基于高速摄像机的电器电磁机构动态特性测试技术

兰慧琴

(福建船政交通职业学院，福建　福州　350007)



基于高速摄像机的电器电磁机构动态特性测试技术

兰慧琴

(福建船政交通职业学院，福建福州350007)

以磁保持继电器为研究对象，利用高速成像原理对电磁机构进行了动态特性测试，采用基于Image-Pro Plus的图像处理技术进行特征点检测与提取，不仅同时获得了电磁机构衔铁的动态特性曲线和振动特性曲线，而且极大地简化了试验难度，对于电器电磁机构的优化设计以及动态过程数学模型的建立提供了可靠的依据。

磁保持继电器；高速成像；电磁机构；动态特性测试

1　引言

电磁式电器广泛应用于低压配电系统、电力拖动系统及自动控制系统中，电器的各项性能指标对系统的正常运行具有重要影响。电磁机构作为电磁式电器的重要组成部分，其动态过程是一个集电、磁、热和机械运动的复杂过程，而且各变量间相互影响，使得整个动态过程呈现非线性和不确定性，因此难以找到一个精确的数学模型来描述其完整的动态过程[1]。过去对电磁机构的动态研究基本上采用理论计算和仿真分析的方法，如文献[2-5]利用ANSYS软件建立了电磁机构三维模型，利用有限元法对电磁系统进行动态计算，获得了电磁系统的磁场分布及吸力特性，但是数值仿真方法受数学模型的限制，无法得知仿真结果是否真实反映电磁机构的动态过程，因此有必要利用有效的动态测试方法加以验证。

随着微电子技术、传感器技术和测试技术的不断发展，越来越多的智能化测试装置开始应用于电磁式电器的动态特性测试研究。如文献[6]采用激光光学系统与高速线阵CCD图像传感器以及单片机系统组成衔铁位移测试系统，可以较精确地测出电磁继电器衔铁位移与时间的关系，但并未给出最终的试验结果；文献[7]利用光机电电磁电器动态测试装置，采用光电检测技术实现了衔铁位移的动态测量，但是受传感器精度的制约以及需要在电磁系统可动部件上嵌入薄片，可能对电磁机构的运动状态带来一定影响。

本文以磁保持继电器为研究对象，利用高速摄像机高速成像原理对电磁机构的动态过程实时采集，利用Image-Pro Plus图像处理软件进行特征点的检测与提取，不仅可得电磁机构衔铁主运动方向上的位移时间曲线，而且可得电磁机构衔铁的振动位移时间曲线，对电磁机构动态过程数学模型的建立以及电器电磁机构的优化设计具有重要意义。

2　系统组成

(1)实验对象

本文以宏发HFE22磁保持继电器为研究对象，其线圈额定电压为12VDC，双线圈直动式结构。由于HFE22磁保持继电器电磁机构被外壳所密封，无法从外部直接观测电磁机构的运动，因此，在不影响电磁机构正常工作的情况下，在外壳处开启一个小窗口，使电磁机构的整个运动过程均处于开启的可视小窗口内，如图1所示。同时，为便于清晰地获得电磁机构的运动过程，在电磁机构衔铁处贴上一张带有黑色圆标记点的白色标签纸，标签纸的质量可以忽略不计，不会对电磁机构的运动造成任何影响，由于圆标记点与衔铁处于同步运动，因此在动态测试过程中，就可用黑色圆标记点的运动来描述电磁机构衔铁的实际运动过程。

图1　HFE22磁保持继电器

(2)相机选型

本文采用pco.camera 1200s高速摄像机作为图像采集系统主体，其最大记录速度可达820MB/s，分辨率为1280×1024，曝光时间范围为1μs～5s，如图2所示。使用高速摄像机具有如下优点：①基于高速摄像机的动态测试方法属于非接触式测量方法，无需在电器里面添加传感器、薄片等部件，因此不会对电磁机构的正常运行造成影响，并且在测试过程中不需使用复杂算法，所得的图像即是电磁机构真实的运动过程；②高速摄像机拍摄速率快，其曝光时间通常可达几微秒到几十微秒，采样点数较多，对于动作时间较短的电器也能有效地记录整个动作过程；③pco.camera 1200s高速摄像机自带图象接口软件,可以在计算机上方便地观察并控制图像质量，同时可根据图像大小自动调整拍摄帧数，使用较为方便。

(3)光源照明系统

光源照明系统对高速实时动态测量具有重要影响，高速摄像机由于拍摄速率较高，光感元件对光线异常敏感，光源的强度、光谱特性和均匀性都可能对测试造成影响。为提高后期图像数据处理的精度，应尽可能增强运动部件与周围环境的对比度，从而突出运动部件的特征，因此，光源照明系统并不是简单地照亮物体，而是应该尽可能满足高速拍摄所需的整体要求。由于动态测试过程中拍摄速率都在微秒级别，使得图像帧速远大于50Hz，因此不能选用交流辅助光源，本文选用带电子镇流器的金卤灯，白色光谱，可以满足高速动态测试的要求。

图2　高速摄像机

3　电磁机构动态测试

3.1动态测试原理

由于磁保持继电器电磁机构动作时间通常在几毫秒到十几毫秒之间，为完整地获得电磁机构实际的动态过程，必须使高速摄像机和磁保持继电器保持高度同步工作。本文利用单片机为核心的控制电路加以实现，控制电路同时输出两路信号，一路控制磁保持继电器电磁机构动作，另一路同时触发高速摄像机开始拍摄，通过图像采集系统将所得图片传输至计算机，整个流程如图3所示。

