CN109855851A - 一种交流接触器机械特性测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及触点电器智能化领域，具体涉及一种交流接触器机械特性测量方法及装置。包括主触头固定装置、外壳固定装置及连接装置；所述连接装置分别与主触头固定装置及外壳固定装置可拆卸式相连，形成一整体结构；所述主触头固定装置用于固定被测交流接触器的主触头，所述外壳固定装置与被测交流接触器的外壳相连。

Description

一种交流接触器机械特性测量方法及装置

技术领域

本发明涉及触点电器智能化领域，具体涉及一种交流接触器机械特性测量方法及装置。

背景技术

开关电器中交流接触器应用十分广泛，其运行状态会直接影响整个电力系统的运行，电器智能化的一个突出特点是可在线监测，这对交流接触器性能退化评估有重要意义。现阶段在对交流接触器动触头速度、加速度等物理量上的精确获取较为困难，动触头在直线运动时若以传统方法加装振动传感器，势必会因重力作用上下摆动而产生较大的干扰信号，不易滤除，影响有用信号的获取与处理，所以在获取这些物理量时，需要有相对应的、稳定的装置来与交流接触器以及振动传感器相配合。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种CJX2-5011型交流接触器机械特性测量方法及装置，其以更准确的获取交流接触器动触头的速度、加速度等物理量，以实现对交流接触器的在线监测与状态评估。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种交流接触器机械特性测量装置，包括主触头固定装置、外壳固定装置及连接装置；

所述连接装置分别与主触头固定装置及外壳固定装置可拆卸式相连，形成一整体结构；

所述主触头固定装置用于固定被测交流接触器的主触头，所述外壳固定装置与被测交流接触器的外壳相连。

作为本发明的一种优选方案，所述主触头固定装置包括主触头固定体，该主触头固定体上开设有螺纹孔，主触头固定体上还设置有夹持凹槽，被测交流接触器的主触头与该夹持凹槽卡接相连。

作为本发明的另一种优选方案，所述夹持凹槽个数有两个，两夹持凹槽位置相对而设。

作为本发明的另一种优选方案，所述外壳固定装置包括外壳固定体，该外壳固定体上设置有突出于外壳固定体的凸台，该凸台位于外壳固定体的一侧；一直线轴承贯通外壳固定体与凸台，嵌于外壳固定体与凸台内；外壳固定体的另一侧还设置有用于挂接接触器外壳的外壳挂钩，该外壳固定体上还设置有用于连接接触器外壳的连接孔，通过螺栓依次穿过连接孔及接触器外壳安装孔，将接触器外壳与外壳固定体连接于一体。

作为本发明的另一种优选方案，所述凸台为圆形凸台。

作为本发明的另一种优选方案，所述连接装置包括位于的中间柱形体，以及设置于中间柱形体两端的螺纹杆；连接装置与外壳固定装置相连时，其中间柱形体穿过外壳固定装置、与外壳固定装置的直线轴承配合连接，且连接装置的一螺纹杆伸出凸台、与振动传感器螺纹相连，连接装置的另一螺纹杆伸出外壳固定体、与主触头固定体通过螺纹孔螺纹相连。

一种交流接触器机械特性测量方法，包括以下步骤。

步骤1、将被测交流接触器固定于机械特性测量装置；安装于此装置的振动传感器可以在交流接触器垂直于地面固定时，不受重力和触头动力的影响；避免产生松动导致振动传感器脱落并损坏的状况，且能够防止因振动传感器上下摆动而在信号采集时产生干扰；

步骤2、单片机控制板通过控制继电器来间接控制被测交流接触器的线圈的得电与失电，且单片机通过RS485总线与计算机相连；

步骤3、NI数据采集卡采集振动传感器的信号，且NI数据采集卡与计算机相连，通过NI数据采集卡将振动信息传送至计算机；

步骤4、在计算机上利用Matlab遗传算法VMD参数优化与小波阈值对振动信号进行去噪处理；

步骤5、计算机发出命令，线圈通电使主触头动作，与主触头相连的固定装置带动连接装置，从而使振动传感器动作，传感器动作的机械特性与主触头的机械特性相同；

步骤6、振动传感器输出的电压信号通过NI数据采集卡将数据反映到计算机上的Labview交互界面，将电信号转化为数字量，从而得到机械特性。

优选地，所述步骤4中的去噪处理的第一步先利用遗传算法选择合适的VMD 参数，接着使用VMD方法对含噪声的信号进行自适应分解，最后对分解的模态分别进行小波阈值处理后重构信号，得到去噪后的信号。

