CN110375981B - 一种断路器机械特性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种断路器机械特性测试方法，通过tof深感镜头单元，结合高速摄像头单元的成像原理得到检测目标的三维运动轨迹图像信息以及旋转轨迹所在平面信息，根据每帧的三维空间位置得到真实的行程(角度)时间特性曲线，根据检测目标与触头实际运动行程的关系换算得到触头的实际行程时间曲线，进而获得断路器包括速度在内的各机械特性参数。所有测量数据均由所述断路器机械特性测试装置采集计算，提升了测量精度，本发明提供的一种断路器机械特性测试方法可多角度对被测断路器进行测量。

Description

一种断路器机械特性测试方法

技术领域

本发明涉及断路器机械性能测试领域，尤其涉及一种断路器机械特性测试方法。

背景技术

断路器是电网中一种必不可少的一次设备，断路器能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流。因此，断路器是电网系统中调整运行方式，切断、隔离故障点的重要设备。

断路器的机械特性影响着断路器开断电流的能力。断路器速度是机械特性中的重要参数，断路器合闸速度不足会导致触头预击穿时间过长，断路器分闸时间不足会增加燃弧时间，产生大量热量使灭弧室压力过大，轻者损伤断路器触头，严重时会发生断路器爆炸事故，扩大事故范围，损坏电网安全。断路器分合闸时间过快会使机构、触头的磨损增大，减小设备寿命。所以断路器机械特性的测量尤为重要。

现有的断路器速度测量方法主要有加速度传感器、光电传感器测试法。采用加速度传感器、光电传感器测试法，传感器安装困难，安装测试过程中有一定风险，传感器安装接头不通用，部分断路器需安装专用传感器支架，部分断路器无法安装传感器，传感器存在测量死区。目前已有高速摄像机测量断路器分合闸特性的运用，单摄像头只能采集被测物的平面投影图像信息，摄像机需垂直正对被测物，还需要其它辅助测量计算才能获得结果。由上可知，目前对断路器机械特性的测量所采用的方法采用平面成像，会因透视效果产生误差，不能够多角度对被测断路器进行测量。

发明内容

本发明提供了一种断路器机械特性测试方法，以解决断路器机械特性的测量所采用的方法采用平面成像，会因透视效果产生误差，不能够多角度对被测断路器进行测量的问题，以及因安装条件造成不能对断路器进行速度测试问题。

第一方面，本发明提供一种断路器机械特性测试装置，包括tof深感镜头单元、高速摄像镜头单元、控制计算单元，其中，

tof深感镜头单元，tof深感镜头单元高速摄像镜头单元上，用于向测试目标连续发送光脉冲后接收从测试目标返回的光，还用于将光电信号转换为电信号，再通过模数转换将电信号转换为数字信号，还用于对数字信号进行处理后计算光脉冲的往返时间，即得到测试目标的距离，还用于将测试目标的距离发送至控制计算单元；

高速摄像镜头单元，用于拍摄运动中测试目标的多帧运动图像信息，还用于将多帧运动图像信息发送至控制计算单元；

控制计算单元，用于控制tof深感镜头单元、高速摄影镜头单元的启动、停止，还用于同步tof深感镜头单元、高速摄影镜头单元的时钟，还用于将接收到测试目标的距离、多帧运动图像信息进行计算从而获得断路器的机械特性数据。

