基于计算机视觉的常用玻璃量器自动检定装置

陈 洁，张 巍，李 斌，田芙蓉

（上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200444）

常用玻璃量器有单标线容量瓶、单标线吸量管、分度吸量管、滴定管、量筒、量杯等玻璃计量器具[1]。2021 年全球常用玻璃量器计量校准业务量约为40 万只，且以每年至少30%的增幅持续增长。以中国上海市质量监督检验技术研究院为例，2021 年检测量器数量约4 万只。目前玻璃量器校准都是人工检测，且量器出厂前和使用前都要进行校准。

液位检测广泛应用于各个行业之中，常用的液位检测方法主要包括通过传感器检测液位以及基于机器视觉的方法检测液位等[2-4]。本文研究设计的常用玻璃量器自动检定装置，使用灰度化、中值滤波、二值化、开运算等进行图像处理，解决液位自动识别、自动加液的难题。该装置已在上海市质量监督检验技术研究院正式投入使用。

1 系统设计

1.1 常用玻璃量器与检定方法

本文设计要求来源于上海市质量监督检验技术研究院的《常用玻璃量器自动检定装置》项目，符合中国标准《JJG192-2006 常用玻璃量器检定规程》[5]。本文研究设计的常用玻璃量器自动检定装置主要适用范围为量筒、量杯以及单标线容量瓶，3 种量器的材质一般都是玻璃，刻度单位都为毫升，但是刻度线分布不同。量筒是一个均匀的圆柱形，刻度也是均匀的。量杯的形状是下小上大，刻度通常是下疏上密。容量瓶是带有磨口玻璃塞的细长颈、梨形的平底玻璃瓶，仅在瓶颈处有一条刻度线[6-8]。

单标线容量瓶仅需要检定1 条刻度线，而对于待检量筒和量杯，则需要有3 个检定点。选取检定点的规范：①总容量的1/10 处，若待检量器上没有总容量的1/10 分度线，则从量器的底部开始，选择总容量的2/10 点作为检定点；②半容量，即从量器底部开始，到量器总容量的1/2 处；③总容量处。

常用玻璃量器检定方法有容量比较法以及衡量法2 种，本文选用衡量法，衡量法通常采用20℃时量器的容量作为标称容量[2]。

根据当前温度t 和加水质量m，计算得到在标准温度20℃时的实际容量V20，并将实际容量V20与标称容量比较，如果两者的误差在检定规程的允许误差范围内，则待检定量器合格，反之则不合格。V20计算公式如下[9]：

式中：V20为在20℃时被检量器的实际容量，mL；ρB为砝码密度，取8.00 g/cm3；ρA为检定时环境空气密度，取0.0012 g/cm3；ρW为t ℃时蒸馏水的密度，g/cm3；β1为被检量器的体胀系数，℃-1；t 为检定时蒸馏水的温度，℃；m 为被检量器内所能容纳的水的质量，g。

1.2 玻璃量器自动检定装置技术指标

系统设计要求及技术指标具体如下：对各种口径量筒、量杯、单标线容量瓶各个范围（5 mL～2000 mL）进行检定；实现自动读数功能、自动加液功能并且自动计算测量不确定度；装置对量器的扩展不确定度需满足如表1 所示的精度要求。

表1 容量允差与扩展不确定度要求Tab.1 Capacity tolerance and expanded uncertainty requirements

1.3 系统框图

在以上测量要求下，设计装置主要分为自动读数检测单元、自动加液单元以及数据采集单元。本文设计的常用玻璃量器自动检定装置基本框架如图1 所示。

图1 玻璃量器自动检定装置系统框图Fig.1 System diagram of automatic device for working glass container verification

自动读数检测单元由相机、光源、托台直线模组、相机直线模组、脉冲控制卡组成。自动加液单元由高精度微量泵、高流速蠕动泵、水箱等组成。数据采集单元由工控机、数据采集卡、液位传感器、温度传感器、电子天平组成。

2 自动检定装置的不确定度分析

与人工观察液位信息相同，使用相机观察液位信息时，也必须保证相机中心线、刻度线上边缘以及液位凹液面三线合一才能保证读数的准确性。

引入液面观察与调定部分的标准不确定度uauto（v）。uauto（v）由相机平视刻度线引起的不确定度ucam（v），液位检测引起的不确定度ulev（v），以及加液误差引起的不确定度uadd（v）组成，计算公式如下：