优选地，利用遗传算法VMD参数优化与小波阈值对振动信号进行去噪处理，利用遗传算法VMD参数优化与小波阈值对振动信号进行去噪处理，包括以下步骤：

步骤1、利用遗传算法优化VMD参数，使其能够准确分解原信号；

步骤2、利用VMD方法对实际获取的振动信号进行分解；

步骤3、对分解的分量分别进行小波软阈值处理；

步骤4、重构原信号，得到去噪后的结果。

与现有技术相比本发明有益效果。

本发明机械特性装置不受重力和触头动力的影响，使固定产生松动导致振动传感器脱落并损坏的状况，最重要的是能够防止因振动传感器上下摆动而在信号采集时产生干扰，影响实验结果的分析与后续研究。

本发明机械特性测试方法运用降噪和数据校正，能够获得误差更小的数据。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明主触头固定装置结构示意图。

图2是本发明主触头与固定装置装配示意图。

图3是本发明接触器外壳结构示意图。

图4-6是本发明外壳固定装置结构图。

图7是本发明连接装置结构图。

图8-9是本发明装置装配图。

图10是交流接触器机械特性测量方法系统框图。

图11是未振动时振动传感器输出信号。

图12是运用本测量方法得到的未降噪原始信号。

图13是原始振动信号经过降噪处理后的信号。

图14是运用本测量方法得到的实测数据。

图15为连接装置与主触头固定装置、外壳固定装置连接示意图。

图中，1为主触头固定装置、2为夹持凹槽、3为螺纹孔、4为主触头、5为连接孔、6为直线轴承、7为接触器外壳安装孔、8为凸台、9为中间柱形体、 10为螺纹杆、11为振动传感器、12为接触器外壳、13为外壳固定装置、14为接触器外壳挂钩、15为插入接触器外壳挂钩的凸台。

具体实施方式

如图1-15所示，一种交流接触器机械特性测量装置，包括主触头固定装置 1、外壳固定装置及连接装置；所述连接装置分别与主触头固定装置1及外壳固定装置可拆卸式相连，形成一整体结构；所述主触头固定装置1用于固定被测交流接触器的主触头4，所述外壳固定装置与被测交流接触器的外壳相连。

作为本发明的一种优选方案，所述主触头固定装置1包括主触头固定体，该主触头固定体上开设有螺纹孔3，主触头固定体上还设置有夹持凹槽2，被测交流接触器的主触头4与该夹持凹槽2卡接相连。

作为本发明的另一种优选方案，所述夹持凹槽2个数有两个，两夹持凹槽2 位置相对而设。

作为本发明的另一种优选方案，所述外壳固定装置包括外壳固定体，该外壳固定体上设置有突出于外壳固定体的凸台8，该凸台8位于外壳固定体的一侧；一直线轴承6贯通外壳固定体与凸台8，嵌于外壳固定体与凸台8内；外壳固定体的另一侧还设置有用于挂接接触器外壳12的接触器外壳挂钩14，接触器外壳固定装置侧视图中(图5)的插入接触器外壳挂钩的凸台15对应插入图3中接触器外壳挂钩14的凹台，该外壳固定体上还设置有用于连接接触器外壳的连接孔5，通过螺栓依次穿过连接孔5及接触器外壳安装孔7，将接触器外壳与外壳固定体连接于一体。

作为本发明的另一种优选方案，所述凸台8为圆形凸台8。

作为本发明的另一种优选方案，所述连接装置包括位于的中间柱形体9，以及设置于中间柱形体9两端的螺纹杆10；连接装置与外壳固定装置相连时，其中间柱形体9穿过外壳固定装置、与外壳固定装置的直线轴承6配合连接，且连接装置的一螺纹杆10伸出凸台8、与振动传感器11螺纹相连，连接装置的另一螺纹杆10伸出外壳固定体、与主触头固定体通过螺纹孔3螺纹相连。

