數字式萬用表全自動檢定裝置的研制和應用

顧杲，卲彭飛，魯瑛

（國網浙江省電力公司紹興供電公司客戶服務中心，浙江紹興312000）

數字式萬用表全自動檢定裝置的研制和應用

顧杲，卲彭飛，魯瑛

（國網浙江省電力公司紹興供電公司客戶服務中心，浙江紹興312000）

針對傳統萬用表檢定工作人工檢定模式存在的工作效率低、測量數據易人為干預和安全隱患等狀態，研究和設計了一種基于圖像識別和檔位智能切換技術的數字式萬用表全自動檢定裝置，并在實際計量檢定工作中進行應用，極大地提高了檢定工作效率和計量工作的標準化、智能化程度。

萬用表；自動檢定；圖像處理；智能切換

0 引言

萬用表是電力系統常用的儀表之一，應用非常廣泛，它的測量精度準確與否，輕則關系檢修施工的質量，重則關系到設備、人身安全。因此，必須加強萬用表的日常維護、維修和定期檢定工作，保證其在合格范圍之內。

傳統的萬用表檢定工作是由檢定人員完成接線后，控制標準電源逐點、逐檔升流、升壓至測量點，人工隨各點、各檔讀取萬用表顯示值和標準源示值，輸入計算機的電子表格，計算各點、各檔測量誤差，最后完成檢定證書。由于萬用表測量功能全、檔位多，依據JJG 124－2005《電流表、電壓表、功率表及電阻表檢定規程》的要求，受人工作業影響，檢定工作效率低，數據人為干預易引發檢定質量問題。同時檢定過程需要經常接、拆線，以及調整各檔位量程，存在安全隱患，比如對高電壓、大電流等量程檢定時，可能會因接線錯誤造成表計損壞，嚴重的將對檢定人員人身安全構成威脅。

近年來隨著電網的發展、檢修施工工作的需要，萬用表檢定量也在逐年增加，如2012年國網紹興供電公司共送檢萬用表428只，原檢定工作一直采用傳統的人工作業模式，已難以滿足各送檢單位即檢即用的要求，制約著檢定工作的效益。為此，開發了數字式萬用表全自動檢定裝置，極大地提高了萬用表檢定工作效率，也為計量工作集約化、標準化提供了條件。

1 檢定裝置構成

數字式萬用表全自動檢定裝置（簡稱檢定裝置）通過生產計劃和選定的檢定方案，借助智能切換裝置在不變更接線的情況下自動切換不同的電壓、電流測量量程，以及采用圖像采集裝置自動獲取和識別萬用表顯示數值，供檢定系統進行誤差處理，實現數字式萬用表全自動檢定。

檢定裝置由萬用表全自動檢定系統平臺和檢定硬件機構組成，其中檢定系統平臺由參數設置、智能切換、表計檢定、數據管理、系統維護5個部分組成，如圖1所示。

圖1 檢定系統平臺框架

硬件機構由高精度的萬用表檢定裝置（提供標準信號）、圖像采集裝置、PC機和被檢儀表4個部分組成（如圖2所示）。PC機根據被檢儀表要求啟動設定的檢定方案，控制檢定裝置按不同量程、不同檢定點輸出相應的電流、電壓和電阻值至待檢定的萬用表，圖像采集裝置通過攝像頭獲取萬用表測量的數值圖像，經USB口傳送至PC機，PC機對其進行分析處理獲得測量結果，再進行誤差計算，自動形成檢定報告。

檢定系統軟件模塊由信息管理模塊、設備檢定模塊、設備管理模塊、系統維護模塊4個主要部分構成，如圖3所示。

圖2 檢定裝置的硬件結構

圖3 軟件結構

軟件采用Microsoft Windows XP Professional SP3操作平臺；程序語言C；數據庫管理系統SQL Server；運行環境Windows All。管理系統操作界面見圖4，業務流程見圖5。

2 檢定裝置的主要功能

2.1 檢定過程的管理

通過萬用表檢定系統，生成計劃管理，創建檢定方案，確定其檢定項目、檢定點、量程范圍等，并根據檢定方案進行檢定，完成標準量的自動錄入，自動進行誤差計算和修約，自身通過判斷，自動存檔生成檢定報告，并可按照不同的條件進行表計的查詢。

2.2 測量量程檔位的自動切換

通過智能轉換器可以選擇針對不同測量對象量程等，在不換接線的情況下，可自動切換萬用表開關，測量交（直）流電壓、電流和電阻等。

圖4 管理系統界面

圖5 業務流程

2.3 圖像的獲取與識別

通過圖像采集裝置的攝像頭SDK進行實時視頻采集與顯示，抓拍被檢萬用表顯示數字的圖像，對圖像進行濾波、二值化和規格化等圖像處理后提取數字特征，通過模板匹配、神經網絡等模式識別算法，與先前數字樣本特征庫進行比對，完成圖像數字和符號識別，并在系統中自動錄入該點的數據，代替人工通電檢查萬用表記錄測量數據的單調重復過程。

3 關鍵技術的實現

3.1 數字圖像的處理

按檢定系統設置的檢定方案，PC機自動調節標準信號源輸出值，連續步進，自動定位上升誤差、下降變差等參數，通過圖像識別儀，讀出被檢萬用表液晶顯示屏上數值，并在系統中自動錄入該點的數據。檢定系統采用基于BP神經網絡的圖像自動識別技術代替人工操作，自動完成數字和符號識別。