可选择地，所述tof深感镜头单元包括tof镜片、tof光电传感器、模数转换器、触发脉冲、红外光源、tof图像处理器、tof数据采集器，其中：

tof镜片，用于接收测试目标返回的红外光源光脉冲，将光脉冲投影至tof光电传感器上；

tof光电传感器，用于接收测试目标返回的光并将光电信号转换为电信号，还用于将电信号发送至模数转换器；

模数转换器，用于将接收到的电信号转换成数字信号，还用于将数字信号发送至图像处理器；

触发脉冲，用于发出脉冲信号，使红外光源激发红外光脉冲；

红外光源，用于将红外光透过镜片发送至测试目标；

tof图像处理器，用于将接收到的数字信号进行处理后计算出光脉冲的往返时间，从而得到测试目标的距离，然后将测试目标的距离发送至数据采集器；

tof数据采集器，用于将接收到的测试目标的距离发送至控制计算单元。

可选择地，所述高速摄像镜头单元包括高速摄像镜片组、高速摄像光电传感器、高速摄像图像处理器、高速摄像数据采集器、强光光源，其中：

强光光源，用于发射红外光谱比较低的强可视光照射测试目标，提供高速摄像机足够的曝光量；

高速摄像镜片组，用于将一定视角中的反射可见光信号投影到高速摄像光电传感器上，测试目标在该视角之中；

高速摄像光电传感器，用于接收测试目标返回的多帧运动图像信息，还用于将多帧运动图像信息发送至高速摄像图像处理器；

高速摄像图像处理器，用于对接收到的多帧运动图像信息进行处理，得到处理后的多帧运动图像信息，还用于将处理后的多帧运动图像信息发送至高速摄像数据采集器；

高速摄像数据采集器，用于将接收到的处理后的多帧运动图像信息发送至控制计算单元。

第二方面，本发明提供一种断路器机械特性测试方法，其特征在于，所述方法包括：

在断路器转轴上的旋转面标定一个黄点和绿点，通过tof深感镜头单元和高速摄像镜头单元，测得断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标；

所述断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标获取的步骤为：

在断路器的拐臂转轴上的一个垂直于旋转轴的平面上标记一个黄点和一个绿点；

将高速摄像镜头单元入射角与向旋转平面保持在45°～90°间拍摄；

建立以高速摄像镜头单元等效小孔位置为原点(0,0,0)的参考三维坐标系，其中，垂直于高速摄像光电传感器平面为x轴，与高速摄影头光电传感器长边平行为y轴，与高速摄影头光电传感器宽边平行的为z轴，高速摄像镜片组指向测试目标方向为x轴正方向；

建立球面方程，其中，设置tof深感镜头单元的原点坐标为(a，b，c)，tof深感镜头单元测得与测试目标的距离为L，以tof深感镜头单元测距原点为球心，半径为L的球面，球面函数方程为：

(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²＝L²

通过高速摄像镜头单元的成像点确定一条穿过高速摄像镜头单元等效小孔成像原理的小孔位置点的直线，即穿过坐标系原点的直线，即为测试目标成像过程中的反射光入射光路，摄像机光电传感器等效成像位置的坐标为(A，B，C)，则该直线为

解方程组

可得直线与球面的两个交点，x>0的交点坐标即为测试目标的位置实际坐标(X，Y，Z)；

控制断路器分闸或者合闸动作，通过高速摄像镜头单元拍摄获得断路器动作时标定的每帧黄点动作过程图像；

通过tof深感镜头单元和高速摄像镜头单元测得断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标；

通过控制计算单元，根据断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标、断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标，计算出黄点、绿点旋转轨迹所在平面的函数及旋转圆心坐标；

通过高速摄像镜头单元拍摄获得断路器动作时标定的黄点动作过程图像，结合断路器动作时标定的每帧黄点动作过程图像，根据旋转圆心坐标还原出黄点在旋转轨迹所在平面上每帧的真实空间轨迹信息和旋转角度信息；

通过控制计算单元，根据每帧黄点的真实空间轨迹信息、旋转角度信息及该帧所记录的拍摄时间，获得旋转角度—时间曲线；

根据旋转角度与断路器触头实际行程的比例关系换算得到断路器触头的行程—时间曲线，进而得到断路器的机械特性数据。

可选择地，所述通过tof深感镜头单元和高速摄像镜头单元测得断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标的步骤与所述通过tof深感镜头单元和高速摄像镜头单元，测得断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标的步骤相同。

可选择地，所述通过控制计算单元，根据断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标、断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标，计算出黄点、绿点旋转轨迹所在平面的函数及旋转圆心坐标包括：

计算平面函数，通过控制计算单元，根据断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标、断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标，计算出平面函数为：

dx+ey+fz+g＝0

选取断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标、断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标四个点中任意三点坐标，若三点不共线，则将三点坐标带入平面函数方程可求得d、e、f、g，由此可以得到断路器转轴上旋转面所在平面信息，若选取三点共线则选取另一个三点组合，计算出在断路器转轴上旋转面上旋转前后绿点的中垂面，断路器转轴上旋转面上旋转前后黄点的中垂面，两个中垂面与旋转平面三个平面的交点即为旋转面上旋转圆心坐标(X₀，Y₀，Z₀)。

