计数器，由激光干涉原理可以用下式计算出振动台的振 幅为嘲【9 】 彳：丝( 1 1 ) 8 式中，为振动台一个振动周期的干涉条纹数。 设台面位移为 d = 彳s i l 2 万夕+ 口) ( 1 2 ) 式中，厂为振动频率；r 为时间； 吕为初始相位角。 运动速度和加速度分别为 ，= 2 万c o s ( 2 万+ 9 ) ( 1 3 ) 口= 一( 2 万厂) 2 彳s i n ( 2 万夕+ 口) ( 1 4 ) 式中，1 ，为振动台面速度；口为振动台面加速度。 二、相对法校准 相对法校准又称 为背靠背相对法，是 将被校传感器与标准 传感器背靠背的安装 在标准振动台上，其 中标准传感器( 标准 传感器套组) 的灵敏 囹1 4 相对法校准系统图 度、频响特征及其他技术参数均为已知振动台的运动参数可以通过测量标准传 感器的输出信号获得，通过与被校仪器的输出进行比较进而得到其各项技术指 标。其校准系统图如图1 4 所示。 数显式测振仪的传统校准过程：对于数显式测振仪，由于其将传感器、放大 器和显示装置集成一体，因此并不需要对传感器的参考灵敏度进行校准。校准内 容只有频率响应和幅值非线性度两项，但数显式测振仪通常具有三个档位，分别 浙江大学硕上学化论文 是位移档位、速度档位和加速度档位，以上三个档位均需要进行幅值非线性度校 准，并要选取其中一个档位做频率响应校准，试验的点数非常多。以幅值非线性 度检定中的一个试验点的校准过程为例，检定员首先手动调节标准振动台功率放 大器增益，读取通用计数器测得的激光测振仪输出信号与信号发生器输出信号的 频率比值，并依此计算出振动台的实时振级，直到振动台达到目标振级；然后， 肉眼观察数显式测振仪的显示值，并记录在检定记录纸上；完成所有试验点的校 准后，根据检定规程要求判断是否存在超出测振仪计量性能要求的数据；最终将 结论手工录入到检定证书、校准证书或检定结果通知书中，至此完成数显式测振 仪的校准工作。综上所述，数显式测振仪的传统校准方法具有如下的不足之处： ( 1 ) 需手动调整振级，振级调整效率低且依赖于检定员的经验； ( 2 ) 需用肉眼读取测振仪示值，并手动记录试验结果，容易产生错误； ( 3 ) 试验点数多，工作强度大； ( 4 ) 试验数据不利于管理； ( 5 ) 检定证书、校准证书和检定结果通知书需要人工制作，效率低。 1 2 国内外振动校准装置自动测控系统的研究概况 振动校准装置自动测控系统是测量技术、控制技术、计算机技术和软件技术 的结合【1 0 1 。测量技术指对系统中各参数进行测量，如振级和传感器输出等；控 制技术指设计合理的控制算法，使振动台按预期目标运动；计算机技术则是利用 其提供的丰富接口资源完成试验仪器与控制系统的通讯；软件技术用于实现功能 强大的测控软件，从而更好的满足用户的需求。 1 2 1 国外振动校准装置自动测控系统的研究现状 上世纪8 0 年代，美国的w y l e 实验室在l i l l g 公司产的3 0 0 0 磅力及4 0 0 0 磅力 振动试验台基础上，配备肿5 4 2 7 计算机振动控制系统和数据处理功能，使用p c b 公司的加速度计作为标准，可实现相对法的正弦扫描和随机试验【1 1 1 。 美国e n d e v c o 公司在上世纪9 0 代年推出一套全自动振动传感器自动校准 系统，该系统采用正弦扫描实现了1 h z 5 0 k h z 频率范围内相对法的传感器校准 工作。该系统自动化程度很高，极大地较少了由于人工操作带来的误差，所配套 浙江大学硕上学位论文 的校准软件功能也十分丰富，可生成全面的报表，并建有校准数据库以供后续查 找【1 2 1 。 丹麦b & k 公司将随机振动和双通道f f t 分析技术应用于本公司所生产的 2 0 3 2 3 4 型随机激励振动校准系统中，其输出的随机振动信号的覆盖范围达8 0 0 个频率点，整个校准系统经过改进后总的不确定度可达o 8 加9 该公司的 9 6 1 0 型振动传感器校准系统由b & k 标准化仪器组成，整套系统通过计算机由 w t 9 3 0 1 校准软件控制，可以自动的实现速度传感器和加速度传感器的校准工 作，并且适用的频率范围宽【1 3 1 。