基于机器视觉的数显电测量仪表质量群检系统

摘要

本发明涉及一种基于机器视觉的数显电测量仪表质量群检系统，其包括工业计算机，所述工业计算机与条码扫描仪、工业相机以及程控标准源连接，工业相机与待测数显电测量仪表一一对应，程控标准源通过分配继电器与若干待测数显电测量仪表连接，所有的待测数显电测量仪表通过分配继电器的触点与仪表供电电源连接，分配继电器还与工业计算机连接，工业计算机能控制分配继电器内相应触点的开关状态，以控制待测数显电测量仪表与程控标准源以及仪表供电电源的连接状态；本发明智能化程度高，适宜于中小型仪表生产企业的低附加值数显产品，特别是无通信接口数显电测量仪表的出厂检测，检测效率高，适应范围广，安全可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测系统，尤其是一种基于机器视觉的数显电测量仪表质量群检系统，属于仪表智能检测的技术领域。

背景技术

数显电测量仪表是指采用数字读数形式输出显示的电量测量仪表，其在工业生产、日常生活中有广泛的应用。根据显示装置的不同，数显电测量仪表可分为数码管和液晶屏式两大类。根据测量电的相数不同，一般分为单相与三相。根据测量信号的不同，其可分为电压表、电流表、功率表与频率表等。这些仪表在生产完成后，需要对它们进行出厂检验，以判断其外观是否破损、显示装置是否正常、其精确度(基本误差)是否满足国家标准或者行业规定的要求。其中，基本误差检验耗时较长，一般需要在量程范围内取近似等分的5个点进行测试。基本误差测试时，将所取点值对应的标准测试源信号输入仪表，与仪表测得并显示输出的值进行比较，根据测量值与标准测试信号真值的偏差来判断仪表是否满足精度要求。

目前，国内对数显电测量仪表的出厂检测工作主要有数字通讯法、人工法与机器视觉法。对于带有数据通讯接口的高端数显仪表，其基本误差检测一般采用数字通信法，其外观与显示检测采用人工法或者机器视觉法。对于无数据通讯接口的低附加值仪表，基本误差、外观与显示装置检测则都采用人工法或机器视觉法。人工法采用人工加标准测试信号，然后观测仪表表面显示读数，同时查看外观与显示装置，来判断产品是否合格。这种判别方法受人的主观因素，如人的观测角度、距离及疲劳强度等影响，可靠性不高，检测效率低，劳动强度大。现有机器视觉法或是设计昂贵的专用生产线全自动批量检测仪表，具有投入大，不适宜于多型号、小批量的中小企业生产模式。或是在出厂检验环节设计针对单表检测的半自动化机器视觉系统，仪表需要手工安装到视觉检测工装上，每次只检测单只仪表，效率较低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于机器视觉的数显电测量仪表质量群检系统，其适宜于中小型仪表生产企业的低附加值数显产品的出厂检测，具有智能化程度好、检测效率高，适应范围广，安全可靠等优点。

按照本发明提供的技术方案，所述基于机器视觉的数显电测量仪表质量群检系统，包括工业计算机，所述工业计算机与用于扫描待测数显电测量仪表上条码信息的条码扫描仪、用于获取待测数显电测量仪表图像信息的工业相机以及用于向待测数显电测量仪表加载测试信号的程控标准源连接，工业相机与待测数显电测量仪表一一对应，程控标准源通过分配继电器与若干待测数显电测量仪表连接，所有的待测数显电测量仪表通过分配继电器的触点与仪表供电电源连接，分配继电器还与工业计算机连接，工业计算机能控制分配继电器内相应触点的开关状态，以控制待测数显电测量仪表与程控标准源以及仪表供电电源的连接状态；

条码扫描仪扫描待测数显电测量仪表的条码信息并将扫描的条码信息传输至工业计算机内，在收到待测数显电测量仪表的条码信息后，工业计算机通过与所述进行条码扫描的待测数显电测量仪表对应的工业相机获取待测数显电测量仪表未供电的外观图像以及供电后的上电全显图像，且工业计算机根据条码信息提取预先存储在工业计算机内并与所述条码信息匹配的标准数显电测量仪表外观图像模板以及标准数显电测量仪表上电全显图像模板，工业计算机采用模板匹配法将待测数显电测量仪表的外观图像、上电全显图像分别与标准数显电测量仪表外观图像模板、标准数显电测量仪表上电全显图像模板进行比较匹配，以确定并输出所述待测数显电测量仪表的外观质量以及显示质量；

