水平儀計量檢定過程的信息化融合技術

王毅　徐煒東　張榮閣

摘要：該文以水平儀計量檢定規(guī)程為核心，根據(jù)檢定過程的技術要求，結合計算機軟件技術，設計了用于實際計量檢定過程的信息化融合軟件輔助檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備軟件交互界面與檢定流程相對應的技術特點，使檢定過程交互隨動，從而使計量檢定過程更加合理、規(guī)范，最大限度地減少了操作和處理數(shù)據(jù)所造成的誤差，提高了工作效率。

關鍵詞：水平儀；計量檢定；數(shù)據(jù)處理；信息化融合

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044（2016）13-0246-03

1 概述

電子水平儀和合像水平儀（以下合稱水平儀）是一種小角度測量儀器，主要用于測量相對水平面的傾斜角度，也可用來測量兩部件的平行度、導軌的直線度和工作平面的平面度。

水平儀的檢定按照中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程JJG103-2005《電子水平儀和合像水平儀》進行，該規(guī)程適用于電子水平儀和分度值為0.01mm/m 的合像水平儀的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢驗。

水平儀的檢定內容包括：1）外觀；2）各部分相互作用；3）分度盤棱邊上邊緣至指標線表面的距離；4）工作面平面度；5）工作面表面粗糙度Ra；6）0.01mm /m與1mm/m的刻線間符合性；7）以V形工作面繞水平心軸傾斜±5°時示值變化量；8）零值誤差；9）各量程零位一致性；10）讀數(shù)穩(wěn)定時間；11）漂移；12）重復性；13）示值誤差等13項。

在重復性檢定時，要求將正弦規(guī)放置在平板上構成一水平傾角，用調至最小量程擋的水平儀對該傾角進行7 次重復測量，其最大差值的絕對值為重復性。且檢定應在相對間隔約 2/3 量程的兩個位置進行。

在示值誤差檢定時，允許采用兩種方法，即使用小角度檢查儀檢定方法和使用正弦規(guī)檢定方法。檢定位置和數(shù)量有如下規(guī)定：

指針式電子水平儀指示器：全量程范圍：11點；側微器：全量程范圍： 4～6點。

數(shù)顯式電子水平儀：測量范圍：11點。

合像水平儀：全量程范圍：11點、量程中點±1 m m / m范圍：11點。

水平儀的示值誤差檢定要求：在正、反行程方向上進行。

從檢定的重復性和示值誤差要求可以看出：檢定將產生多組、多類檢測數(shù)據(jù)。同時，也將帶來對檢測數(shù)據(jù)處理分析的復雜性。

本文要探討的是將計算機信息及軟件技術應用到計量檢定的整個過程并深入到具體細節(jié)的技術方法，該方法可以稱之為“計量檢定過程的信息化融合”。

從檢定內容、檢定流程和檢定操作規(guī)范性考慮，信息化內容可分為檢定流程的交互引導（包括檢定工具和設備的使用）、后臺數(shù)據(jù)處理模型和數(shù)據(jù)前臺交互設計三個方面。

上述三個方面的設計，將有效解決檢定操作過程的規(guī)范化、檢定數(shù)據(jù)處理的自動化和檢定過程及數(shù)據(jù)的信息化問題。從而使水平儀的計量檢定和計算機信息處理的強大功能相融合，極大提高水平儀檢定工作的效率。

2 水平儀結構介紹

本文涉及的水平儀包括：指針式電子水平儀、數(shù)字顯示式電子水平儀和合像水平儀三種。三種水平儀的外部結構見圖1、圖2和圖3所示。

3 檢定過程信息化融合設計

3.1 檢定流程的交互

檢定流程的交互是指：將計量檢定規(guī)程中的內容按檢定操作時序和功能分類，采用相應的計算機軟件技術將整體順序和各個功能進行模塊化設計，從而使操作人員可以根據(jù)軟件設計的人機交互界面的提示進行交叉作業(yè)，最終規(guī)范化地完成整個計量檢定過程。