其最新产品有7 5 4 1 7 5 4 2 型振动控制器，该产品 信号发生于a ，d 采集功能集成于一体，通过l a n 接口与上位机控制软件通讯，可 以方便快捷的实现振动控制与分析。 1 2 2 国内振动校准装置自动测控系统的研究现状 2 0 世纪7 0 年代和8 0 年代，浙江大学先后研制出中频振动计量装置和低频 振动计量装置，该系统中首次利用z 8 0 单板机和专门的接口电路实现对测试仪 器( 通用计数器和数字电压表) 的控制，系统的结构如图1 5 所示。 图1 5 低频振动标准计量系统 上述系统实现了数据采集和结果处理的自动化。但是，该系统中没有提供可 控的信号源，振级的调整还需人工进行，属于半自动的校准系统，为以后进一步 完善打下了基础。航空航天部6 2 3 所研制的s k f 1 、s k f 2 随机振动数字控制系 统，并应用于振动传感器校准工作中，对以后的振动校准装置自动测控系统具有 借鉴意义 9 0 年代，浙江大学设计了基于i b m p c 微机的振动传感器计算机自动检定系 统。该系统由i b m p c 微机输出高精度的扫描正弦信号，控制标准振动台以规定 浙江大学硕士学位论文 的方式振动，逶过对固定在振动台上的多个传感器的输出电压和失真度进行计 量，实现对振动传感器的绝对法或相对法标定【h 1 【”1 。但该系统属于一种封闭式 结构，不便于扩展升级。随着计算机技术的发展，i e e e 4 8 8 总线技术在振动校 准自动控制系统中得到了广泛应用，例如1 9 9 6 年浙江大学通过i e e e 4 8 8 通用母 线接口将b & k 公司的1 0 5 0 型振动激振控制仪、功放2 7 0 7 以及精密数字电压变 7 0 6 l 、通用智能计数器和频率计等仪器连接起来，并通过上位机软件完成各项校 准功能【1 6 1 。此外，中国计量学院在该领域也做了相关尝试【1 7 1 ，但这类系统所采 用的仪器大多数为较昂贵的多功能通用仪器，在满足振动校准功能要求的同时， 仪器自身其他功能均处于闲置状态，造成很大程度上的资源浪费，并且当时的上 位机软件功能也比较简单。 进入2 l 世纪，个人仪器技术得到飞速发展。个人仪器是将各种硬件模块做 在一个独立的仪器箱中，采用专用或通用的接口总线连接至个人计算机。2 0 0 3 年，浙江大学研制的全自动集成式振动校准装置测控系统就是其中的代表，该系 统将多通道高精度数据采集器、低失真程控信号发生器及高精度程控频比计数器 集成于一体，利用专用接口电路实现仪器与计算机的通讯【1 8 】【1 9 1 ，并开发了相应 的软件模块，实现了振动校准过程的自动化。与此同时，浙江大学在低频及超低 频振动校准的自动化控制问题也做了许多有意义的工作【2 0 卜【2 3 1 。 1 2 3 振动校准装置自动测控系统的发展方向 随着计算机技术、电子技术、传感器技术、自动控制技术、软件技术和激光 学技术的发展，不断取得新的突破。绝对法校准和相对法校准普遍实现了自动化， 基本满足了各种测振传感器的幅频特性校准要求。目前，其发展趋势主要表现以 下几个方面： ( 1 ) 相频特性的自动校准。随着国民经济和高新技术的发展，各类工程测 试环节对传感器的相频特性提出了校准要求。2 l 世纪初，中国计量科学研究院 开发了正交m i c h e l s o n 激光干涉仪，并采用正弦逼近法成功地实现了传感器相频 特性的校准【2 4 1 ，振动校准系统中增设相频校准过程并实现自动化是今后振动校 准装置测控系统发展的一个方向。 ( 2 ) 振级调整速度需进一步提高。振级调整速度始终是自动校准过程中最 浙江大学硕士学位论文 为关键的环节，集中体现在以下两种情况：第一，低频及超低频振级调整过程中， 仪器的测试时间较长导致整体速度不理想；第二，小振级调整过程中，由于振动 台是一个机电耦合系统，在小振级时具有一定的非线性，给振级的调整带来一定 难度。 ( 3 ) 特殊仪器的自动校准。对于某些特殊形式的振动测试仪器，例如数显 式测振仪和振动烈度检测仪等，其自身不提供模拟输出和计算机通讯接口，而是 将测试结果直接显示在l e d 屏幕上，因此不能采用现有的自动校准方法，需寻 找新的方法实现这类仪器的自动校准； ( 4 ) 辅助功能有待完善。对于计量部门，振动校准的工作不仅仅只是通过 试验测得被校仪器的数据，很多工作量还集中在试验数据的保存、查询以及证书 制作上面，如何通过日益强大的软件技术编写出更加适用于计量部门的测控软件 还有大量的工作需要进行 1 3 国内外仪表显示值识别方法的研究现状 作为光学字符识别( o p t i c a lc 慨t e rr e c o g i l i t i o n ) 技术的一个重要应用方 向，仪表显示值识别系统在对原有仪表不做任何改造的前提下，利用机器视觉技 术获取仪表图像，然后对目标进行提取和识别，以得到需要的仪表示值信息，并 通过标准的计算机接口，把具有各种性能、有或无数字输出接口的仪器组合成一 个综合的自动测试系统。在工业控制领域，仪表显示值识别系统极大地提高了检 测装置的自动化和智能化程度。它涉及机器视觉、图像工程、人工智能、微机电 系统、仪表检测等多个研究领域，具有十分广阔的应用前景1 2 5 1 。根据仪表的种 类不同，其读数识别系统主要分为两类，即指针式仪表显示值识别系统和数字式 仪表显示值识别系统。本文所研究的数显式测振仪自动校准系统则属于后者。 1 3 1 国外仪表显示值识别方法的研究现状 1 9 9 5 年，韩国人k y o n g h o m 等采用阈值和区域划分方法对核装置数值表 和模拟表进行图像分割，其中数字仪表的数字和特征点使用一个神经分类器抽取 得到，与一个包含仪表相关信息的数据库进行对比，从而建立一个完全自动化的 仪表识别系纠2 6 1 。 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 年，里斯本科技大学的f c o 仃i 轭 舢e 鲥a 和a c r u zs e r m 将数字仪表的字符 图像先后分成四个和三个矩形区域，如图 1 6 所示，前者用于判断每个小矩形区域中 是否存在竖直向笔画，而后者则用于判断 每个小矩形区域中是否存在水平向笔画， 并通过查表的方式判断数值大小，该方法 不仅对传统的七段数码管字符有效，还适 图1 6 矩形区域划分 用于1 1 段数码管的识别，不过整个过程忽略了小数点【2 7 】。 2 0 0 9 年，西班牙比戈大学设计了一套基于机器视觉的数字仪表自动校准系 统，该系统采用内插阈值技术对非线性图像进行二值化处理，并成功借鉴车牌识 别技术中的定位与分割方法，在识别数值时采用两种分类器：第一种是基于特征 提取和距离估计的标准1 二n n 分类器；第二种是基于人工特征感知的分类器。该 系统可以应用于不同字体的数字仪表校准工作中，效果比较理想口9 】【3 0 1 。2 0 1 0 年， 日本学者将待识别数值与修正后的模板进行匹配，解决了由模板数量有限所造成 的误识别问题，该种方法还可以对弯曲的数字进行识别【3 l 】。 1 3 2 国内仪表显示值识别方法的研究现状 我国在仪表显示值识别技术方面的研究工作相对起步较晚，但由于该领域具 有很广阔的应用前景，在较短的时间内也取得了一些成果。 1 9 9 8 年，吉林工业大学提出了一种快速识别飞机仪表参数的算法【3 2 1 ，该算 法基于二值化图像，提取图中各数字的特性，并通过决策树对这些数字进行分类， 不需要对图像进行细化、轮廓跟踪等处理，处理速度快，但该算法对图像的质量 要求较高。2 0 0 2 年，杭州电子工业学院设计了一套基于图像处理和神经网络识 别技术的温控仪表自动检定系统，在系统中，计算机对被检仪表发出模拟热电偶 测量信号，通过摄像头获取被检仪器显示值的图像，经图像处理后，采用神经网 络感知器算法予以识别，检定过程完全自动化f 3 3 】。