質量比較儀校準自動采集及不確定度智能評價系統研究

摘要：質量比較儀是應用于砝碼量值傳遞的電子衡量儀器，其測量數據的準確性與質量量值傳遞的準確性密切相關。質量比較儀校準方法復雜，測量次數多，數據處理繁瑣，同時，不同制造廠生產的質量儀顯示形式不同，數據傳輸格式各異。為解決質量比較儀在校準過程中遇到的問題，本文研制一種智能自動化校準裝置，實現載荷點的自動化選取、加載位置的自主定位、標準砝碼的柔性抓取，完成基于視覺識別和圖像處理的測量數據智能化采集及實時處理，并進行測量不確定度評定，實現質量比較儀的智能自動化校準，提高測量準確性，降低測量誤差。該自動校準方式可在計量技術機構廣泛推廣應用。

關鍵詞：質量比較儀；校準自動采集；不確定度

一、引言

質量比較儀作為質量量值傳遞的重要衡量儀器，廣泛應用于各級計量技術機構、行業計量站、校準檢測機構。其測量結果的準確性與質量量值傳遞的水平密切相關，且影響企事業單位的質量控制能力。隨著質量比較儀的廣泛應用，校準任務日益增多，本文提出一種可通過視覺識別、圖像處理的自動識別系統，提取有效數據，實現載荷點的智能化、自動化選取與定位，完成測量數據的精準提取，實現質量比較儀的智能校準，減少校準過程中的人員參與，降低人為誤差，提高校準效率和準確性。

二、質量比較儀校準項目及誤差分析

質量比較儀作為質量量值溯源專用的衡量儀器，其計量性能準確性直接影響砝碼質量量值的測量結果，對保證質量量值溯源體系的一致性、可靠性至關重要。其校準項目及測量不確定度來源主要包括重復性、示值誤差、局部示值誤差[1]。

（一）重復性

重復性是衡量質量比較儀計量性能最重要的指標。依據砝碼檢定規程，通常通過ABBA或ABA測量循環法減少由環境變化等影響因子引入的誤差[2]，在通過質量比較儀進行砝碼檢定工作時，需對標準砝碼和被檢砝碼質量值進行多次測量，因此，質量比較儀重復性誤差將直接影響測量結果。據統計，其引入的誤差值占比約為80%。重復性作為影響質量比較儀誤差的主要因素，在進行測量的過程中，除了受質量比較儀自身傳感器性能和質量影響外，還與校準用砝碼的加載位置有關。當砝碼落在秤盤中時，其是否位于中心位置將影響數據測試是否出現偏差[3]，而在人工操作質量比較儀進行校準時，加載位置較難保持一致。即使質量比較儀帶有自動定心裝置，載荷加載位置偏差帶來的影響仍不可避免。對于大秤量質量比較儀，這種影響更加明顯。

（二）局部示值

局部示值誤差是最能體現質量比較儀特殊使用領域的校準項目[4]，也是其區別于其他電子質量衡量儀器的重要特征，是對質量比較儀在較小測量范圍內線性誤差的描述。局部示值誤差的存在會導致砝碼檢定結果產生系統誤差且與其他誤差無法區別，因此，其是衡量質量比較儀計量性能的重要指標。局部示值誤差的測量不確定度主要由附加小砝碼引入。小砝碼選擇范圍為質量比較儀分辨率的1000～5000倍。合理選擇小砝碼質量值能合理優化質量比較儀自動校準裝置設計，降低小砝碼夾取難度，降低測量結果的不確定度。

此項不確定度的來源還包括被校比較儀的重復性，校準實驗室內部的溫度波動對標準砝碼和被校比較儀的影響。計算溫度影響的不確定度分量變化量（aT），再乘以標準載荷砝碼（Pt）的質量值；被校比較儀在被測載荷點下的顯示分辨力按ud=來計算；測量局部示值誤差所采用的標準小砝碼的影響，按計算，局部示值誤差測量的擴展不確定度為US=2×。

（三）偏載誤差

偏載誤差的存在對質量比較儀計量性能的影響是多方面的[5]。偏載誤差不僅是質量比較儀測量不確定度的重要來源，還會對重復性數據產生影響，且與其傳感器彈性形變恢復情況等其他因素導致的重復性變化無法區分。在利用質量比較儀進行砝碼質量值測量時，標準砝碼和被檢砝碼交替放置于秤量盤上，砝碼更換必然帶來放置位置的變化，偏載誤差被多次引入。偏載誤差與重復性分別評價對體現質量比較儀計量性能十分重要，但其評定結果與被校比較儀的重復性有關，校準實驗室內部的溫度波動對標準砝碼和被校比較儀的影響。計算溫度影響的不確定度分量變化量（aT），再乘以標準載荷砝碼（Pt）的質量值；則偏載誤差測量的擴展不確定度為UE=2×。