工业计算机能控制分配继电器以及程控标准源向所述进行条码扫描后的待测数显电测量仪表加载所需的基本误差测试信号，并通过对应的工业相机获取所述待测数显电测量仪表在加载基本误差测试信号后的基本误差测试图像，工业计算机根据获取的基本误差测试图像确定与基本误差测试信号相对应的仪表读数，工业计算机根据确定的仪表读数确定所述待测数显电测量仪表在基本误差测试时的基本误差，并根据所述基本误差判定所述待测数显电测量仪表的精度。

所述程控标准源、分配继电器通过232/485转换器与工业计算机连接，工业相机通过PCIExpress x16总线接口与工业计算机连接。

所述待测数显电测量仪表包括电流表、电压表、功率表、无功功率表、功率因数表或频率表，所述待测数显电测量仪表的显示形式包括液晶显示或数码管显示。

工业计算机通过工业相机获取待测数显电测量仪表未上电的外观图像后，将待测数显电测量仪表未上电的外观图像进行切割分离，以得到待测字符区域、待测图标区域以及待测标签区域；

工业计算机将得到的待测字符区域、待测图标区域以及待测标签区域与标准数显电测量仪表外观区域相对应的区域模板直接进行匹配对比，且工业计算机进行匹配对比的方法为：

$>d=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left|(S(i,j)-T(i,j))\right|$>

其中，d为相似性度量函数的匹配度量值，S为M*N大小的待测区域图像，T为同样大小的模板图像，(i，j)为图像上像素点的坐标。

工业计算机通过分配继电器以及仪表供电电源统一为所有的待测数显电测量仪表供电，待测数显电测量仪表由仪表供电电源供电后，待测数显电测量仪表进行上电自检；

工业计算机通过工业相机获取对应待测数显电测量仪表的上电自检视频，并在工业相机获取的上电自检视频中得到所述待测数显电测量仪表的上电全显图像；工业计算机获取到上电全显图像后，使用模版匹配的方法判断所述待测数显电测量仪表的显示装置的显示质量。

所述工业计算机根据条码扫描仪传输的条码信息自适应判断与所述条码信息相对应的待测数显电测量仪表的仪表类型；根据判断待测数显电测量仪表的类型，工业计算机控制分配继电器以及程控标准源向所述进行条码扫描的待测数显电测量仪表加载所需的基本误差测试信号。

工业计算机对待测数显电测量仪表加载基本误差测试信号进行基本误差测试时，在等待当前基本误差测试信号对应的待测数显电测量仪表的输出显示稳定期间，工业计算机利用GPU加速对上一基本误差测试信号对应的基本误差测试图像进行并行处理，以确定基本误差测试图像对应的仪表读数。

工业计算机利用卷积神经网络识别基本误差测试图像对应的仪表读数，并计算所述基本误差测试信号下仪表读数的引用误差，所述引用误差为：

$>r_n=\frac{|x_n-x_c|}{x_{\max }-x_{\min }}\times 100\%$>

其中，x_n为标准数显电测量仪表的标准示数值，x_c为待测数显电测量仪表在基本误差测试信号下的仪表读数，x_max-x_min为待测数显电测量仪表的仪表量程；

在对待测量数显电测量仪表加载完基本误差测试信号，工业计算机取引用误差的最大值为基本误差R；若基本误差R大于规定值，则所述待测数显电测量仪表的精度不合格，否则，所述待测量数显电测量仪表的精度合格。

与现有技术相比，本发明具有以下的有效效果：

通过工业相机获取待测数显电测量仪表的图像，工业计算机根据工业相机得到的图像信息对待测数显电测量仪表进行检测，用机器视觉代替人眼对多个仪表同时进行检测，避免了由于人主观因素造成的误差和错误，提高了检测的可靠性，提高了检测的精度和效率，提高了检测过程的自动化程度，减少了人力资源的投入。基于计算机友好人机界面，操作简单，方便实现检测数据的记录和查看，兼用性好，能检测不同类型、大小的各类数显仪表。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明待测数显电测量仪表的一种外观示意图。