可选择地，所述旋转圆心坐标(X₀，Y₀，Z₀)按照如下步骤计算得到：

设置旋转前黄点坐标为(a₁，b₁，c₁)，旋转后黄点坐标为(a₁′，b₁′，c₁′)，旋转前绿点坐标为(a₂，b₂，c₂)，旋转后绿点坐标为(a₂′，b₂′，c₂′)；

则旋转前后黄点中垂面为：

(a₁-a₁′)x+(b₁-b₁′)y+(c₁-c₁′)z+((a₁′)²-a₁ ²)+((b₁′)²-b₁ ²)+((z₁′)²-z₁ ²)＝0

则旋转前后两绿点中垂面为：

(a₂-a₂′)x+(b₂-b₂′)y+(c₂-c₂′)z+((a₂′)²-a₂ ²)+((b₂′)²-b₂ ²)+((z₂′)²-z₂ ²)＝0

两个函数与平面函数dx+ey+fz+g＝0联立求解得到旋转圆心坐标(X₀，Y₀，Z₀)。

可选择地，所述通过高速摄像镜头单元拍摄获得断路器动作时标定的黄点动作过程图像，结合断路器动作时标定的每帧黄点动作过程图像，根据旋转圆心坐标还原出黄点在旋转轨迹所在平面上每帧的真实空间轨迹信息和旋转角度信息包括：

通过高速摄像镜头单元拍摄测得每一帧上黄点(记为点A)的旋转轨迹所在平面信息与成像点坐标(X₁′，Y₁′，Z₁′)，可以还原出每一帧上黄点(记为点A′)的实际坐标(X₁，Y₁，Z₁)，

求

的解，得(X₁，Y₁，Z₁)；

根据旋转圆心坐标以及点A坐标可以计算出旋转半径r，与初始点A坐标(X，Y，Z)进行比较得到每一帧上黄点的旋转角度，由于断路器拐臂转轴旋转小于180°，根据余弦定理，有：

求得旋转角度信息声

由以上技术方案可知，本发明提供了一种断路器机械特性测试方法，通过tof(time of flight)深感镜头单元，结合高速摄像头单元的成像原理得到检测目标的三维运动轨迹图像信息以及旋转轨迹所在平面信息，根据每帧的三维空间位置得到真实的行程(角度)时间特性曲线，根据检测目标与触头实际运动行程的关系换算得到触头的实际行程时间曲线，进而获得断路器包括速度在内的各机械特性参数。所有测量数据均由所述断路器机械特性测试装置采集计算，从而使得测量步骤简化。本发明提供的一种断路器机械特性测试方法可多角度对被测断路器进行测量，提升了测量精度，测量维度由二维空间提升到三维空间，减小了三维空间运动轨迹在平面成像投影角度带来的误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种断路器机械特性测试装置拓扑结构图；

图2为本发明实施例示出的一种断路器机械特性测试方法的流程图；

图3为本发明步骤S1中黄点、绿点的空间坐标定位原理图；

图4为本发明步骤S4中旋转圆心的确定方法；

图5为本发明步骤S5中被拍摄物体实际空间轨迹的还原方法。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于再次描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

参见图1，为本发明一种断路器机械特性测试装置的拓扑结构图，第一方面，本发明提供一种断路器机械特性测试装置，包括tof深感镜头单元、高速摄像镜头单元、控制计算单元，其中，

tof深感镜头单元，tof深感镜头单元高速摄像镜头单元上，用于向测试目标连续发送光脉冲后接收从测试目标返回的光，还用于将光电信号转换为电信号，再通过模数转换将电信号转换为数字信号，还用于对数字信号进行处理后计算光脉冲的往返时间，即得到测试目标的距离，还用于将测试目标的距离发送至控制计算单元；

高速摄像镜头单元，用于拍摄运动中测试目标的多帧运动图像信息，还用于将多帧运动图像信息发送至控制计算单元；

控制计算单元，用于控制tof深感镜头单元、高速摄影镜头单元的启动、停止，还用于同步tof深感镜头单元、高速摄影镜头单元的时钟，还用于将接收到测试目标的距离、多帧运动图像信息进行计算从而获得断路器的机械特性数据。