（四）人工加載準砝碼

除了重復性、局部示值誤差及偏載誤差外，人工加載準砝碼是導致質量比較儀校準結果的重要誤差來源。就現有質量比較儀工作的情況來看，在進行測量過程中，應用高等級砝碼，其最大單個砝碼的質量最高可達50kg，需進行人力加載，但是人力加載存在弊端，無法將砝碼重心保持在中心位置，還可能在測量中出現加載時間過長的情況，導致最終測定的數據出現偏移。另外，人工加載砝碼方式導致質量比較儀加載時間延長，放置時間間隔不穩定，從而影響最終測量結果的準確性。人工加載砝碼的方式，砝碼重復性不能落在秤盤的中心位置，延長了數據測量時間，產生的數據偏差足以引發測量誤差。

三、質量比較儀校準自動采集裝置創新

根據上述質量比較儀在工作中出現重復性誤差值、局部示值誤差以及偏差誤差等問題，本文對質量比較儀校準裝置進行改進。通過在質量比較儀設備中配備視覺識別系統，完成對數據的圖像采集，并通過對屏幕圖片的讀數，實現對質量比較儀的自動化校準。

（一）視覺識別

視覺識別系統與質量比較儀的結合，能夠獲取質量比較儀在運行過程中所產生的統一視覺符號，能夠將獲得的視覺信息具象化。視覺識別系統中有完整的視覺傳達體系，能夠獲取質量比較儀工作時產生的抽象化數據，并將這種數據轉化為具體符號。在視覺系統運行過程中，主要依靠基本要素和應用要素兩種形式。在質量比較儀工作過程中，通過獲取質量比較儀的基本要素信息，監測質量比較儀的應用要素信息，從而完成對質量比較儀數據信息的獲取，進而利用傳遞系統將信息傳輸至顯示屏中，為后續系統對圖像的獲取奠定基礎。通過機器視覺系統與質量比較儀的深度結合，能夠自動識別并提取有效數據，完成對數據荷載點智能化、自動化選取和定位，以實現數據的精準捕捉和測量。

（二）圖像采集

為了確保質量比較儀在運行過程中能夠實現自動定位，在機械手臂前端安裝攝像機，通過采集專用砝碼兩側把手和秤盤影像確定著力點位置，以實現對放置位置的自動定位。為了保證機械手臂能夠在質量比較儀運行的過程中在可控范圍內自由移動，滿足砝碼的抓取，在砝碼裝卸機械手的末端安裝保護裝置，以免在移動過程中造成砝碼的損傷。同時，還利用PLC控制和反饋系統作為機械手的精準控制系統，監測機械手在移動過程中是否出現順滑。另外，在系統中配備了基于卷積神經網絡的圖像處理算法，能夠實現對比較儀示值的自動識別。在系統運行過程中，通過深度學習完成對數據信息的自動采集和處理，以便解決不同廠家樣品比較儀數據接口不一致的問題，實現對不同被校比較儀的自動讀數。

（三）屏幕圖片讀數

本文設計了人機友好的界面，搭建準確可靠的數據處理系統，并依據JJF 1326-2011《質量比較儀》校準規范，針對不同量程的質量比較儀設計合理的校準載荷點，配合機械抓取裝置完成標準砝碼的自動選定。在系統運行過程中，選定載荷點加載至比較儀并示值穩定后，視覺系統對顯示屏圖片進行采集，對圖像進行初步處理。通過建立數據集，利用Faster R-CNN算法將目標檢測問題轉換為目標分類問題，并采用LetNet模型進行圖像分類。后續將利用訓練算法提升質量比較儀的數據獲取準確性，確保測量數據誤差能夠被100%檢出。

（四）移動平臺

在校準系統的移動平臺上配備了三軸移動裝置，以實現標準砝碼在砝碼庫及被校質量比較儀之間直接平滑移動。傳動裝置采用光電傳感器進行限位，以實現對砝碼抓手移動位置的準確控制，保證標準砝碼及被校質量比較儀的安全。在標準砝碼抓手上設置小量程移動裝置，并配備局部示值誤差測量用小砝碼專用抓手，以實現小砝碼抓取的精細動作，完成對局部示值誤差的測量。同時，配備視覺定位系統，實現對不同大小秤量盤的位置識別，確定偏載誤差測量位置。

四、質量比較儀校準自動采集不確定度評定系統

為解決質量比較儀校準中存在的問題，本文研發了一套具有砝碼加載移動平臺，能夠實現數據自動采集、智能化識別的質量比較儀校準裝置，并在質量比較儀校準規范的基礎上，對質量比較儀自動校準裝置的實際不確定度來源進行分析，對校準結果進行評定，保證量值溯源結果的準確、完整、可靠、有效。