图3为本发明的流程图。

附图标记说明：1-工业相机、2-条码扫描仪、3-232/485转换器、4-程控标准源、5-分配继电器、6-工业相机、7-PCI Express x16总线接口、8-待测数显电测量仪表以及9-仪表供电电源。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图3所示：为了能适用于中小型仪表生产企业的低附加值数显仪表的出厂检测，实现同时对多个数显仪表检测，提高检测效率，降低检测成本，本发明包括工业计算机1，所述工业计算机1与用于扫描待测数显电测量仪表8上条码信息的条码扫描仪2、用于获取待测数显电测量仪表8图像信息的工业相机6以及用于向待测数显电测量仪表8加载测试信号的程控标准源4连接，工业相机6与待测数显电测量仪表8一一对应，程控标准源4通过分配继电器5与若干待测数显电测量仪表8连接，所有的待测数显电测量仪表8通过分配继电器5的触点与仪表供电电源9连接，分配继电器5还与工业计算机1连接，工业计算机1能控制分配继电器5内相应触点的开关状态，以控制待测数显电测量仪表8与程控标准源4以及仪表供电电源9的连接状态；

条码扫描仪2扫描待测数显电测量仪表8的条码信息并将扫描的条码信息传输至工业计算机1内，在收到待测数显电测量仪表8的条码信息后，工业计算机1通过与所述进行条码扫描的待测数显电测量仪表8对应的工业相机6获取待测数显电测量仪表8未上电的外观图像以及上电后的上电全显图像，且工业计算机1根据条码信息提取预先存储在工业计算机1内并与所述条码信息匹配的标准数显电测量仪表外观图像以及标准数显电测量仪表上电全显图像，工业计算机1采用模板匹配法将待测数显电测量仪表8的外观图像、上电全显图像分别与标准数显电测量仪表外观图像模板、标准数显电测量仪表上电全显图像模板进行比较匹配，以确定并输出所述待测数显电测量仪表8的外观质量以及显示质量；

工业计算机1能控制分配继电器5以及程控标准源4向所述进行条码扫描的待测数显电测量仪表8加载所需的基本误差测试信号，并通过对应的工业相机6获取所述待测数显电测量仪表8在加载基本误差测试信号后的基本误差测试图像，工业计算机1根据获取的基本误差测试图像确定与基本误差测试信号相对应的仪表读数，工业计算机1根据确定的仪表读数确定所述待测数显电测量仪表8在基本误差测试时的基本误差，并根据所述基本误差判定所述待测数显电测量仪表8的精度。

具体地，工业计算机1与多台彩色的工业相机6连接，工业相机6与待测数显电测量仪表8呈一一对应关系，即在对多个待测数显电测量仪表8同时进行检测时，通过一个工业相机6来获取对应待测数显电测量仪表8的图像。工业相机6在对待测数显电测量仪表8图像采集时，工业相机6与待测数显电测量仪表8之间的位置保持稳定。一般地，在具体实施时，工业相机6与待测数显电测量仪表8固定安装在仪表测试架上，工业相机6与待测数显电测量仪表8之间呈正对应，即工业相机6能获取待测数显电测量仪表8正面的图像。在同时对多个待测数显电测量仪表8检测时，多个待测数显电测量仪表8的类型可以相同或不同，具体可以根据检测需要进行设置。

所述程控标准源4、分配继电器5通过232/485转换器3与工业计算机1连接，工业相机6通过PCI Express x16总线接口7与工业计算机1连接。

所述待测数显电测量仪表8包括电流表、电压表、功率表、无功功率表、功率因数表或频率表，待测数显电测量仪表8的电量输入形式包括单相与三相，待测数显电测量仪表8的显示形式包括液晶显示或数码管显示。

本发明实施例中，适用于国标《安装式数字显示电测量仪表》(GB/T 22264-2008)中规定的各类数显电测量仪表的出厂检验，主要包括电流表、电压表、功率表、无功功率表、功率因数表、频率表等，此外，对应国标中《工业过程测量和控制系统用模拟输入数字指示仪》(GB/T 13639-2008)包含的部分仪表也适用。

在有多个待测数显电测量仪表8时，所有的待测数显电测量仪表8通过分配继电器5的一个触点与仪表供电电源9连接，通过仪表供电电源9为所有的待测数显电测量仪表8供电，以方便待测数显电测量仪表8进行全显以及基本误差测试。

程控标准源4通过分配继电器5内的触点与待测数显电测量仪表8对应连接，即工业计算机1通过控制分配继电器5内触点的开闭状态，使得程控标准源4对不同的待测数显电测量仪表8进行加载测试信号。程控标准源4可以采用本技术领域常用的设备，具体为本技术领域人员所熟悉，此处不再赘述。分配继电器5即可由单片机控制的继电器组实现，也可为工业中常用的可编程控制器系统。

