CN103604544A - 一种交流接触器触头接触压力动态测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种交流接触器触头接触压力动态测试装置，该装置包括上位机和下位机；上位机为工控机，下位机包括：触头接触压力传感器、电荷放大器、信号调理电路、高速数据采集卡、合闸相角控制器；交流接触器为测试试品。本发明不但能直接反映触头接触压力的动态变化过程，而且能够更加直观的反映触头弹跳的情况，以及同一触桥两个触点闭合时的不同步性等问题。触头接触压力信号可以为今后研究最佳合闸相角等交流接触器的动态参数、深入研究触头接触瞬间触头接触压力同接触电阻、触头振动等其他参数之间的关系以及交流接触器的优化设计提供新的数据。

Description

一种交流接触器触头接触压力动态测试装置及其测试方法

技术领域：

本发明涉及低压电器领域内动态特性参数的测试方法与装置，具体来说是交流接触器触头接触压力动态信号的测试方法与装置。

背景技术：

交流接触器是一种生产量大、应用面广的自动化电磁器件。交流接触器触头的机械参数主要有触头的开距、超程、触头接触压力和主触头的不同步性等。触头接触压力分为触头初压力与终压力，是重要的触头参数之一，对电器性能有着直接的影响。为了深入研究触头接触瞬间触头接触压力同接触电阻、振动等其他参数之间的关系，还必须得到其动态全过程。

交流接触器触头接触压力的测量方法，上世纪80年代我国行业主要采用以下三种方法：拉纸法、灯光法和压力计法。其中拉纸法因检测手段简单较普遍采用，灯光法次之，而压力计法则较少。灯光法的测量结果与实测触头弹簧反力的实测值的误差为（0～1.6）%，而拉纸法的测量误差为13.3%～20.4%。灯光法是目前测量精度较高的方法，但测量的手段稍复杂（要电源、每个断口用的灯泡、导线等）。而拉纸法虽然测试手段简便，但受纸的厚度、强度、触头表面的光洁度、拉纸者所施的力、拉纸的速度以及拉纸者的自身感觉等因素的限制，因而误差较大。目前，国内的交流接触器触头接触压力测试技术方面的专利还是空白。国外方面，上世纪八十年代日本专利一种电磁接触器接点接触压力的测定用具（申请专利号JP58060230），该测定用具是机械式的，通过测量动触头上的压簧的变形来间接测量触头压力的大小，这种测量方法有两个缺点，一是弹簧的弹性系数本来就误差较大，这会使触头压力的测量误差增大；再者，这种方法只能测出静态的触头的初压力和终压力值，但是对于触头接触压力的动态过程的测试还无法实现。

国内高压电器领域近几年已经有一些触头接触压力测试装置的专利技术（断路器触头接触压力的在线测量装置201220715335、转换开关触头压力检测设备201210319320.4、高压开关动静触头压力测量装置201110430292.9）。由于国际上公认的高低压电器的分界线是交流1kV（直流则为1500V），交流1kV以上为高压电器，1kV及以下为低压电器。为保证高压电器有足够的绝缘距离，其触头外形尺寸较大；额定电流的大小决定了其载流体、触头的尺寸和结构，额定电流愈大，它们的尺寸愈大，否则将不能满足容许温升的要求。因此高压电器和低压电器的触头在结构和尺寸上有很大差别，高压电器的触头接触压力测试装置可以包括包括底板、拉力计、拉杆、夹紧力测量杆等机械结构，而低压电器的触头安装位置空间狭小，其接触压力测试装置的尺寸只能做的很小。因此对于这些高压电器触头接触压力测试的专利技术，只能借鉴一些测试思路，还无法将其直接应用在交流接触器上。

发明内容：

针对现有技术不能准确的获得交流接触器触头接触压力动态信号的问题，本发明提供了一种利用PVDF压电薄膜进行交流接触器触头接触压力动态信号测试的装置及其测试方法。该装置采用PVDF压电薄膜为敏感元件制作了一种触头接触压力传感器来动态的测量触头接触压力。测试时，将该触头接触压力传感器固定粘贴在交流接触器静触头的上表面，当交流接触器铁芯闭合时，由于PVDF压电薄膜受到动触头的撞击，将产生相应的电荷信号，将这个电荷量转化成电压信号，经过标定，就可以实时、动态的测试交流接触器动、静触头之间的接触压力信号。压电薄膜之所以即能探测非常微小的物理信号又能感受到大幅度的活动，是因为由它制成的传感器响应速度极快（ns级），能够及时准确地捕捉瞬变信号；灵敏度很高，在相当大的动态范围内（0～20GPa）都是线性的，远大于交流接触器的最大接触压力值。PVDF压电薄膜的厚度一般为30μm，易于切割，可以做的面积很小，且在实际应用中，传感器的厚度所导致的误差可以忽略不计，完全符合触头接触压力的测试要求。应用该测试技术或装置不但能直接反映触头接触压力的动态变化过程，而且能够更加直观的反映触头弹跳的情况，以及同一触桥两个触点闭合时的不同步性等问题。触头接触压力信号可以为今后研究最佳合闸相角等交流接触器的动态参数、深入研究触头接触瞬间触头接触压力同接触电阻、触头振动等其他参数之间的关系，以及交流接触器的优化设计提供新的数据。