2.1 相机平视刻度线引起的不确定度

定义矩形框平视刻度线方法，相机平视刻度线的过程如图2 所示。相机中心线可能位于刻度线上方或者下方，其寻找方法相同。以相机中心线位于刻度线上方为例介绍该方法，相机需向下移动才能平视刻度线。图中每个虚线正方形小格代表1 个像素，在相机中心线处定义高度为5 个像素的矩形框，阴影部分是矩形框与刻度线的相交部分。当矩形框仅有下方2 行像素与刻度线相交时，判断相机平视刻度线，否则继续向下移动1 个步长。

图2 相机平视刻度线方法Fig.2 Camera head up scale line method

已知步进电机移动一个步长需1/3 个像素，最大误差是当阴影部分即将到达2 个像素，相机会继续向下移动1 个步长，产生1/3 个像素高度误差。因此，相机在平视刻度线会产生的最大误差体积Vcam为

由相机平视刻度线部分引入的不确定度采用B类方法进行评定，属均匀分布，置信因子故相机平视刻度线引起的不确定度ucam（v）为

2.2 液位检测引起的不确定度

定义矩形框寻找液位的方法，相机检测到液位位置的过程如图3 所示。已知相机已经平视刻度线，液位位于中心线下方，取相机中心线下方高度为5 个像素的矩形框向下移动。如图白色部分为液位横截面，阴影部分为矩形框与液位相交部分，当矩形框除最下方一行像素之外均与液位相交时，判断寻找到液位位置为矩形框第四行像素位置。

图3 液位检测方法Fig.3 Liquid level detection method

在液位检测过程中，最坏的情况是矩形框下边沿移出液位的高度大于1 个像素但未到达2 个像素。此时，会产生1 个像素高度误差，检测液位过程的最大误差体积Vlev为

由液位检测部分引入的不确定度采用B 类方法进行评定，属均匀分布，置信因子液位检测引起的不确定度ulev（v）为

2.3 加液误差引起的不确定度

判断液位是否达到目标刻度线的条件是，判断液位与相机中心线相差的像素个数是否小于最小一滴水在成像面上升像素个数的一半，否则继续加液检测液位。加液误差与加液泵精度有关，以量筒内最小一滴水液位上升高度建立模型，如图4 所示。

图4 最小一滴水液位上升高度Fig.4 Minimum drop of water level rise

图中，L0为初始液位最低点，L1为微量泵加最小一滴水之后的液位最低点，液位上升的实际高度为hadd。假设精确加液时最小滴出一滴纯水的体积为Δv，一滴水Δv 加入到量筒中引起的液位实际高度变化为hadd，式中r 为量筒半径：

假设最小一滴水引起液位上升的像素高度为hadd′，则有：

在检测到当前液位与相机中心线像素差大于hadd′/2 个像素时，继续向量器内加液。因此，最坏的情况是当前液位与相机中心线像素差刚好不到hadd′/2个像素，或者刚好大于hadd′/2 个像素需要再加一滴液，此时液位检测环节最大误差体积为

由加液部分引入的不确定度采用B 类方法进行评定，属均匀分布，置信因子，加液误差引起的不确定度uadd（v）为

3 检测流程

3.1 刻度线识别

3.1.1 图像预处理

本文利用OpenCV 开源计算机视觉库进行图像处理[10]。下文以100 mL 量筒为例，介绍图像预处理过程，如图5 所示。

图5 图像预处理过程Fig.5 Image preprocessing

图5（a）为原始图像；图5（b）为经过灰度化处理之后变成灰度图像；图5（c）为经过中值滤波去除了图像中无用的噪声信息；图5（d）为对比度增强使得图像对比度得到了提升，刻度线以及液位信息在图像中更加突出；图5（e）为二值化处理后图像仅仅剩下黑白2 种颜色；图5（f）为开运算处理后已经过滤了绝大部分小点，刻度线以及液位轮廓清晰可见[11-13]。