进一步地，工业计算机1通过工业相机6获取待测数显电测量仪表8未上电的外观图像后，将待测数显电测量仪表8未上电的外观图像进行切割分离，以得到待测字符区域、待测图标区域以及待测标签区域；

工业计算机1将得到的待测字符区域、待测图标区域以及待测标签区域与标准数显电测量仪表外观区域相对应的区域直接进行匹配对比，且工业计算机1进行匹配对比的方法为：

$>d=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left|(S(i,j)-T(i,j))\right|$>

其中，d为相似性度量函数的匹配度量值，S为M*N大小的待测区域图像，T为同样大小的图像模板，(i，j)为图像上像素点的坐标。

如图2所示，将正常光照下的标准数显电测量仪表的图像存储在工业计算机1内，标准数显电测量仪表是指外观符合质量要求的数显电测量仪表，标准数显电测量仪表外观图像是指标准数显电测量仪表在未通电显示状态下的外观图像，此时，标准数显电测量仪表的显示区域无相关显示信息。工业计算机1将标准数显电测量仪表外观图像进行通道分离、图像预处理和区域分割，从而能得到标准字符区域图像模板、标准图标区域图像模板以及标准标签区域图像模板，工业计算机1对标准数显电测量仪表外观图像进行模板生成时可以采用常用的技术手段，具体实施过程为本技术领域人员所熟知。

工业计算机1将待测数显电测量仪表的外观图像与标准数显电测量仪表外观图像采用模板匹配法进行比较匹配时，将待测字符区域图像、待测图标区域图像以及待测标签区域图像分别与标准字符区域图像模板、标准图标区域图像模板以及标准标签区域图像模板进行直接匹配，即上述待测区域图像S包括待测字符区域、待测图标区域以及待测标签区域，模板图像T为标准字符区域图像模板、标准图标区域图像模板以及标准标签区域图像模板。

工业计算机1在对待测区域图像S进行匹配时，匹配度量值d越小，则说明待测区域图像与模板图像匹配程度越高。匹配度量值d大于设定的阈值时，则认为待测区域图像与模板图像不匹配，则说明待测数显电测量仪表8的外观图像不合格，对于匹配度量值d判断的阈值可以根据需要进行设定，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

本发明实施例中，在对待测数显电测量仪表8进行未供电的外观图像进行匹配比较后，工业计算机1通过分配继电器5使得仪表供电电源9对所有的待测数显电测量仪表8进行供电。在待测数显电测量仪表8上电后，开始自检，在此过程中，工业相机6一直处于视频采集状态。在自检完成后，工业计算机1根据待测数显电测量仪表8上电到出现全显状态的时间间隔相对固定这一特点，初步定位出全显信号对应的图像在自检视频中的大概位置，从而缩小寻找上电全显图像帧对应视频段的范围。然后，采用图像灰度统计的方法，从缩小范围后的自检视频段中找出显示区域为全显状态的图像，即得到待测数显电测量仪表8的上电全显图像。

由于本发明实施例中的待测数显电测量仪表8均为无通信接口的低端仪表，因此难以直接得到所述待测数显电测量仪表8的上电全显图像，只能通过工业相机6对待测数显电测量仪表8的自检视频中截取，以得到待测数显电测量仪表8对应的上电全显图像，即解决了现有无通信接口的低端数显电测量仪表无法进行上电全显的质量判断。

工业计算机1内预先存储有与所述待测数显电测量仪表8相匹配的标准显示区域图像，工业计算机1将待测数显电测量仪表上电全显图像与标准数显电测量仪表上电全显图像模板进行匹配比较，根据匹配结果判断显示区域的质量。在具体实施时，标准数显电测量仪表上电全显图像为仅包含显示区域的图像，具体匹配比较的过程可以参考上述待测数显电测量仪表的外观图像与标准数显电测量仪表外观图像的匹配比较过程，此处不再赘述。

工业计算机1对待测数显电测量仪表8进行外观图像以及上电全显图像进行检测后，可以检测仪表表面是否有磨损、仪表表面标签是否粘贴准确、数码管或液晶显示是否有缺笔等不合格情况。