可选择地，所述tof深感镜头单元包括tof镜片、tof光电传感器、模数转换器、触发脉冲、红外光源、tof图像处理器、tof数据采集器，其中：

tof镜片，用于接收测试目标返回的红外光源光脉冲，将光脉冲投影至tof光电传感器上；

tof光电传感器，用于接收测试目标返回的光并将光电信号转换为电信号，还用于将电信号发送至模数转换器；

模数转换器，用于将接收到的电信号转换成数字信号，还用于将数字信号发送至图像处理器；

触发脉冲，用于发出脉冲信号，使红外光源激发红外光脉冲；

红外光源，用于将红外光脉冲透过镜片发送至测试目标，触发脉冲与红外光源形成光脉冲；

tof图像处理器，用于将接收到的数字信号进行处理后计算出光脉冲的往返时间，从而得到测试目标的距离，然后将测试目标的距离发送至数据采集器；

tof数据采集器，用于将接收到的测试目标的距离发送至控制计算单元。

可选择地，所述高速摄像镜头单元包括高速摄像镜片组、高速摄像光电传感器、高速摄像图像处理器、高速摄像数据采集器、强光光源，其中：

强光光源，用于发射红外光谱比较低的强可视光照射测试目标，提供高速摄像机足够的曝光量；

高速摄像镜片组，用于将一定视角中的反射可见光信号投影到高速摄像光电传感器上，测试目标在该视角之中；

高速摄像光电传感器，用于接收测试目标返回的多帧运动图像信息，还用于将多帧运动图像信息发送至高速摄像图像处理器；

高速摄像图像处理器，用于对接收到的多帧运动图像信息进行处理，得到处理后的多帧运动图像信息，还用于将处理后的多帧运动图像信息发送至高速摄像数据采集器；

高速摄像数据采集器，用于将接收到的处理后的多帧运动图像信息发送至控制计算单元。

上述高速摄像镜头单元拍摄帧率不小于5000帧/秒。由于每帧曝光时间非常短，为保证曝光充足，设置强光光源照射被摄物保证曝光量。高速镜头单元拍摄运动中被测物的多帧运动图像信息，输送到控制计算单元。

参见图2，第二方面，本发明提供一种断路器机械特性测试方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：在断路器转轴上的旋转面标定一个黄点和绿点，通过tof深感镜头单元和高速摄像镜头单元，测得断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标；

S2：控制断路器分闸或者合闸动作，通过高速摄像镜头单元拍摄获得断路器动作时标定的每帧黄点动作过程图像；

控制断路器分闸或者合闸动作，用高速摄像镜头单元拍摄获得断路器动作时标记的黄点动作过程图像；

具体地，通过控制计算单元操作断路器动作，同时触发高速摄像镜头单元工作，通过高速摄像镜头单元可以采集测试目标在高速摄像光电传感器平面上的投影图像，在断路器动作的几十毫秒内采集数百帧步骤S1所述标记点的图像，将图像信息采集到计算控制单元中。

S3：通过tof深感镜头单元和高速摄像镜头单元测得断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标；

tof深感镜头单元和高速摄像镜头单元测得断路器动作后的黄点、绿点的空间坐标，方法同步骤S1。

S4：通过控制计算单元，根据断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标、断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标，计算出黄点、绿点旋转轨迹所在平面的函数及旋转圆心坐标；

S5：通过高速摄像镜头单元拍摄获得断路器动作时标定的黄点动作过程图像，结合断路器动作时标定的每帧黄点动作过程图像，根据旋转圆心坐标还原出黄点在旋转轨迹所在平面上每帧的真实空间轨迹信息和旋转角度信息；

S6：通过控制计算单元，根据每帧黄点的真实空间轨迹信息、旋转角度信息及该帧所记录的拍摄时间，获得旋转角度—时间曲线；

S7：根据旋转角度与断路器触头实际行程的比例关系换算得到断路器触头的行程—时间曲线，进而得到断路器的机械特性数据。

测试断路器触头的运动特性是通过测量驱动触头动作的机构动作来间接实现的。

断路器传动机构的刚性传动部件的运动可以反映机构的动作特性，一般的在断路器的转轴、拐臂或分合闸指示牌上标记黄色绿色两点，测量标记点运用曲线可以测量出其旋转角度，通过旋转角度可以反映出触头的行程。