如图1、2所示，首先，将主触头固定装置1安装在与主触头相连接的蓝色部分上，如必要，可使用胶水进行加固，防止不牢靠。

如图3、4-6所示，主触头固定装置1安装完毕后，将外壳固定装置的两个挂钩滑入外壳的对应位置，微调装置的位置，使装置直线轴承6的圆心与主触头固定装置1的内螺纹圆心对齐。完成操作后，将螺丝旋入对应位置，加以固定。本发明连接装置如图7，装配如图8-9及图15所示，在完成以上步骤后，将连接装置的一端穿过直线轴承6，旋入内螺纹，另一端与振动传感器11相连，就此完成装置的安装，将整套装置垂直地面进行加固，完成之后的测量工作。

交流接触器机械特性测量方法的系统框图如图10所示，计算机上运行有 LABVIEW软件，使用LABVIEW软件控制接触器线圈电流开断，以控制接触器分合闸并收集接触器触头振动信号并加以分析。系统获得未上电时即未振动时的传感器输出信号，对信号进行零点校正，未振动时振动传感器11输出信号如图11 示。

首先针对上位机控制需求设计一套基于Labview软件的数据采集系统，将采集通道、采样率等参数设置好后点击开始，通过RS485通信控制单片机使继电器动作，以使线圈通电，主触头动作。传感器输出的电压信号通过NI采集卡将数据反映到Labview交互界面，所得数据通过Matlab进行计算，将电信号转化为数字量，从而得到机械特性。

一种交流接触器机械特性测量方法，包括以下步骤。

步骤1、将被测交流接触器固定于机械特性测量装置；安装于此装置的振动传感器可以在交流接触器垂直于地面固定时，不受重力和触头动力的影响；避免产生松动导致振动传感器脱落并损坏的状况，且能够防止因振动传感器上下摆动而在信号采集时产生干扰；

步骤2、单片机控制板通过控制继电器来间接控制被测交流接触器的线圈的得电与失电，且单片机通过RS485总线与计算机相连；

步骤3、NI数据采集卡采集振动传感器的信号，且NI数据采集卡与计算机相连，通过NI数据采集卡将振动信息传送至计算机；

步骤4、在计算机上利用Matlab遗传算法VMD参数优化与小波阈值对振动信号进行去噪处理；

步骤5、计算机发出命令，线圈通电使主触头动作，与主触头相连的固定装置带动连接装置，从而使振动传感器动作，传感器动作的机械特性与主触头的机械特性相同；

步骤6、振动传感器输出的电压信号通过NI数据采集卡将数据反映到计算机上的Labview交互界面，将电信号转化为数字量，从而得到机械特性。

在符合实际应用的同时，满足交流接触器智能化控制的需求。编程时需要注意三点：第一，全面考虑交流接触器工作过程中可能出现的情况并予以解决；第二，认真分析每个软件处理过程中消耗的时间，不同的软件设计方案，程序运行时时间的消耗和硬件动作的精确性也有所不同；第三，合理规划程序的具体流程，Labview运行过程中不同环节占用的CPU也有所不同，合理的程序规划可以使数据采集卡运行更加高效合理，不浪费多余的CPU。

在程序开始执行前，首先要手动设置好数据采集卡的采集通道、每通道采样率，设置接触器开始闭合的次数及闭合次数、采集卡采样时间的设置及每次接触器通断的等待时间，以及采集后输出电压电流信号数据文件的保存位置等设置。程序运行后，首先执行初始化程序，对VISA配置端口、DAQmx创建虚拟通道及文件存储路径初始化配置，然后鼠标点击前面板上的开始按钮，数据采集卡开始采集数据，然后线圈回路通电，接触器闭合，一段时间后，线圈断电，接触器触头分离，停止采集数据，数据存储，完成一个周期的信号采集。

在软件的前面板可显示实时波形、采集次数及剩余次数等，并将采集到的所有数据存储在计算机内。之后从上位机内提取采集到的数据用Matlab软件进行分析计算、提取特征参数等工作。

优选地，如图12-14所示，所述步骤4中的去噪处理的第一步先利用遗传算法选择合适的VMD参数，接着使用VMD方法对含噪声的信号进行自适应分解，最后对分解的模态分别进行小波阈值处理后重构信号，得到去噪后的信号。经对比可看出，振动信号经去噪处理后效果更好。