工业计算机1在对待测数显电测量仪表8进行外观以及显示区域检测后，需要对待测数显电测量仪表8进行基本误差测定。在对待测数显电测量仪表8进行基本误差测定时，工业计算机1根据条码扫描仪2传输的条码信息自适应判断与所述条码信息相对应的待测数显电测量仪表8的仪表类型；根据判断待测数显电测量仪表8的类型，工业计算机1控制分配继电器5以及程控标准源4向所述进行条码扫描的待测数显电测量仪表8加载所需的基本误差测试信号，所述加载所需的基本误差测试信号包括加载信号的类型以及标准测试信号值序列，如单相电压表校验需要程控标准源4提供5个电压信号，取值约为单相电压表量程范围内的5等分，然后工业计算机1通过程控标准源4以及分配继电器5向待测数显电测量仪表8加载基本误差测试信号，以使得待测数显电测量仪表8在接到基本误差测试信号后，在显示区域产生相应的示数。

一般地，在待测数显电测量仪表8内加载一个基本误差测试信号，并至待测数显电测量仪表8的示数稳定时，工业计算机1通过工业相机6来采集待测数显电测量仪表8的显示画面并保存。在一个基本误差测试信号对应的显示图像采集完成后，工业计算机1控制程控标准源4输出下一个基本误差测试信号。

为了提高检测效率，本发明实施例中，工业计算机1对待测数显电测量仪表8加载基本误差测试信号进行基本误差测试时，工业计算机1利用GPU加速对上一基本误差测试信号对应的基本误差测试图像进行并行处理，以确定基本误差测试图像对应的仪表读数。即在等待当前基本误差测试信号对应待测数显电测量仪表8的示数稳定过程中，工业计算机1对上一个基本误差测试信号确定的基本误差测试图像进行处理，根据基本误差测试图像来确定待测数显电测量仪表8在上一个基本误差测试信号下的仪表读数。

本发明实施例中，当工业计算机1控制程控标准源4输出基本误差测试信号后，程控标准源4输出稳定的基本误差测试信号需要时间，待测数显电测量仪表8在当前的基本误差测试信号下得到稳定的输出也需要一段时间，一般地，两者的时间加起来至少3～5秒以上。所以，在这个间隔期间这对上一个基本误差测试信号测试的图像进行处理，充分利用了稳定间隔时间，能有效提高检测效率。

工业计算机1利用卷积神经网络识别基本误差测试图像对应的仪表读数，并计算所述基本误差测试信号下仪表读数的引用误差，所述引用误差为：

$>r_n=\frac{|x_n-x_c|}{x_{\max }-x_{\min }}\times 100\%$>

其中，x_n为标准数显电测量仪表的标准示数值，x_c为待测数显电测量仪表8在基本误差测试信号下的仪表读数，即仪表读数x_c为通过卷积神经网络识别的读数，x_max-x_min为待测数显电测量仪表8的仪表量程；

在对待测量数显电测量仪表8加载完基本误差测试信号，工业计算机1取引用误差的最大值为基本误差R；若基本误差R大于规定值，则所述待测数显电测量仪表8的精度不合格，否则，所述待测量数显电测量仪表8的精度合格。

本发明实施例中，在工业计算机1进行基本误差测试时，待测数显电测量仪表8的仪表读数识别采用卷积神经网络进行识别，字符分割得到的图像可直接作为算法的输入，简化图像预处理环节，同时卷积神经网络具有抗平移，缩放等几何形变的能力，可以排除屏幕保护膜、外部光源等干扰因素的影响，提高识别准确率；因此，可以不需要采用外部光源，能在自然光或自然照明条件下完成识别。工业计算机1在采用卷积神经网络识别时，需要在工业计算机1内建立卷积神经网络识别系统，具体可以通过采集样本、有监督学习等方式得到。在工业计算机1内建立卷积神经网络系统的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。当然，在具体实施时，还可以采用其他常规的技术手段来获得待测数显电测量仪表8的仪表读数，具体不再赘述。

仪表精度是根据国家规定的允许误差大小分成几个等级的，某一类仪表的允许误差是指在规定的正常情况下允许的百分比误差的最大值。即根据基本误差R判定精度的规定值可以根据国家规定的数据来确定，对于不同的待测数显电测量仪表8具有不同的规定值，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

本发明工业计算机1在获得待测数显电测量仪表8的外观、上电全显以及基本误差测试的检测结果后，工业计算机1将相应的结果进行存储，并通过报表等形式将待测数显电测量仪表8的检测结果进行输出。