BP神經網絡是一種典型的多層神經網絡[1]，它包含輸入層、隱藏層及輸出層，隱層可以為一層或多層，每層上的神經元稱為節點或單元，它們由可修正的權值互連[2]。其基本思想是：根據訓練樣本和期望輸出來設置合適的權值，不斷的調整網絡連接的權值，使誤差達到實際的要求。

3.2 液晶顯示的數字讀取

3.2.1 數字圖像的獲取

一般的圖像識別，圖像往往處于靜止狀態，但萬用表測量的數據在動態改變，工業相機拍到的數字圖像有可能不全。通過觸發相機同步拍攝功能，并采用高2個等級的建標檢定裝置，解決了可能出現的圖像不全問題。

工業攝像頭獲得的圖像區域較大，萬用表顯示屏的灰度值較高且構成矩形區域，利用這個特點，將圖像區域定位到萬用表數字顯示屏區域，同時根據萬用表顯示，建立定位符（可識別彩色點的標記，在送檢萬用表上貼有色標記或其他有意義的顏色紋理），解決了液晶屏顯示數值圖像的定位問題[3]。

萬用表液晶顯示屏上除了顯示數字外，還有其他的符號（如V，-，Ω等），這些符號相對顯示數字來說很小。由于待檢儀表信息已提前錄入管理系統，萬用表當前的輸出單位和類型系統已默認，因此圖像預處理過程可把它們剔除掉，提高識別率[4]。

3.2.2 數字圖像的特征參數提取

為解決不同萬用表顯示的數字大小不同，且有動態改變問題，檢定系統進行了處理：對每個數字，歸一化為16×8個像素后平均分成8份（見圖6a），統計每一份中黑色像素的百分比得到8個特征參數；統計水平方向中間2行和豎直方向中間2列（見圖6b的粗實線）的黑色象素點的百分比得到4個特征參數；最后統計所有黑色象素點的百分比作為第13個特征參數，構成數字樣本特征庫，作為神經網絡的輸入訓練樣本[5]。

圖6 數字處理

3.3 算法實際應用

先用上述方法離線訓練神經網絡。實際應用時，萬用表測量數據有時會動態變化，相機拍到的數字圖像有可能不全，管理系統軟件識別算法的誤差較大。對此種情況，算法會安排重讀圖像，再次計算，比較誤差，重復5次識別，誤差均超過約定誤差，則得到檢定結果不合格；若連續5次無法識別圖像數字，則提示“數碼相機識別有問題”，本檢定點檢定失敗，需要人工輔助檢定、重新調整萬用表、數碼相機的位置等操作后，重新檢定該點。

圖7 量程自動切換電路

3.4 量程的自動切換

目前萬用表檢定過程中，需要多次改接線以適應不同量程檔位精度等級的檢定，因此從安全性和可靠性方面，首先必須解決手工改接線帶來的安全可靠性問題。在考慮對系統中標準源輸出裝置改動不大的前提下，采用電子開關切換技術和切換自適應算法，設計了智能轉換器，量程自動切換電路如圖7所示。

如果標準源輸出模塊的前級放大倍數固定，大量程與小量程測量精度就會不一致，甚至在某個量程無法測量。比如按照1 000 V檔設計，前級放大倍數為0．005，不能太大，否則放大器會飽和；此外在10 V檔時，最大輸出只有0．05 V，造成某些小信號無法測量。

由標準源的CPU采用自適應量程轉換算法，保證前后級放大倍數協調。在前、后級放大器的反饋回路中，控制Max308電子開關的使能端和輸入控制端，從而控制采集電路初級放大器和次級放大器的不同反饋電阻接通和斷開，達到自動切換量程目的。它可以選擇針對不同測量對象量程檔位等，在不改換接線的情況下，自動切換標準源的輸出，如輸出交（直）流電壓、交（直）電流和電阻等。

4 結語

數字萬用表自動檢定裝置的研制和應用，徹底改變目前傳統的檢定點設置復雜，檢測數據人工記錄、人工干預大、易出錯，檢定效率低，存在安全風險等問題。在行業中具有很大的推廣價值，如數字式測量儀表及電阻箱等檢定工作中，都可以應用這類自動檢定裝置。

[1]藺廣逢，范引娣，張媛，等．主成分分析與BP神經網絡的人臉識別方法研究[J]．現代電子技術，2007（2）∶53－55．

[2]朱正禮．基于三層BP神經網絡的字符識別系統的實現[J]．現代計算機，2006（10）∶93－95．

[3]孫航．基于BP神經網絡的指紋識別[J]．信息與電腦，2011（5）∶32－33．

[4]戴亞文，王三武，李金龍．基于圖像處理技術復雜儀表的自動識別[J]．計量技術，2003（12）∶33－35．

[5]郭勇，吳樂南．行駛車輛的牌照識別系統[J]．測控技術與設備，2000（11）∶37－41．

（本文編輯：陸瑩）

Development and Application of Full-automatic Verification Device of Digital Multimeter

GU Gao，SHAO Pengfei，LU Ying
（Customer Service Centre of State Grid Shaoxing Power Supply Company，Shaoxing Zhejiang 312000，China）

Aiming at the fact that manual verification mode of traditional multimeter verification work is characterized by its low efficiency，human intervention of measured value and potential safety hazard，this papers investigates and designs a full-automatic verification device for the digital multimeter based on image recognition and intelligent gear switching technologies．The device is applied in metering verification，which greatly improves efficiency of verification as well as metering standardization and intelligence．

multimeter；automatic verification；image processing；intelligent switching

TM938．1+2∶TM930．9

：B

：1007－1881（2014）07－0024－04

2013-11-06

顧杲（1969-），男，浙江寧波人，高級技師，從事電測計量及技術管理工作。