蘭慧琴

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建　福州　350007)

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基于高速攝像機(jī)的電器電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)特性測試技術(shù)

蘭慧琴

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建福州350007)

以磁保持繼電器為研究對象，利用高速成像原理對電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動態(tài)特性測試，采用基于Image-Pro Plus的圖像處理技術(shù)進(jìn)行特征點(diǎn)檢測與提取，不僅同時獲得了電磁機(jī)構(gòu)銜鐵的動態(tài)特性曲線和振動特性曲線，而且極大地簡化了試驗(yàn)難度，對于電器電磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及動態(tài)過程數(shù)學(xué)模型的建立提供了可靠的依據(jù)。

磁保持繼電器；高速成像；電磁機(jī)構(gòu)；動態(tài)特性測試

1　引言

電磁式電器廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)、電力拖動系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)中，電器的各項(xiàng)性能指標(biāo)對系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要影響。電磁機(jī)構(gòu)作為電磁式電器的重要組成部分，其動態(tài)過程是一個集電、磁、熱和機(jī)械運(yùn)動的復(fù)雜過程，而且各變量間相互影響，使得整個動態(tài)過程呈現(xiàn)非線性和不確定性，因此難以找到一個精確的數(shù)學(xué)模型來描述其完整的動態(tài)過程[1]。過去對電磁機(jī)構(gòu)的動態(tài)研究基本上采用理論計(jì)算和仿真分析的方法，如文獻(xiàn)[2-5]利用ANSYS軟件建立了電磁機(jī)構(gòu)三維模型，利用有限元法對電磁系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)計(jì)算，獲得了電磁系統(tǒng)的磁場分布及吸力特性，但是數(shù)值仿真方法受數(shù)學(xué)模型的限制，無法得知仿真結(jié)果是否真實(shí)反映電磁機(jī)構(gòu)的動態(tài)過程，因此有必要利用有效的動態(tài)測試方法加以驗(yàn)證。

隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和測試技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的智能化測試裝置開始應(yīng)用于電磁式電器的動態(tài)特性測試研究。如文獻(xiàn)[6]采用激光光學(xué)系統(tǒng)與高速線陣CCD圖像傳感器以及單片機(jī)系統(tǒng)組成銜鐵位移測試系統(tǒng)，可以較精確地測出電磁繼電器銜鐵位移與時間的關(guān)系，但并未給出最終的試驗(yàn)結(jié)果；文獻(xiàn)[7]利用光機(jī)電電磁電器動態(tài)測試裝置，采用光電檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了銜鐵位移的動態(tài)測量，但是受傳感器精度的制約以及需要在電磁系統(tǒng)可動部件上嵌入薄片，可能對電磁機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)帶來一定影響。

本文以磁保持繼電器為研究對象，利用高速攝像機(jī)高速成像原理對電磁機(jī)構(gòu)的動態(tài)過程實(shí)時采集，利用Image-Pro Plus圖像處理軟件進(jìn)行特征點(diǎn)的檢測與提取，不僅可得電磁機(jī)構(gòu)銜鐵主運(yùn)動方向上的位移時間曲線，而且可得電磁機(jī)構(gòu)銜鐵的振動位移時間曲線，對電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)過程數(shù)學(xué)模型的建立以及電器電磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

2　系統(tǒng)組成

(1)實(shí)驗(yàn)對象

本文以宏發(fā)HFE22磁保持繼電器為研究對象，其線圈額定電壓為12VDC，雙線圈直動式結(jié)構(gòu)。由于HFE22磁保持繼電器電磁機(jī)構(gòu)被外殼所密封，無法從外部直接觀測電磁機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，因此，在不影響電磁機(jī)構(gòu)正常工作的情況下，在外殼處開啟一個小窗口，使電磁機(jī)構(gòu)的整個運(yùn)動過程均處于開啟的可視小窗口內(nèi)，如圖1所示。同時，為便于清晰地獲得電磁機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程，在電磁機(jī)構(gòu)銜鐵處貼上一張帶有黑色圓標(biāo)記點(diǎn)的白色標(biāo)簽紙，標(biāo)簽紙的質(zhì)量可以忽略不計(jì)，不會對電磁機(jī)構(gòu)的運(yùn)動造成任何影響，由于圓標(biāo)記點(diǎn)與銜鐵處于同步運(yùn)動，因此在動態(tài)測試過程中，就可用黑色圓標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動來描述電磁機(jī)構(gòu)銜鐵的實(shí)際運(yùn)動過程。