按照計量檢定規(guī)程JJG 103—2005《電子水平儀和合像水平儀》的內容和技術要求，結合信息化軟件的設計方法，功能模塊設計有如下幾個方面：

1）信息模塊

信息模塊是將計量檢定規(guī)程中的全部文檔信息和圖片信息進行分類，按檢定操作時序把分類的子模塊嵌入到各流程環(huán)節(jié)的合理位置，在系統(tǒng)運行時，在合適的時間完成顯示提示，幫助操作人員規(guī)范化操作，提高工作效率和準確性。

2）選擇模塊

選擇模塊是計算機人機交互的重要方法，在整個計量檢定過程中，操作人員需要進行諸多選擇，如：檢定設備、檢定標準、測量方法和檢定工具的選擇等。信息化軟件系統(tǒng)設置多種選擇模塊，在程序執(zhí)行進程中提供給用戶選擇，在主選擇結束后，相應的子選擇項也隨之改變，從而保證計量檢定流程的準確性和合理性。

3）數(shù)據(jù)交互模塊

數(shù)據(jù)交互模塊是指在信息化系統(tǒng)運行時，在特定的檢定環(huán)節(jié)產生的對應數(shù)據(jù)的錄入（包括人工和自動），本文的錄入指人工輸入。數(shù)據(jù)輸入到軟件界面相應的文本框后，無需計算的數(shù)據(jù)將保存在后臺數(shù)據(jù)庫對應的數(shù)據(jù)表內，需要計算的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理模塊中進行計算。計算結果實時顯示在計算機界面上，從而實現(xiàn)信息交互傳遞。

4）數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊是信息化的核心之一，無論是系統(tǒng)自動采集或人工錄入的數(shù)據(jù)，需要計算時，軟件系統(tǒng)根據(jù)程序預先建立的數(shù)學模型，合理快捷地將相關數(shù)據(jù)按技術要求進行運算并按管理要求進行保存和顯示。該模塊是提高計量檢定工作效率的核心引擎。

3.2 信息模塊設計

1）檢定規(guī)程信息導航設計

設計導航欄，用戶選擇相應內容時，顯示檢定規(guī)程的技術要求。內容包括：檢定規(guī)程概覽信息，如：檢定規(guī)程名稱、編號、發(fā)布日期、實施日期、歸口單位、起草單位等；檢定規(guī)程內容導航，如：檢定規(guī)程適用范圍、引用文獻、總體概述（文檔和圖片）、計量性能要求、通用技術要求、計量器具控制及附錄等。內容顯示及操作方式有兩種，一是用戶順序執(zhí)行程序時，相關信息自動顯示在界面?zhèn)冗吿崾緳冢欢怯脩魡螕魧Ш綏l上相應欄目并激活子欄目顯示對應信息。例如：當用戶單擊導航欄“計量器具控制”時，“檢定條件”、“檢定項目”“檢定方法”等子欄目彈出，再單擊“檢定條件”下的“檢定環(huán)境條件”時，將彈出顯示下表所示內容：

3.3 流程原理與信息交互

在檢定過程開始時，首先運行本信息系統(tǒng)。系統(tǒng)流程與信息交互框圖見圖4所示。在程序運行的各個階段，用戶界面同時運行對應信息模塊，提示用戶操作。

圖中，三個選擇環(huán)節(jié)分別為用戶提供：設備種類選擇、檢定工具選擇和檢定項目選擇。其中設備種類選擇包括：指針式電子水平儀、數(shù)字顯示式電子水平儀和合像水平儀三種。檢定工具選擇包括：小角度檢查儀、正弦規(guī)、量塊平板、心軸、刀口形直尺、塞尺、表面粗糙度比較樣塊、秒表等。檢定項目選擇包括：首次檢定、后續(xù)檢定、使用中檢定三類及上述類別中涉及的各種規(guī)程規(guī)定的檢定項目。

數(shù)據(jù)計算由后臺數(shù)據(jù)處理模塊完成，數(shù)據(jù)處理結束后自動保存在數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)交互模塊設計

數(shù)據(jù)交互主要在用戶界面中進行。因此，用戶界面的設計按照以下格局進行。圖中，界面左側為數(shù)據(jù)的輸入和計算結果輸出功能區(qū)。功能區(qū)給出了計算公式、單位、輸入文本框和輸出文本框。右側區(qū)域顯示按照規(guī)程進行檢定時，該環(huán)節(jié)的技術要求。下方配置功能按鈕，用戶可以點擊實現(xiàn)具體操作。