2 0 0 3 年，河北大学提出了一 种利用c c d 系统对激光功率计l e d 7 段数码的识别和记录方法，该方法将图像进 行水平向强度统计，将强度曲线的特性描述转化为编码，再与代表各字符码值比 浙江大学硕士学位论文 较，从而得到识别结果 3 4 1 。2 0 0 7 年，浙江工业大学将特征颜色增强的方法应用 于多仪表数显字符的快速分割与定位中，并采用b p 神经网络法进行分类识别【3 5 1 。 特别要指出的是，近些年来，b p 神经网络以其良好的自学习能力在仪表显示值 识另9 系统中得到了广泛的应用【3 5 卜【4 1 1 。此外，我国台湾学者将仪表显示值自动识 别技术应用于医用设备的实时监控中，通过对预先贴在仪器显示屏上的标记进行 定位，可以自动获得显示值的位置，具有很好的应用价值【4 2 1 。 1 3 3 仪表显示值识另4 的关键技术 ( 1 ) 图像的增强和降噪 在图像的生成、传输和变换过程中，由于多种原因的影响，例如光学系统失 真、系统噪声、曝光不足或过量，相对运动、字符变化过程中等，往往会造成图 像与真实情况存在差异。这种图像质量上的下降或退化会影响到后续信息的提 取，甚至带来错误。因此，改善降质的图像十分有必要。改善的方法有两种：一 种是不考虑图像降质的原因，只将感兴趣的部分加以处理或突出有用的图像特 征，其目的并不一定是去还原图像。例如灰度变换、衰减各类噪声、提取图中目 标轮廓等，这些称之为图像增强；另一种方法是针对图像降质的具体原因，设法 补偿降质的因素，从而尽可能还原图像。这类方法称为图像恢复或图像复原技术 【2 5 】 ( 2 ) 图像分割 图像分割是根据应用的需要，选定一些特征( 如灰度、颜色、纹理、形状等 特征) ，将图像分割成若干个特定的、具有独特性质的区域并提取感兴趣目标的 技术和过程【4 3 1 。图像分割的三个基本方法是：基于区域的图像分割、基于边缘 检测的图像分割、边缘与区域相结合的图像分割。 ( 3 ) 识别方法 一般的来说，仪表显示值识别的对象即为阿拉伯数字1 9 以及小数点共十个 字符，相对于其他的o c r 系统( 如车牌识别、手写体汉字识别等) 识别内容较少。 常用的识别方法有三种：统计特征字符识别技术、结构字符识别技术和基于人工 神经网络的识别技术】【4 5 1 】。 统计特征字符识别技术一般选取同一类字符中共有的、相对稳定的并且分类 浙江大学硕士学位论文 性能良好的统计特征作为特征向量。常用的统计特征有字符二维平面的位置特 征、字符在水平或垂直方向投影的直方图特征、矩特征和字符经过频域变换或其 他形式变换后的特征等。统计特征字符识别方法对字符的区别能力较弱，但实现 简单。 结构字符识别技术首先要提取字符的结构，又将其称为子模板、部件、基元， 所有基元按照某种顺序排列起来就形成了字符的特征。基于结构的字符识别实际 上是将字符映射到基元组成的结构空间进行识别1 4 7 】。 基于人工神经网络的识别技术的目的就是力图通过人脑功能和结构的模拟 来实现字符的高效识别。在o c r 系统中，人工神经网络主要充当分类器的功能， 输入的是字符的特征向量，输出的是字符的分类结果，即识别结果。 1 4 课题的研究目的及主要内容 1 4 1 课题的研究目的 本课题是受浙江省电力试验研究院委托，在其原有“中频标准振动校准装置” 基础上进行自动化改造，使其能够对电厂振动监测用数显式测振仪的幅值非线性 度( 位移档位、速度档位以及加速度档位) 和频响特性( 5 1 6 0 h z ) 进行绝对法 或相对法的自动校准，并且将校准数据统一保存至专用数据库，以便于日后查找 与相关检定证书的自动生成。此外，考虑到省电力试验研究院振动计量中心的实 际业务需要，该系统也具备其他类型振动检测设备，如电涡流位移传感器( 静态 特性与动态特性) 、速度传感器、加速度传感器( 标准加速度计、工作加速度计、 三向加速度计) 以及振动监测仪的自动校准功能，但不作为论文研究的重点。 