（一）系統需求

本項目的研究對象主要為全自動大秤量質量比較儀校準裝置，基于機器視覺的稱量盤定位與標準砝碼位置的確定。為實現不同廠家、多種型號質量比較儀的校準，實時采集屏幕圖片并基于卷積神經網絡圖像處理算法對數據信息進行處理，完成對示值結果的自動讀取。在開發系統過程中，針對局部示值誤差設計和制作專用砝碼，在保證標準砝碼精度要求的基礎上利于抓取裝置操作，保證移動平臺運行過程中砝碼安全不易滑落。另外，設計開發了人機友好的交互平臺，并完成多項可靠性和準確性的實驗。

（二）系統目標

在利用本智能化裝置對比較儀進行校準的過程中，要確保系統可滿足最大稱量（5～60）kg，分度值大于1mg的質量比較儀的自動化校準。在對其進行測量時，按照系統運行要求，其中配備了一套滿足砝碼檢定規程E2等級要求，通過組合夾取標稱質量值為（1～20）kg專用砝碼對其進行檢驗。首先，在進行檢驗過程中，設計專用砝碼。通過自由組合抓取方式，利用機器視覺的機械手抓取及放置自動定位系統確定砝碼的位置。然后，通過基于卷積神經網絡圖像處理算法的信息識別，對砝碼的示值進行識別。憑借深度學習提升數據獲取的準確性，完成對數據信息的采集。最后，利用人機友好的交互界面，對不同量程的質量比較儀完成標準砝碼的自動選定。系統開發需要在保證系統運行穩定的基礎上，實現人機交互界面的美觀性。同時，在系統運行過程中，需要保證信息查詢的靈活性和便捷性，以及數據信息的安全性和防欺騙性。此外，為了保證信息輸入的穩定性，在系統入口處配備了嚴格的數據檢驗口，其可以排除人為數據的干擾，提升數據信息的保密性，為質量比較儀校準系統的運行提供支撐和保護。

（三）檢驗流程

檢驗流程依據執行質量比較儀校準規范進行，測量載荷點選取、測量次數、測量位置在輸入被校比較儀基本信息后自動確定，放置位置自動定位，標準砝碼靈活組合，機械手柔性接觸實現無損傷抓取，顯示屏幕智能識別，測量結果自動讀取，實驗數據實時分析，并生成電子記錄。

（四）操作界面

根據質量管理體系、校準規范要求、人員操作習慣等，設計人機友好的操作界面，進行登錄人員信息確認，具備校準異常流程處理功能，以應對校準過程中出現的突發情況，保證被校質量比較儀和標準砝碼的安全。

（五）基本信息

質量比較儀的基本信息在系統中需要進行信息確認和錄入，并且在系統運行期間需要完成對質量比較儀的證書編號確認，以完成對計量標準裝置的選擇和原始記錄記載。同時，系統會將該實驗的所有信息都進行編號命名，以免原始數據被破壞，影響質量比較儀的后續使用。在生成原始數據模板過程中，系統將自動判別文件的真實性，技術人員需要通過查看文件明確數據獲取的安全性。

（六）計算結果

計算結果的處理依據質量比較儀校準規范進行，對重復性、局部示值誤差、示值誤差校準結果進行保存并完成數據處理，根據質量管理體系要求生成電子原始記錄。對每個校準項目進行不確定度分析，形成不確定度評定報告。

五、結束語

質量比較儀主要應用于砝碼量值傳遞，其量值測量的準確性直接影響質量計量的準確性，間接影響力學、壓力、化學等專業的量值傳遞。質量比較儀自動化校準裝置的研制實現了質量比較儀檢測工作的智能化、自動化，可以減少人為誤差對校準結果的影響，提高校準效率，保證質量、力學等專業領域量值傳遞的準確性和可靠性，填補了質量比較儀自動化檢測領域的空白。同時具備推廣至砝碼、電子天平、數字指示秤等計量器具自動化檢定的可能，可極大降低勞動強度與操作復雜度，提高質量量值傳遞準確度，具有廣闊的應用前景。

作者單位：王晶 常穎 李青 天津市計量監督檢測科學研究院

參考文獻

[1]JJF 1326-2011《質量比較儀校準規范》

[2]JJG 99-2022《砝碼檢定規程》

[3] 陳露，韓玉華，柯淑婷，等.一種高自動化質量比較儀校準裝置的研究及應用[J].中國測試，2021，47（S01）：107-111.

[4]郭境.質量比較儀校準結果在量傳中應用[J].計量與測試技術，2013， 40（11）：24-25+27.

[5] 吳君怡，趙進，陳茂林，等.采用質量比較儀校準砝碼質量的方法與評定[J].計量與測試技術，2017，44（05）：62-63.