本发明的技术方案：

一种交流接触器触头接触压力动态测试装置，该装置包括上位机和下位机；上位机为工控机，下位机包括：触头接触压力传感器、电荷放大器、信号调理电路、高速数据采集卡、合闸相角控制器；交流接触器为测试试品；

连接方式为：触头接触压力传感器粘接在接触器试品上，触头接触压力传感器的信号输出端通过屏蔽线与电荷放大器连接；电荷放大器的输出端通过屏蔽线连接到信号调理电路；信号调理电路的输出端通过屏蔽线与高速数据采集卡连接；高速数据采集卡的输出端与工控机相连；工控机的输出端连接到合闸相角控制器的信号输入端，合闸相角控制器的信号输出端与交流接触器试品相连；

所述的触头接触压力传感器由引出线、上表面保护膜，PVDF压电薄膜和下表面保护膜构成；PVDF压电薄膜的上、下表面分别为上表面保护膜和下表面保护膜，两者的材质都是聚四氟乙烯；PVDF压电薄膜的一端有引出线用来引出压电薄膜产生的电荷。

所述的合闸相角控制器组成包括电压检测电路、单片机和合闸执行器三部分；其中单片机分别与电压检测电路、合闸执行器相连，单片机与工控机相连，合闸执行器与交流接触器相连。

所述的合闸控制器中，电压检测电路主要组成为过零比较器，过零比较器为LM324芯片；单片机为Atmel公司的AT89S52型单片机；合闸执行器为大功率的场效应管SSP17N80C。

高速数据采集卡为PCI-1712L型数据采集卡。

本装置的测试试品为交流接触器。

所述的交流接触器触头接触压力动态测试装置的测试方法，包括以下步骤：

（1）、测试时，用绝缘胶将触头接触压力传感器粘贴在被测交流接触器的静触头的上表面，引出线从静触头支架的上部空隙中引出，通过压电传感器专用屏蔽线引入到电荷放大器；

（2）、总电源上电，工控机程序检查各个模块供电电压是否正常，如果正常，程序对所有设备进行初始化设置；

（3）、在工控机上设定实验参数；

（4）、工控机与下位机选相合闸相角控制器通信，将合/分闸相角发给选相合闸相角控制器，并向选相合闸相角控制器发送合/分闸的控制指令；

（5）、选相合闸相角控制器收到合/分闸命令后，执行合/分闸程序，控制交流接触器吸合或分断。合/分闸命令执行完毕后，检测交流接触器试品是否正常吸合或分断，若出现故障，下位机向工控机发送故障提示；

（6）、选相合闸相角控制器执行合闸程序以后，触头接触压力传感器上就会有接触压力信号出现，这个信号经电荷放大器放大处理后输入信号调理电路；

（7）、经信号调理电路处理后的数据进入高速数据采集卡；

（8）、工控机控制接收高速数据采集卡所采集的数据信号；

（9）、工控机对所采集的信号波形进行显示并存储测试结果。

本发明与现有技术相比有以下几个主要的有益效果：

1、本装置由工控机控制整个测试过程，可自动、准确完成交流接触器动态特性测量试验，提高了测量试验的自动化水平；提供了良好的人机交互操作界面，方便用户进行试验和查看试验结果。

2、本发明所设计的触头接触压力传感器可与其它测量交流接触器动态特性参数的方法（装置）组合使用，从而实现交流接触器动态特性参数的综合测量。

3、本发明所设计的触头接触压力传感器可以实现触头压力的动态测量，填补了交流接触器动态触头接触压力参数测量方面的空白。

4、本发明所设计的触头接触压力传感器测力范围广，适用于所有型号的接触器。

5、本发明所设计的触头接触压力传感器有较高的精度，可以准确记录触头上的压力变化。

6、本装置测量触头动态压力变化的同时，还可以反映触头的弹跳情况。通过触头压力的幅值变化情况，可以很明显的看出触头弹跳的次数，以及触头的振动过程，包括无危险振动。

7、本装置可以对同一触桥两端的两个触点分别或同时进行测量。可用于分析触头系统运动过程中触桥两端两个触点上压力的变化情况，实现从新的角度分析双断点触头系统的动态过程。