數(shù)據(jù)處理模塊設計

按照檢定規(guī)程，數(shù)據(jù)計算與處理包括：零值誤差的計算、水平儀示值誤差計算、最終結果的數(shù)據(jù)處理等。本文以水平儀示值誤差計算為例，描述數(shù)據(jù)處理模塊的設計。

在示值誤差檢定時，允許采用兩種方法，即使用小角度檢查儀檢定方法和使用正弦規(guī)檢定方法。

使用小角度檢查儀檢定方法

根據(jù)檢定規(guī)程的描述，在小角度檢查儀上檢定水平儀的示值誤差所用的量塊尺寸按式 （1） 計算：

式中： ri為i點的偏差讀數(shù)，格；Li，L0—分別為檢定i點和起始點位置時，所用量塊的實際尺寸偏差，μm；d—水平儀分度值，mm/m。

對于合像水平儀和指針式電子水平儀，取正、反兩行程方向上各檢定位置的示值誤差δi的絕對值最大者為水平儀的示值誤差δ。對于數(shù)顯式電子水平儀，正、反兩行程方向上各檢定位置的示值誤差δi均應滿足測量范圍內：±（1+A×2%）（的要求。式中A為檢定位置標稱值的絕對值，（值與電子水平儀相應量程檔的分辨力數(shù)值相同。

使用正弦規(guī)檢定方法

根據(jù)檢定規(guī)程的描述，正弦規(guī)所墊量塊尺寸L按式 （4） 計算：

式中：l—正弦規(guī)兩圓柱軸線間距，mm；H—檢定位置的標稱示值，mm/m 。

各檢定位置的水平儀讀數(shù)值rk與相應正弦規(guī)產生的角度值（△x之差為各檢定位置的示值誤差。檢定完零位一側測量范圍的示值誤差后，將水平儀調轉 180°方位，用相同的方法檢定零位另一側測量范圍的示值誤差。

根據(jù)檢定方法的區(qū)別和每個檢定方法所采用的數(shù)學模型設計程序流程，軟件原理框圖如圖6所示。

軟件設計平臺與數(shù)據(jù)庫

軟件設計開發(fā)平臺選擇Microsoft Visual Studio 2012，設計語言選用C++；數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Access 2007設計平臺。

數(shù)據(jù)庫設計4個與程序功能對應的數(shù)據(jù)表，分別是：人員管理表、規(guī)程信息表、檢定數(shù)據(jù)表和信息查詢輸出表。

人員管理表：用于用戶使用本軟件系統(tǒng)的登錄、操作、維護管理。包括：系統(tǒng)ID、姓名、密碼、崗位、持證信息、角色信息（檢定、核驗、審批）、查詢及操作權限等。

規(guī)程信息表：用于保存檢定規(guī)程中各種技術要求信息。可由程序按隨機方式或流程節(jié)點調用顯示。

檢定數(shù)據(jù)表：保存測試過程的實時數(shù)據(jù)和最終結果數(shù)據(jù)。

信息查詢輸出表：提供各種查詢結果并作為信息打印輸出的臨時表。

上述數(shù)據(jù)庫表的內容由C++語言程序在主程序或個子程序模塊中調用，將數(shù)據(jù)讀出顯示或將測量數(shù)據(jù)寫入保存。在需要查詢時，用戶可以進行單項或組合查詢。

4 結束語

通過對計量檢定規(guī)程JJG103-2005《電子水平儀和合像水平儀》的格式、檢定環(huán)境、檢定器具、檢定通用技術要求、檢定數(shù)據(jù)處理方法等內容的具體分析，總結出該計量檢定過程的基本規(guī)律。結合現(xiàn)代軟件工程設計技術和數(shù)據(jù)處理方法，將整個計量檢定過程與計算機軟件交互融合，使檢定操作過程在計算機軟件的規(guī)范化、層次化、標準化框架模式下高效運行。整個軟件設計流程符合計量檢定規(guī)程的要求，使計量檢定工作效率大大提升。同時，由于計算機軟件流程的介入和計算方法的更新，降低了人為因素造成的操作和計算誤差。本文的設計思路更加適合能夠實現(xiàn)設備通訊功能的計量檢定自動化流程和涉及復雜的數(shù)據(jù)處理計算的儀器檢定過程。

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