请参阅图3，具体地，所述断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标获取的步骤为：

在断路器的拐臂上的一个垂直于旋转轴的平面上标记一个黄点和一个绿点；

将高速摄像镜头单元入射角与向旋转平面保持在45°～90°间拍摄，确保旋转轨迹全部在成像画面之中；

建立以高速摄像镜头单元等效小孔位置为原点(0,0,0)的参考三维坐标系，等效小孔位置修正由镜头折射产生的偏差后的等效小孔成像原理的小孔位置，其中，垂直于高速摄像光电传感器平面为x轴，与高速摄影头光电传感器长边平行为y轴，与高速摄影头光电传感器宽边平行的为z轴，高速摄像镜片组指向测试目标方向为x轴正方向；

建立球面方程，其中，设置tof深感镜头单元的原点坐标为(a，b，c)，tof深感镜头单元测得与测试目标的距离为L，以tof深感镜头单元测距原点为球心，半径为L的球面，球面函数方程为：

(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²＝L²

通过高速摄像镜头单元的成像点确定一条穿过高速摄像镜头单元等效小孔成像原理的小孔位置点的直线，即穿过坐标系原点的直线，即为测试目标成像过程中的反射光入射光路，摄像机光电传感器等效成像位置的坐标为(A，B，C)，则该直线声

解方程组

可得直线与球面的两个交点，x＞0的交点坐标即为测试目标的位置实际坐标(X，Y，Z)。

可选择地，所述通过tof深感镜头单元和高速摄像镜头单元测得断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标的步骤与所述通过tof深感镜头单元和高速摄像镜头单元，测得断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标的步骤相同。

可选择地，所述通过控制计算单元，根据断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标、断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标，计算出黄点、绿点旋转轨迹所在平面的函数及旋转圆心坐标包括：

计算平面函数，通过控制计算单元，根据断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标、断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标，计算出平面函数为：

dx+ey+fz+g＝0

选取断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标、断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标四个点中任意三点坐标，若三点不共线，则将三点坐标带入平面函数方程可求得d、e、f、g，由此可以得到断路器转轴上旋转面所在平面信息，若选取三点共线则选取另一个三点组合，计算出在断路器转轴上旋转面上旋转前后绿点的中垂面，断路器转轴上旋转面上旋转前后黄点的中垂面，两个中垂面与旋转平面三个平面的交点即为旋转面上旋转圆心坐标(X₀，Y₀，Z₀)。

可选择地，所述旋转圆心坐标(X₀，Y₀，Z₀)按照如下步骤计算得到：

参见图4，设置旋转前黄点坐标为(a₁，b₁，c₁)，旋转后黄点坐标为(a₁′，b₁′，c₁′)，旋转前绿点坐标为(a₂，b₂，c₂)，旋转后绿点坐标为(a₂′，b₂′，c₂′)；

则旋转前后黄点中垂面为：

(a₁-a₁′)x+(b₁-b₁′)y+(c₁-c₁′)z+((a₁′)²-a₁ ²)+((b₁′)²-b₁ ²)+((z₁′)²-z₁ ²)＝0

则旋转前后两绿点中垂面为：

(a₂-a₂′)x+(b₂-b₂′)y+(c₂-c₂′)z+((a₂′)²-a₂ ²)+((b₂′)²-b₂ ²)+((z₂′)²-z₂ ²)＝0

两个函数与平面函数dx+ey+fz+g＝0联立求解得到旋转圆心坐标(X₀，Y₀，Z₀)。

参阅图5，高速摄像机单元拍摄的图像为实物在高速摄像光电传感器上的180°投影。所述通过高速摄像镜头单元拍摄获得断路器动作时标定的黄点动作过程图像，结合断路器动作时标定的每帧黄点动作过程图像，根据旋转圆心坐标还原出黄点在旋转轨迹所在平面上每帧的真实空间轨迹信息和旋转角度信息包括：

通过高速摄像镜头单元拍摄测得每一帧上黄点(记为点A)的旋转轨迹所在平面信息与成像点坐标(X₁′，Y₁′，Z₁′)，可以还原出每一帧上黄点(记为点A′)的实际坐标(X₁，Y₁，Z₁)，