8、本装置可以实现所有的主触头、辅助触头同步或分别测量，可用于分析三相主触头的不同时合闸问题。

9、本发明所设计的触头接触压力传感器可进一步用于测量交流接触器动、静铁芯之间的动态压力变化情况。

附图说明：

图1是本发明实施例触头接触压力测试装置结构框图。

图2是本发明实施例触头接触压力传感器结构示意图。

图3是本发明实施例触头接触压力传感器安装位置示意图。

图4是本发明实施例合闸相角控制器的组成及连接关系图。

图5是本发明实施例测试系统的软件流程图。

图6是用ADAMS软件仿真的理想波形图。

图7是合闸相角约为240°时触头接触压力的动态变化波形图。

图8是合闸相角约为0°时触头接触压力的动态变化波形图。

图9是合闸相角约为70°时触头接触压力的动态变化波形图。

图10是合闸相角约为270°时触头接触压力的动态变化波形图。

具体实施方式：

实施例：（结合附图具体说明）：

本发明所述的交流接触器触头接触压力动态测试装置的组成如图1所示，分为上位机和下位机；上位机为工控机（6），下位机包括：触头接触压力传感器（2）、电荷放大器（3）、信号调理电路（4）、高速数据采集卡（5）、合闸相角控制器（7）；交流接触器（1）为测试试品。

连接方式为：触头接触压力传感器（2）粘接在接触器试品（1）上，触头接触压力传感器（2）的信号输出端通过屏蔽线与电荷放大器（3）连接；电荷放大器（3）的输出端通过屏蔽线连接到信号调理电路（4）；信号调理电路（4）的输出端通过屏蔽线与高速数据采集卡（5）连接；高速数据采集卡（5）的输出端与工控机（6）相连；工控机（6）的输出端连接到合闸相角控制器（7）的信号输入端，合闸相角控制器（7）的信号输出端与交流接触器（1）试品相连；工控机（6）由显示器、计算机主机、键盘、鼠标组成，它分别与高速数据采集卡（5）和合闸相角控制器（7）相连。

电荷放大器（3）选用的是北戴河无线电厂新技术产业公司的DHF-10型六通道高精度电荷放大器。信号调理电路（4）采用研华公司提供的PCLD-8712型信号调理模块。高速数据采集卡（5）是研华公司提供的PCI-1712L型数据采集卡；工控机（6）是研华公司提供的610H型工控机。

如图2所示，本发明所述的触头接触压力传感器（2）由引出线（8）、上表面保护膜（9），PVDF压电薄膜（10）和下表面保护膜（11）构成；该触头接触压力传感器的核心部件是PVDF压电薄膜（10），它是感测压力的敏感元件；PVDF压电薄膜（10）的上下表面有保护膜：上表面保护膜（9）和下表面保护膜（11），两者的材质都是聚四氟乙烯，它们的作用是保护和绝缘。PVDF压电薄膜（10）的一端有引出线（8）用来引出压电薄膜产生的电荷。PVDF压电薄膜的标准名称为聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜，技术标准：压电常数d33为21±1PC/N；厚度公差为±5%；厚度是30μm。

图3是触头接触压力传感器（2）的安装位置示意图，如图所示，触头接触压力传感器（2）的一端被固定在减震支撑（15）上，减震支撑（15）固定在静触头支架（14）上，该减震支撑的材质是上海静音减振器有限公司的JD1型橡胶减振垫；测试时用绝缘胶（12）将触头接触压力传感器（2）粘贴在被测交流接触器（1）的静触头（13）的上表面，引出线（8）从静触头支架（14）上部的空隙中引出，通过压电传感器专用屏蔽线引入到电荷放大器（3）。

图4为选相合闸控制器（7）的原理图：选相合闸控制器（7）的组成及连接关系为：选相合闸相角控制器（7）包括电压检测电路（16）、单片机（17）和合闸执行器（18）三部分；其中单片机（17）分别与电压检测电路（16）、合闸执行器（18）相连，单片机（17）与工控机（6）相连，合闸执行器（18）与交流接触器（1）相连；上位机即工控机（6）作为主机控制试验过程，根据用户要求向单片机（17）发送所需的合闸相角值，单片机（17）接到指定的合闸相角后，采集电压检测电路（16）的激磁电压信号，并计算得到当前激磁电压的过零时间点及精确的周期，然后按照工控机（6）指定的合闸相角计算延迟时间，延迟触发合闸执行器（18）控制交流接触器（1）动作来完成交流接触器的选相合闸功能。