优选地，利用遗传算法VMD参数优化与小波阈值对振动信号进行去噪处理，包括：

步骤1、利用遗传算法优化VMD参数，使其能够准确分解原信号；

步骤2、利用VMD方法对实际获取的振动信号进行分解；

步骤3、对分解的分量分别进行小波软阈值处理；

步骤4、重构原信号，得到去噪后的结果。通过比较SNR和RMSE两个客观参数来验证算法的有效性。

利用遗传算法VMD参数优化与小波阈值对振动信号进行去噪处理，步骤1 中，将测量系统所得机械信号的原信号分解为K个模态函数uk(t)，使得每个模态函数的估计带宽之和最小，相应的约束变分模型可表达为：

s.t.∑_ku_k(x)＝f (1)

式中:{u_k}＝{u₁，…，u_k}表示的是分解得到的K个子模态；{ω_k} ＝{ω₁，…，ω_k}表示的是各分量的频率中心。

引入二次惩罚项因子α和拉格朗日乘子λ(t)，于是扩展的拉格朗日表达式为：

式中:α为惩罚参数；λ为拉格朗日乘子。

采用采用乘法算子交替方向法(ADMM)解决变分问题，通过迭代更新 以及λⁿ⁺¹得到上述函数的最优解。

的取值问题可表达为

式中ω_k相当于∑_iu_i(t)相当于∑_i≠ku_i(t)ⁿ⁺¹

利用Parseval傅立叶等距变换，上式可变为

根据上述同样的方法，中心频率的更新结果为

式中:等同于当前剩余量的维纳滤波结果；是模态函数功率谱的重心。

VMD算法是通过在频域内不断更新的方式，然后再进行傅立叶逆变换得到时域的结果。VMD算法的具体过程可描述如下:

(1)初始化和n；

(2)根据式(4)、式(5)在频域内更新u_k、ω_k；

(3)更新λ，其中

(4)停止迭代。

利用遗传算法VMD参数优化与小波阈值对振动信号进行去噪处理，步骤2 中，利用遗传算法对VMD方法两个输入参数K和α进行参数优化，得到最优的输入参数。

遗传算法搜寻VMD方法的输入参数时需要定义一个适应度函数。信息熵能很好地评价信号的稀疏特性，信息熵的大小反映信号的不确定程度，熵值越大，信号的不确定性越大。信号经解调分解后的包络信号序列e_j,其熵值即为包络熵，可反映原始信号的稀疏特性。零均值信号x(j)(j＝1,2,…,N)的包络熵E_e可表示为

式中e_j为a(j)的归一化形式,a(j)为信号x(j)经希尔伯特变换后的包络信号。

以带输入参数(K,α)的VMD方法分解得到的各u_k分量的包络熵作为遗传算法参数优化时染色体的适应度函数，将最小的包络熵值称为局部极小包络熵值，与之对应的u k分量组合即为此次分解中包括故障特征最明显的分量组合，称为局部最佳分量组合。为了寻全局最佳u_k分量组合，即获得整个遗传代数中包含故障特征信息最明显的u_k分量组合，将局部极小包络熵值作为整个参数寻优过程中的适应度值，将最小化局部极小包络熵值作为最终的参数寻优目标。

利用遗传算法VMD参数优化与小波阈值对振动信号进行去噪处理，步骤3 中，小波阈值去噪方法的具体过程是:

1)选定适当的小波基函数和分解层次，对含噪信号进行小波分解；

2)选定合适的阈值对小波系数进行适当处理，当分解后的小波系数小于选定的阈值时认为小波系数主要是由于噪声引起的，应该置为零；当小波系数大于选定的阈值时认为小波系数主要是由于信号引起的。

3)将阈值化处理后的小波系数再进行小波反变换得到去噪结果。

将函数f(t)在小波基下进行变换，其表达式为：

式中:ψ(t)为小波基函数；a为伸缩量；τ为平移量。

上式可以看出小波变换实际上就是对函数进行积分变换，WT_f(a，τ)表示的是小波后的小波系数，

逆变换的表达式可表示为

对小波系数做门限阈值处理，硬阈值方法是保留较大的系数并将较小的系数置零

软阈值处理是将是将较小的小波系数置为零而较大的系数向零作了收缩。

式中:W_j，k表示的是小波系数；Thr表示阈值，其表达式可表示为

利用遗传算法VMD参数优化与小波阈值对振动信号进行去噪处理，步骤4中利用信噪比(SNR)、均方误差(RMSE)两个客观参数指标来评价对比各种方法的去噪效果。参数SNR反映去噪方法的去噪能力，SNR值越大，去噪效果好；RMSE 反映的是去噪前后的信号幅值的差异，RMSE越小，说明去噪效果越好。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种交流接触器机械特性测量装置，其特征在于，包括主触头固定装置、外壳固定装置及连接装置；