圖1　HFE22磁保持繼電器

(2)相機(jī)選型

本文采用pco.camera 1200s高速攝像機(jī)作為圖像采集系統(tǒng)主體，其最大記錄速度可達(dá)820MB/s，分辨率為1280×1024，曝光時間范圍為1μs～5s，如圖2所示。使用高速攝像機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①基于高速攝像機(jī)的動態(tài)測試方法屬于非接觸式測量方法，無需在電器里面添加傳感器、薄片等部件，因此不會對電磁機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行造成影響，并且在測試過程中不需使用復(fù)雜算法，所得的圖像即是電磁機(jī)構(gòu)真實(shí)的運(yùn)動過程；②高速攝像機(jī)拍攝速率快，其曝光時間通常可達(dá)幾微秒到幾十微秒，采樣點(diǎn)數(shù)較多，對于動作時間較短的電器也能有效地記錄整個動作過程；③pco.camera 1200s高速攝像機(jī)自帶圖象接口軟件,可以在計(jì)算機(jī)上方便地觀察并控制圖像質(zhì)量，同時可根據(jù)圖像大小自動調(diào)整拍攝幀數(shù)，使用較為方便。

(3)光源照明系統(tǒng)

光源照明系統(tǒng)對高速實(shí)時動態(tài)測量具有重要影響，高速攝像機(jī)由于拍攝速率較高，光感元件對光線異常敏感，光源的強(qiáng)度、光譜特性和均勻性都可能對測試造成影響。為提高后期圖像數(shù)據(jù)處理的精度，應(yīng)盡可能增強(qiáng)運(yùn)動部件與周圍環(huán)境的對比度，從而突出運(yùn)動部件的特征，因此，光源照明系統(tǒng)并不是簡單地照亮物體，而是應(yīng)該盡可能滿足高速拍攝所需的整體要求。由于動態(tài)測試過程中拍攝速率都在微秒級別，使得圖像幀速遠(yuǎn)大于50Hz，因此不能選用交流輔助光源，本文選用帶電子鎮(zhèn)流器的金鹵燈，白色光譜，可以滿足高速動態(tài)測試的要求。

圖2　高速攝像機(jī)

3　電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)測試

3.1動態(tài)測試原理

由于磁保持繼電器電磁機(jī)構(gòu)動作時間通常在幾毫秒到十幾毫秒之間，為完整地獲得電磁機(jī)構(gòu)實(shí)際的動態(tài)過程，必須使高速攝像機(jī)和磁保持繼電器保持高度同步工作。本文利用單片機(jī)為核心的控制電路加以實(shí)現(xiàn)，控制電路同時輸出兩路信號，一路控制磁保持繼電器電磁機(jī)構(gòu)動作，另一路同時觸發(fā)高速攝像機(jī)開始拍攝，通過圖像采集系統(tǒng)將所得圖片傳輸至計(jì)算機(jī)，整個流程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)流程圖

3.2動態(tài)測試圖像采集與數(shù)據(jù)處理

搭建試驗(yàn)平臺，將高速攝像機(jī)和磁保持繼電器調(diào)節(jié)至適當(dāng)位置，通過調(diào)節(jié)光源照明系統(tǒng)和相機(jī)焦距使電磁機(jī)構(gòu)銜鐵上的圓標(biāo)記點(diǎn)在相機(jī)中清晰成像，調(diào)節(jié)高速攝像機(jī)拍攝軟件，盡可能過濾多余的噪聲，從而更明顯地突出特征點(diǎn)。高速攝像機(jī)在采集動態(tài)圖像時，其最大采樣幀率會隨著圖片寬度的減小而增大，因此為更精確地獲得電磁機(jī)構(gòu)實(shí)際的動態(tài)過程，應(yīng)在銜鐵動作時間內(nèi)盡可能多地獲得動態(tài)圖片。利用高速攝像機(jī)拍攝的動態(tài)圖片通常呈窄長條狀，如圖4所示。

圖4　標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)動圖

特征點(diǎn)檢測與提取是電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)測試中極為關(guān)鍵的一步，利用Image-Pro Plus軟件對電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)圖片進(jìn)行特征點(diǎn)的檢測與提取，可方便地獲得特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)。Image-Pro Plus是一款功能強(qiáng)大的圖像處理軟件，具有友好的人機(jī)交互界面，兼具圖像采集、圖像分析、圖像增強(qiáng)等功能，同時內(nèi)置高通濾波、低通濾波、中值濾波、高斯濾波等各種濾波去噪功能，對于數(shù)量較多的圖片組還可采取自行編寫或錄制宏的方式進(jìn)行批量處理。Image-Pro Plus在特征點(diǎn)檢測與提取過程中，有較多的匹配基元可供選擇，如面積、密度、周長、角度等，在進(jìn)行特征提取時可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的匹配基元，并設(shè)定合理的閾值，軟件就可以根據(jù)相應(yīng)的匹配算法得出所需的圖像坐標(biāo)，本文所需提取的特征單元為黑色小圓點(diǎn)，因此可選取面積作為相應(yīng)的匹配基元。