选相合闸控制器（7）中电压检测电路（16）主要器件为过零比较器，由其实现电压检测功能，过零比较器为LM324芯片；单片机（17）选用Atmel公司的AT89S52型单片机；合闸执行器（18）选用大功率的场效应管SSP17N80C。

图5是程序控制流程图，具体描述如下：测试系统在进行测试前，要先进行初始化，检测各个功能模块是否正常，保证测量模块的各个传感器处于准备状态，并检测电源电压是否达到测试要求。当单片机（17）收到工控机（6）发送的合闸命令时，单片机（17）开始采集电压检测电路（16）的激磁电压过零信号，然后单片机（17）再计算出指定的相角所对应的延迟时间；延迟时间到时，通过I/O口向合闸执行器（18）发送合闸命令，合闸执行器（18）控制交流接触器（1）动作实现交流接触器的选相合闸；合闸执行器（18）发出合闸指令的同时，信号调理模块（4）、高速数据采集卡（5）开始工作，将采集到的数据信号输入工控机（6）进行存储和显示。该装置采用LabVIEW进行软件编程，可以很容易的实现数据采集、显示和存储功能。

以市售获得的CJ20-25交流接触器为样品进行一相主触头接触压力的动态测试，测试时，需要测哪个触头的触头接触压力，就在那个触头的静触头上粘贴一个触头接触压力传感器。该交流接触器为双断点桥式触头，故需在其一相主触头的两个静触头上均粘贴该触头接触压力传感器。

测试时室内温度为17℃，湿度为21%，电荷放大器设定值为灵敏度21pc，增益0.1k，连续采集了20组数据，目的是观察：触头接触压力动态变化的趋势；不同合闸相角下触头接触压力峰值的变化情况和触头的弹跳情况。

本发明交流接触器触头接触压力动态测试装置的测试方法，包括如下步骤：

1、如图3所示，用绝缘胶（12）将触头接触压力传感器（2）粘贴在被测交流接触器的静触头（13）的上表面，引出线（8）从静触头支架（14）的上部空隙中引出，通过压电传感器专用屏蔽线引入到电荷放大器（3）。

2、总电源上电，工控机（6）程序检查各个模块供电电压是否正常，如果正常，程序对所有设备进行初始化设置。

3、在工控机（6）上设定实验参数，如合闸相角等。

4、工控机（6）与下位机选相合闸相角控制器（7）通信，将合/分闸相角发给选相选相合闸相角控制器（7），并向选相合闸相角控制器（7）发送合/分闸的控制指令。

5、选相合闸相角控制器（7）收到合/分闸命令后，执行合/分闸程序，控制交流接触器吸合或分断。合/分闸命令执行完毕后，检测交流接触器试品（1）是否正常吸合或分断，若出现故障，下位机向工控机（6）发送故障提示。

6、选相合闸相角控制器（7）执行合闸程序的同时，触头接触压力传感器（2）上就会有接触压力信号出现，这个信号经电荷放大器（3）放大处理后输入信号调理电路（4）。

7、经信号调理电路（4）处理后的数据进入高速数据采集卡（5）。

8、工控机（6）控制接收高速数据采集卡（5）所采集的数据信号。

9、工控机（6）对信号进行处理并显示、存储测试结果。

图6是用ADAMS软件仿真的一个触头接触压力的理想波形图，其中A是一次弹跳的脉冲波形，B是二次弹跳的脉冲波形，C代表终压力脉冲波形；图7是合闸相角约为240°时触头接触压力的动态变化波形图，其中波形F1和波形F2分别是同一触桥上、下两个触点的压力变化波形。将图6的仿真波形同图7中的脉冲波形F2对比可以看出，图7中波形F2可以反映出触头一次弹跳和二次弹跳的动态变化过程，两次弹跳之间的每次颤振，经放大也可以显示出来。当然我们也可以得到触头一次弹跳和二次弹跳的接触压力峰值大小。可见此方法可以得到清晰的触头接触压力的动态信号全过程。