图3　系统流程图

3.2动态测试图像采集与数据处理

搭建试验平台，将高速摄像机和磁保持继电器调节至适当位置，通过调节光源照明系统和相机焦距使电磁机构衔铁上的圆标记点在相机中清晰成像，调节高速摄像机拍摄软件，尽可能过滤多余的噪声，从而更明显地突出特征点。高速摄像机在采集动态图像时，其最大采样帧率会随着图片宽度的减小而增大，因此为更精确地获得电磁机构实际的动态过程，应在衔铁动作时间内尽可能多地获得动态图片。利用高速摄像机拍摄的动态图片通常呈窄长条状，如图4所示。

图4　标记点运动图

特征点检测与提取是电磁机构动态测试中极为关键的一步，利用Image-Pro Plus软件对电磁机构动态图片进行特征点的检测与提取，可方便地获得特征点的图像坐标。Image-Pro Plus是一款功能强大的图像处理软件，具有友好的人机交互界面，兼具图像采集、图像分析、图像增强等功能，同时内置高通滤波、低通滤波、中值滤波、高斯滤波等各种滤波去噪功能，对于数量较多的图片组还可采取自行编写或录制宏的方式进行批量处理。Image-Pro Plus在特征点检测与提取过程中，有较多的匹配基元可供选择，如面积、密度、周长、角度等，在进行特征提取时可根据需要选择相应的匹配基元，并设定合理的阈值，软件就可以根据相应的匹配算法得出所需的图像坐标，本文所需提取的特征单元为黑色小圆点，因此可选取面积作为相应的匹配基元。

3.3动态测试结果

本文以HFE22磁保持继电器为研究对象，分别在85%Ue 、Ue 和110%Ue(Ue表示额定电压，即12V)电压等级下对磁保持继电器的吸合和释放运动过程进行动态特性测试，可得各电压等级下的动态特性曲线分别如图5所示。

图5(a)所示为衔铁吸合运动曲线，由图可知，随着电压等级的升高，运动特性曲线也随着往左偏移，吸合时间在不断减小，在85%Ue 、Ue 和110%Ue电压下的吸合时间分别为15.8ms、12.7ms和11.5ms。以额定电压Ue 为例，在0～6.2ms时间内，运动曲线始终处于起始位置，此时衔铁尚未运动，这段时间为触动时间。在6.2～10.4ms左右的时间内，电磁吸力开始大于反力，衔铁开始运动，但是曲线斜率较小，说明此时运动速度还不大，而在10.4～12.8ms左右的时间内，曲线斜率迅速增大，此时衔铁快速运动，直至动静铁心碰撞吸合并最终稳定在2mm左右。

图5　衔铁动态特性曲线

图5(b)所示为吸合过程振动曲线，由图可看出，在不同电压等级下，电磁机构在吸合过程中表现出的振动规律基本一致，均在衔铁刚开始运动的时刻就发生了扭转，并迅速振动至最大位移处，之后几乎贯穿电磁机构运动的整个过程，在电磁机构吸合完成后，振动曲线又回到初始位置。

图5(c)所示为衔铁释放运动曲线，其动态特性与吸合过程基本类似，动作时间也随着电压等级的升高而减小，在85%Ue 、Ue 和110%Ue电压下的释放时间分别为14.8ms、11.2ms和9.8ms。

图5(d)所示为释放过程振动曲线，其振动规律没有吸合过程明显，但是依然表现出了一定的规律性，即在不同电压等级下，均有两处振动较大的时刻，分别是衔铁释放运动开始时刻和衔铁释放运动即将结束的时刻，并且在额定电压等级下，振动较小。

4　结论

本文研究了电器电磁机构动态特性测试的原理及系统组成，利用高速摄像机对磁保持继电器进行了动态特性测试，通过Image-Pro Plus图像处理软件对特征点进行检测与提取，获得了特征点运动过程的图像坐标，描绘了衔铁的动态特性曲线。实验结果表明，该测试技术不仅可以获得电磁机构主方向上的运动特性曲线，同时可获得电磁机构的振动位移时间曲线，更真实地描绘了电磁机构的实际运动过程，从而为电磁机构的优化设计提供了更可靠的依据。

[1]费鸿俊，张冠生.电磁机构动态分析与计算[M].北京：机械工业出版社，1993.

[2]苏秀苹，姬丽娟，赵尚武，等.基于三维有限元分析的交流接触器磁系统动特性的计算[J].低压电器，2005(10)：3-5，10.

[3]姬丽娟，苏秀萍，王丽华，等.基于ANSYS的交流接触器电磁机构的三维有限元分析[J].计算机应用于软件，2005，22(7)：136-137.

[4]肖斌，赵瑞平.基于ANSYS对微型直流电磁继电器电磁系统的分析[J].低压电器，2010(17):1-3，31.

[5]孙园，许志红.基于ANSYS软件的智能交流接触器电磁系统设计[J].低压电器，2006(11)：3-8.

[6]钱忠平.小型电磁继电器动态特性测试系统[J].继电器,1999,27(5):47-48.

[7]缪希仁，张培铭.光机电电磁电器动态测试装置的研制[J].电工电能新技术，2001(4)：19-24.

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

兰慧琴(1987-)，女，硕士研究生，助教；主要研究方向：光学薄膜。