所述连接装置分别与主触头固定装置及外壳固定装置可拆卸式相连，形成一整体结构；

所述主触头固定装置用于固定被测交流接触器的主触头，所述外壳固定装置与被测交流接触器的外壳相连。

2.根据权利要求1所述的一种交流接触器机械特性测量装置，其特征在于：所述主触头固定装置包括主触头固定体，该主触头固定体上开设有螺纹孔，主触头固定体上还设置有夹持凹槽，被测交流接触器的主触头与该夹持凹槽卡接相连。

3.根据权利要求2所述的一种交流接触器机械特性测量装置，其特征在于：所述夹持凹槽个数有两个，两夹持凹槽位置相对而设。

4.根据权利要求1所述的一种交流接触器机械特性测量装置，其特征在于：所述外壳固定装置包括外壳固定体，该外壳固定体上设置有突出于外壳固定体的凸台，该凸台位于外壳固定体的一侧；一直线轴承贯通外壳固定体与凸台，嵌于外壳固定体与凸台内；外壳固定体的另一侧还设置有用于挂接接触器外壳的外壳挂钩，该外壳固定体上还设置有用于连接接触器外壳的连接孔，通过螺栓依次穿过连接孔及接触器外壳安装孔，将接触器外壳与外壳固定体连接于一体。

5.根据权利要求4所述的一种交流接触器机械特性测量装置，其特征在于：所述凸台为圆形凸台。

6.根据权利要求1所述的一种交流接触器机械特性测量装置，其特征在于：所述连接装置包括位于的中间柱形体，以及设置于中间柱形体两端的螺纹杆；连接装置与外壳固定装置相连时，其中间柱形体穿过外壳固定装置、与外壳固定装置的直线轴承配合连接，且连接装置的一螺纹杆伸出凸台、与振动传感器螺纹相连，连接装置的另一螺纹杆伸出外壳固定体、与主触头固定体通过螺纹孔螺纹相连。

7.一种交流接触器机械特性测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将被测交流接触器固定于机械特性测量装置；安装于此装置的振动传感器可以在交流接触器垂直于地面固定时，不受重力和触头动力的影响；避免产生松动导致振动传感器脱落并损坏的状况，且能够防止因振动传感器上下摆动而在信号采集时产生干扰；

步骤2、单片机控制板通过控制继电器来间接控制被测交流接触器的线圈的得电与失电，且单片机通过RS485总线与计算机相连；

步骤3、NI数据采集卡采集振动传感器的信号，且NI数据采集卡与计算机相连，通过NI数据采集卡将振动信息传送至计算机；

步骤4、在计算机上利用Matlab遗传算法VMD参数优化与小波阈值对振动信号进行去噪处理；

步骤5、计算机发出命令，线圈通电使主触头动作，与主触头相连的固定装置带动连接装置，从而使振动传感器动作，传感器动作的机械特性与主触头的机械特性相同；

步骤6、振动传感器输出的电压信号通过NI数据采集卡将数据反映到计算机上的Labview交互界面，将电信号转化为数字量，从而得到机械特性。

8.根据权利要求7所述的一种交流接触器机械特性测量方法，其特征在于：所述步骤4中的去噪处理的第一步先利用遗传算法选择合适的VMD参数，接着使用VMD方法对含噪声的信号进行自适应分解，最后对分解的模态分别进行小波阈值处理后重构信号，得到去噪后的信号。

9.根据权利要求8所述的一种交流接触器机械特性测量方法，其特征在于，利用遗传算法VMD参数优化与小波阈值对振动信号进行去噪处理包括以下步骤：

步骤1、利用遗传算法优化VMD参数，使其能够准确分解原信号；

步骤2、利用VMD方法对实际获取的振动信号进行分解；

步骤3、对分解的分量分别进行小波软阈值处理；

步骤4、重构原信号，得到去噪后的结果。