课题的研究目的在于提高数显式测振仪校准的自动化水平和校准精度，使整 个校准过程中检定员只需进行必要的校准信息录入以及试验参数的设置，系统就 可以自动完成剩余所有工作，消除传统数显式测振仪校准中由于检定员视觉疲劳 等原因造成的误差，减轻检定员的劳动强度，提高校准工作的效率，建立科学合 理的校准数据管理平台，增强校准过程的规范性。 浙江大学硕士学位论文 1 4 2 课题的研究内容 本论文以设计基于图像识别的数显式测振仪自动校准系统为核心，主要研究 内容有以下几个方面： ( 1 ) 数显式测振仪自动校准系统总体设计。主要包括对校准系统总体结构、 硬件组成与选型和系统总线设计； ( 2 ) 仪表显示值的自动识别方法研究。确定图像采集方案，设计仪表显示 值识别方法，并研究振动对数字识别的影响以及变换状态下的数字识别问题； ( 3 ) 数显式测振仪自动校准系统软件的设计。进行软件需求分析，确定软 件总体构架。使用l a b v i e w 以及相关工具包开发出系统软件，完成对软件各个 功能模块程序的编制。 ( 4 ) 系统测试与分析。对数显式测振仪自动校准系统的总体性能进行实验 研究和分析，主要包括振级调整实验研究、仪表显示值识别准确度实验研究和系 统软件主要功能模块实验研究。 浙江人学硕上学化论文 2 数显式测振仪自动校准系统总体设计 2 1 系统总体结构与工作原理 2 1 1 系统总体结构 数显式测振仪自动校准系统是以计算机为核心的振动校准系统，由系统硬件 和系统软件组成，其总体结构如图2 1 所示。本章的主要内容是介绍系统的系统 工作原理、硬件组成与选型和系统总线设计，系统软件将在本文的第四章中详细 介绍。 2 1 2 系统工作原理 图2 1 校准系统总体结构图 系统的工作原理如下：可编程仪器通过g p i b 总线与计算机连接，信号发生 器在计算机控制下可产生设定频率和幅值的标准正弦信号，经过功率放大器后激 励标准振动台输出设定频率下的标准正弦运动，在使用绝对法校准时，通用计数 八v 、善 一 浙江大学硕士学位论文 器在计算机控制下可测量激光测振仪输出光电信号与振动信号的频率比，据此可 计算出标准振动台的振级大小；在使用相对法校准时，安装在标准振动台台面中 心处的标准加速度计输出的电荷信号，经过电荷放大器转化为电压信号并通过数 字万用表测得其幅值大小，数字万用表将测得数据传送至计算机并与预先设置的 标准加速度计灵敏度相比，就可以得到振动台的实时振级。摄像头通过万向磁性 表座固定，其姿态可以任意角度调整，辅助光源用于获得更加清晰的图像。标准 振动台按照一定的振级调整算法达到设定的振级后，摄像头捕获被校数显式测振 仪的显示值，并将画面通过通用接口总线( u s b ) 传至计算机，计算机自动识别 出示值大小，试验结束后计算机将自动生成e x c e l 的检定记录用于保存原始数据， 同时这些数据也将被保存至专用数据库。试验完成后，检定员可以按照一定检索 条件查询被校测振仪的试验信息，计算机自动判断试验数据中是否存在超差点， 并最终自动生成检定证书、校准证书或检定结果通知书。至此完成数显式测振仪 的自动校准工作。 2 2 系统硬件组成与总线设计 2 2 1 系统硬件组成 数显式测振仪自动校准系统的硬件组成为：计算机( 装有g p i b 通讯板) 、 可编程信号发生器、可编程数字万用表、可编程通用计数器、激光测振仪、标准 加速度计套组及中频标准振动台系统( 包括中频标准振动台和功率放大器) 、摄 像头和辅助光源和万向磁性表座。系统主要硬件选择如下： ( 1 ) 标准振动台及其功率放大器 标准振动台及其功率放大器是整个校准系统的根本，它所产生的标准正弦运 动是校准的基准。本实验室研制的中频标准振动台主要性能指标如下： 工作频率范围：3 2 0 0 0 h z ； 台面波形失真度：优于1 ； 台面横向振动比：优于3 ； 台面幅值均匀度：优于1 ； 最大满载加速度：1 5 9 ( 峰值) ； 浙江大学硕士学位论文 最大位移：2 衄。 ( 2 ) 激光测振仪 激光测振仪是一种精密测量设备，它通过激光干涉原理将振动台的运动信号 转化为电信号，为绝对法校准提供基准。