另外，在图7中对比波形F1和波形F2可以看出，同一触桥上两个触点的接触压力的幅值变化是不一致的。波形F1的幅值变化要比波形F2平稳的多，弹跳和振动都不如波形F2明显。从时间轴上对比波形F1和波形F2的初次上升时间，可以很清晰的看出同一触桥上两个触点动作的不同步性。造成以上的不一致和不同步性的原因，一是由于交流接触器触头触桥的支撑结构的限制，再者是工作和测试时必须将交流接触器水平安装，当触头闭合时，由于触头触桥支架下部与交流接触器壳体摩擦较大，会使两个触点的闭合时间和触头接触压力大小有一定差别。

为了展示效果，我们附上图8、9、10，分别是合闸相角约为0°、70°、270°时的接触压力波形图。图8中的波形F3和F4分别是同一触桥上两个触点的接触压力变化波形，波形U代表电流，波形V代表电压。对比这三张图可以看出，合闸相角不同时，触头压力的幅值变化很大；通过触头压力的幅值变化情况，可以很明显的看出触头弹跳的次数，以及触头的振动过程，包括无危险振动（即触头闭合时有振动，但是动、静触头并不分离，低压电器行业把此时的触头振动称之为无危险振动）也能反映出来。这对于我们判断最佳合闸相角是非常有价值的。

该方法可以单独或同时测试任一触头的接触压力，放还可以将该触头接触压力传感器放置于动、静铁芯之间，以测量交流接触器动、静铁芯之间动态接触压力信号。本测试系统可以随时存储触头接触压力及动、静铁芯之间接触压力信号的数据，以供日后分析处理。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种交流接触器触头接触压力动态测试装置，其特征为该装置包括上位机和下位机；上位机为工控机，下位机包括：触头接触压力传感器、电荷放大器、信号调理电路、高速数据采集卡、合闸相角控制器；交流接触器为测试试品；

连接方式为：触头接触压力传感器粘接在交流接触器试品上，触头接触压力传感器的信号输出端通过屏蔽线与电荷放大器连接；电荷放大器的输出端通过屏蔽线连接到信号调理电路；信号调理电路的输出端通过屏蔽线与高速数据采集卡连接；高速数据采集卡的输出端与工控机相连；工控机的输出端连接到合闸相角控制器的信号输入端，合闸相角控制器的信号输出端与交流接触器试品相连； 

所述的触头接触压力传感器由引出线、上表面保护膜、PVDF压电薄膜和下表面保护膜构成； PVDF压电薄膜的上、下表面分别为上表面保护膜和下表面保护膜，两者的材质都是聚四氟乙烯；PVDF压电薄膜的一端有引出线用来引出压电薄膜产生的电荷；

所述的合闸相角控制器组成包括电压检测电路、单片机和合闸执行器三部分；其中单片机分别与电压检测电路、合闸执行器相连，单片机与工控机相连，合闸执行器与交流接触器相连。

2.如权利要求1所述的交流接触器触头接触压力动态测试装置，其特征为所述的合闸控制器中，电压检测电路主要组成为过零比较器，过零比较器为LM324芯片；单片机为Atmel 公司的AT89S52型单片机；合闸执行器为大功率的场效应管SSP17N80C。

3.如权利要求1所述的交流接触器触头接触压力动态测试装置，其特征为高速数据采集卡为PCI-1712L型数据采集卡。

4.如权利要求1所述的交流接触器触头接触压力动态测试装置的测试方法，其特征为包括以下步骤：

（1）、测试时，用绝缘胶将触头接触压力传感器粘贴在被测交流接触器的静触头的上表面，引出线从静触头支架上部的空隙中引出，通过压电传感器专用屏蔽线引入到电荷放大器；

（2）、总电源上电，工控机程序检查各个模块供电电压是否正常，如果正常，程序对所有设备进行初始化设置；

（3）、在工控机上设定实验参数；

（4）、工控机与下位机的选相合闸相角控制器通信，将合/分闸相角发给选相合闸相角控制器，并向选相合闸相角控制器发送合/分闸的控制指令；

（5）、选相合闸相角控制器收到合/分闸命令后，执行合/分闸程序，控制交流接触器吸合或分断；合/分闸命令执行完毕后，检测交流接触器试品是否正常吸合或分断，若出现故障，下位机向工控机发送故障提示；

（6）、选相合闸相角控制器执行合闸程序以后，触头接触压力传感器上就会有接触压力信号出现，这个信号经电荷放大器放大处理后输入信号调理电路；

（7）、经信号调理电路处理后的数据进入高速数据采集卡；

（8）、工控机控制接收高速数据采集卡所采集的数据信号；

（9）、工控机对所采集的信号波形进行显示并存储测试结果。

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