3.3動態(tài)測試結(jié)果

本文以HFE22磁保持繼電器為研究對象，分別在85%Ue 、Ue 和110%Ue(Ue表示額定電壓，即12V)電壓等級下對磁保持繼電器的吸合和釋放運(yùn)動過程進(jìn)行動態(tài)特性測試，可得各電壓等級下的動態(tài)特性曲線分別如圖5所示。

圖5(a)所示為銜鐵吸合運(yùn)動曲線，由圖可知，隨著電壓等級的升高，運(yùn)動特性曲線也隨著往左偏移，吸合時間在不斷減小，在85%Ue 、Ue 和110%Ue電壓下的吸合時間分別為15.8ms、12.7ms和11.5ms。以額定電壓Ue 為例，在0～6.2ms時間內(nèi)，運(yùn)動曲線始終處于起始位置，此時銜鐵尚未運(yùn)動，這段時間為觸動時間。在6.2～10.4ms左右的時間內(nèi)，電磁吸力開始大于反力，銜鐵開始運(yùn)動，但是曲線斜率較小，說明此時運(yùn)動速度還不大，而在10.4～12.8ms左右的時間內(nèi)，曲線斜率迅速增大，此時銜鐵快速運(yùn)動，直至動靜鐵心碰撞吸合并最終穩(wěn)定在2mm左右。

圖5　銜鐵動態(tài)特性曲線

圖5(b)所示為吸合過程振動曲線，由圖可看出，在不同電壓等級下，電磁機(jī)構(gòu)在吸合過程中表現(xiàn)出的振動規(guī)律基本一致，均在銜鐵剛開始運(yùn)動的時刻就發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，并迅速振動至最大位移處，之后幾乎貫穿電磁機(jī)構(gòu)運(yùn)動的整個過程，在電磁機(jī)構(gòu)吸合完成后，振動曲線又回到初始位置。

圖5(c)所示為銜鐵釋放運(yùn)動曲線，其動態(tài)特性與吸合過程基本類似，動作時間也隨著電壓等級的升高而減小，在85%Ue 、Ue 和110%Ue電壓下的釋放時間分別為14.8ms、11.2ms和9.8ms。

圖5(d)所示為釋放過程振動曲線，其振動規(guī)律沒有吸合過程明顯，但是依然表現(xiàn)出了一定的規(guī)律性，即在不同電壓等級下，均有兩處振動較大的時刻，分別是銜鐵釋放運(yùn)動開始時刻和銜鐵釋放運(yùn)動即將結(jié)束的時刻，并且在額定電壓等級下，振動較小。

4　結(jié)論

本文研究了電器電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)特性測試的原理及系統(tǒng)組成，利用高速攝像機(jī)對磁保持繼電器進(jìn)行了動態(tài)特性測試，通過Image-Pro Plus圖像處理軟件對特征點(diǎn)進(jìn)行檢測與提取，獲得了特征點(diǎn)運(yùn)動過程的圖像坐標(biāo)，描繪了銜鐵的動態(tài)特性曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測試技術(shù)不僅可以獲得電磁機(jī)構(gòu)主方向上的運(yùn)動特性曲線，同時可獲得電磁機(jī)構(gòu)的振動位移時間曲線，更真實(shí)地描繪了電磁機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動過程，從而為電磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了更可靠的依據(jù)。

[1]費(fèi)鴻俊，張冠生.電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)分析與計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[2]蘇秀蘋，姬麗娟，趙尚武，等.基于三維有限元分析的交流接觸器磁系統(tǒng)動特性的計(jì)算[J].低壓電器，2005(10)：3-5，10.

[3]姬麗娟，蘇秀萍，王麗華，等.基于ANSYS的交流接觸器電磁機(jī)構(gòu)的三維有限元分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用于軟件，2005，22(7)：136-137.

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Dynamic Characteristic Test for Electromagnetic Mechanism of Electrical Apparatus by High Speed Camera

LAN Hui-qin

(Fujian Shipping Agent Traffic Vocation School,Fuzhou 350007,China)

Using the magnetic latching relay as the research object,the dynamic characteristics for electrical mechanism are tested by high-speed imaging principle in this paper.By using the image processing technology of Image-Pro Plus,the feature point is detected and extracted,not only that the dynamic characteristics curves and vibration characteristics curves of armature are obtained,but greatly simplified the experimental difficulty,can provide a reliable basis for optimal design of electrical electromagnetic mechanism and the mathematical model establishment of dynamic process.

magnetic latching relay;high-speed imaging principle;electromagnetic mechanism;dynamic characteristic test

1004-289X(2016)01-0026-04

TM58

B

2015-05-18

蘭慧琴(1987-)，女，碩士研究生，助教；主要研究方向：光學(xué)薄膜。