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3.1.2 相机平视刻度线

以寻找最高刻度线为例，方法如下：首先相机位于初始位置E0处，如图6（a）所示，然后取一个高度为height（大于1 个刻度线间距，小于2 个间距）的矩形框，从下到上移动；在找到最高刻度线之前，矩形框内像素灰度值之和必然大于矩形框内半条刻度线宽度灰度值之和T1，当灰度值之和小于T1，此时就找到了刻度线上方的空白区域Yh，然后计算将相机从E0移动到Yh所需的脉冲数并将相机移动到Yh；最后，使用以矩形框平视刻度线的方法找到最高刻度线的上边沿位置Ehigh，并将相机移动到Ehigh，如图6（b）所示。

图6 寻找最高刻度线示意图Fig.6 Schematic diagram of searching for the highest tick mark

3.2 自动加液

3.2.1 快速加液

为了提高自动检定装置的效率，需要使用快速加液泵。根据选定的检定点，计算出待检容量的90%左右，使用快速加液泵在短时间内加液至检定点附近。

3.2.2 高精度加液

采用高精度微量泵可以保证最小加液的精度。高精度加液过程中，每加一滴水，需要相机拍摄并检测当前液位位置。

3.3 液位检测

3.3.1 图像预处理

在液位检测之前也需先对图像进行预处理，其过程与上文一致。但在完成图像预处理步骤后，液位信息会和刻度线信息互相影响，以至于很难完美地区分开液位信息。

3.3.2 提取液位特征

为了区分开液位信息以完成后续液位识别的步骤，本文采用一种图像作差的方法，如图7 所示。

图7 加液前后对比图Fig.7 Comparison diagram before and after adding liquid

图7（a）和图7（b）分别为加液前后的示意图，可以看出相对于空量器图像信息，加液后量器图片中仅增加了液位信息，将两张图片作差得到液位信息（图7（c））。

3.3.3 液位识别

根据作差法得到仅剩液位信息的图片，然后根据第三节中矩形框检测液位方法定位液位位置。图8 为液位检测过程示意图。

图8 液位检测过程示意图Fig.8 Schematic diagram of liquid level detection process

4 实验

本文按照项目技术指标要求，完成了常用玻璃量器自动检定装置设计，实物如图9 所示。本章基于NI 公司的LabWindows/CVI 软件进行开发设计，对各种型号量器进行自动检定装置与人工对比实验，判断装置是否满足设计技术指标要求。

图9 自动检定装置实验场景Fig.9 Experimental scenario of automatic device

4.1 自动检定装置应用软件设计

基于LabWindows/CVI 平台设计自动检定装置应用软件，实现常用玻璃量器的标定监控以及原始记录与证书生成等功能。标定设置与监控界面中显示了量器检定的基本设置信息、标定操作步骤信息以及数据存储表格等相关信息，如图10 所示。

图10 标定设置与监控界面Fig.10 Verification settings and monitoring interface

4.2 不同规格量器不确定度计算及人工对比实验

根据玻璃量器的检定流程，本文使用自动检定装置对不同规格量器进行检定实验。根据检定结果计算不确定度，判断待检定量器是否合格。然后将同一批样品在同一实验室内用同一种方法，人工进行检定实验，根据检定结果判断待自动检定装置是否满足下式：

式中：y1为人工检定实验中测得的量器实际体积；y2为自动检定装置检定实验中测得的量器实际体积；U1为人工检定的测量不确定度；U2为自动检定装置的测量不确定度。

图11 所示为在不同规格下人工和自动检定装置的不确定度，图中横轴表示检定点（mL），纵轴表示扩展不确定度（k=2），根据检定结果可以看出，不同规格量器的自动检定不确定度均低于人工检定不确定度，且自动检定装置的不确定度要求均满足表1 所示的装置技术指标要求，根据测得的实际体积与测量不确定度的计算结果均满足式（11）。

图11 人工检定与自动检定装置扩展不确定度Fig.11 Extension of uncertainty for manual and automatic verification devices

5 结语

本文采用机器视觉对常用玻璃量器进行检定，通过图像处理方法实现不同型号规格量器的自动读数以及自动加液的功能。通过相机采集量器以及液位的图像，根据特征信息的不同，提取到了目标刻度线信息以及液位信息，根据液位信息控制加液泵自动加液。根据装置的技术指标，完成了装置的硬件结构设计并研究设计了电路控制系统，利用LabWindows/CVI 开发了自动检定装置的上位机软件系统，实现了量器的标定设置与监控、原始记录与证书生成等功能。