其性能指标如下： 频率范围：l 3 0 0 0 h z ； 测试范围：4 5 m m ( 峰峰值) ； 最大速度：o 2 i i l s 。 ( 3 ) 信号发生器 信号发发生器选择日本n f 公司产盯1 9 7 4 型函数任意波形发生器。该仪器用 直接数字合成( d d s ) 技术能够产生稳定且精确的输出信号，可生成纯净和低失 真的正弦波。具有丰富的通讯接口，包括u s b ，g p i b 和l a n 。完全支持s c p i 编 程方法，用户可根据其提供的s c p i 编程指南方便地实现计算机控制。提供双通 道输出，且两通道独立受控于计算机，其中通道l 用于绝对法校准( 通道1 的同 步输出信号接到通用计数器的通道b ，用于频比计数) ，通道2 用于相对法校准。 其正弦波主要指标为【4 8 1 ： 频率范围：1i lh z 3 0 m h z ； 频率分辨率：1 “h z ； 波形失真度：优于o 0 4 。 ( 4 ) 数字万用表 数字万用表选择a g i l e i i t 3 4 8 5 a 型高性能数字万用表，用于在相对法中测量标 准加速度计输出信号的幅值，它能够获得最大1 0 0 ，0 0 0 读数秒的测试吞吐率，或 以8 5 位的测试分辨率和0 1 p p m 传递精度获得最高测试精度，其交流电压测试性 能指标为【4 9 1 ： 量程：6 个，l o m v 到1 0 0 0 v ； 带宽：1 h z 至1 0 m h z ； 测试速度：高达5 0 读数秒，所有读数均满足规定精度； 最佳精度：1 0 0 p p m 。 ( 5 ) 通用计数器 通用计数器选择a g i l e n t5 3 1 3 1 a 型，其通道a 与激光测振仪输出信号连接， 浙江大学硕士学位论文 通道b 与信号发生器通道1 的同步输出连接，闸门时间设置为1 s ，触发电平都设 为o 1 v ，此时可以准确的测试到两路信号的频率比。该仪器可通过g p i b 与计算 机连接，同样具有s c p i 命令编程能力。其主要指标为5 0 1 ： 数据传输率：2 0 0 次s 金格式化传输； 测量带宽：d c 2 2 5 m h z 。 ( 6 ) u s b 摄像头 选用了市场上容易购得的“环宇飞扬”u s b 摄像头( c m o s 感光器) 作为图 像采集设备，在适当的辅助光源下能够获得满足试验要求的图像质量，并且价格 优势明显且使用方便。在w i n d o w s 环境下利用n i 公司提供的视觉获取软件 ( s i o na c q u i s i t i o ns o m v a r e ) 可以方便的实现图像采集。其主要性能指标为： 像素：3 0 0 万； 采集速度：3 0 祯秒。 2 2 2 系统总线设计 总线( b u s ) 通常是指连接计算机系统各部件或计算机之间的一束公共信息 线，它是计算机中传输信息代码的公共途径从计算机测控系统的角度来讲，总 线是连接多个数字系统的公共信息通道，即指计算机测控系统所使用的芯片内 部、电路插件板元器件之间、系统各插件板之间和系统与系统之间的连接通道 f 5 1 1 。在选择系统总线时应注意以下几个关键性能指标：数据传输速度、驱动能 力、抗干扰性能以及成本。在本系统中，可编程仪器通过g p i b 总线与主控计算 机连接，摄像头通过u s b 与计算机通讯。 一、g p i b g p i b ( g e n e r a l 脚s ei n 钯舭eb u s ) ，即通用接口总线1 9 6 5 年惠普公司 ( h e w l e t t p a c k a r d ) 设计了惠普接口总线( 肿i b ) ，并将其用于连接惠普公司生 产的计算机和可编程仪器，由于其具有转换速率快的优点，这种接口总线很快得 到普遍认可，并为美国电气及电工工程师协会( i e e e ) 和国家电工委员会( i e c ) 定义为程控仪器和自动测控系统的标准接口，即i e e e 标准4 8