求

的解，得(X₁，Y₁，Z₁)；

根据旋转圆心坐标以及点A坐标可以计算出旋转半径r，与初始点A坐标(X，Y，Z)进行比较得到每一帧上黄点的旋转角度。

断路器拐臂转轴旋转小于180°，所以分闸、合闸旋转方向不同可以不考虑修正方向，余弦定理计算值都为旋转角度绝对值。根据余弦定理，有：

求得该帧图像，及该时刻t旋转到角度

在步骤S6、S7中，由控制计算单元根据每帧黄点的真实空间轨迹信息、旋转角度信息及该帧所记录的拍摄时间获得旋转角度-时间曲线。由旋转角度与断路器触头实际行程的比例关系换算得到触头的行程-时间曲线，进而得到断路器的各项机械特性数据。

具体的，由控制计算单元处理高速摄影头单元采集的所有图像信息，通过每一帧成像的时间点为横坐标，该帧图像的旋转角度为纵坐标，连接这数百个点，通过计算还原出精度可靠的真实的旋转角度-时间曲线θ＝f(t)，t为该帧成像时控制计算单元同步的内部时钟记录时间。手工输入断路器的型号，控制计算单元调取数据库中储存的该型号断路器的实际行程角度关系函数m＝g(θ)，修正得到行程-时间曲线为m(t)＝g(f(t))，通过行程-时间曲线可以得到断路器触头行程、超程、过冲、分闸反弹等信息。还可以微分得到速度-时间曲线为：

由以上技术方案可知，本发明提供了一种断路器机械特性测试方法，通过tof(time of flight)深感镜头单元，结合高速摄像头单元的成像原理得到检测目标的三维运动轨迹图像信息以及旋转轨迹所在平面信息，根据每帧的三维空间位置得到真实的行程(角度)时间特性曲线，根据检测目标与触头实际运动行程的关系换算得到触头的实际行程时间曲线，进而获得断路器包括速度在内的各机械特性参数。所有测量数据均由所述断路器机械特性测试装置采集计算，从而使得测量步骤简化，提升了测量精度，测量维度由二维空间提升到三维空间，减小了三维空间运动轨迹在平面成像投影角度带来的误差，本发明提供的一种断路器机械特性测试方法可多角度对被测断路器进行测量。

以上仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种断路器机械特性测试方法，所述断路器机械特性测试方法应用于断路器机械特性测试装置，所述断路器机械特性测试装置包括tof深感镜头单元、高速摄像镜头单元、控制计算单元，其中，tof深感镜头单元，tof深感镜头单元高速摄像镜头单元上，用于向测试目标连续发送光脉冲后接收从测试目标返回的光，还用于将光电信号转换为电信号，再通过模数转换将电信号转换为数字信号，还用于对数字信号进行处理后计算光脉冲的往返时间，即得到测试目标的距离，还用于将测试目标的距离发送至控制计算单元；高速摄像镜头单元，用于拍摄运动中测试目标的多帧运动图像信息，还用于将多帧运动图像信息发送至控制计算单元；控制计算单元，用于控制tof深感镜头单元、高速摄影镜头单元的启动、停止，还用于同步tof深感镜头单元、高速摄影镜头单元的时钟，还用于将接收到测试目标的距离、多帧运动图像信息进行计算从而获得断路器的机械特性数据，其特征在于，所述方法包括：

在断路器转轴上的旋转面标定一个黄点和绿点，通过tof深感镜头单元和高速摄像镜头单元，测得断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标；

所述断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标获取的步骤为：

在断路器的拐臂转轴上的一个垂直于旋转轴的平面上标记一个黄点和一个绿点；

将高速摄像镜头单元入射角与向旋转平面保持在45°～90°间拍摄；

建立以高速摄像镜头单元等效小孔位置为原点(0，0，0)的参考三维坐标系，其中，垂直于高速摄像光电传感器平面为x轴，与高速摄影头光电传感器长边平行为y轴，与高速摄影头光电传感器宽边平行的为z轴，高速摄像镜片组指向测试目标方向为x轴正方向；

建立球面方程，其中，设置tof深感镜头单元的原点坐标为(a，b，c)，tof深感镜头单元测得与测试目标的距离为L，以tof深感镜头单元测距原点为球心，半径为L的球面，球面函数方程为：

(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²＝L²

通过高速摄像镜头单元的成像点确定一条穿过高速摄像镜头单元等效小孔成像原理的小孔位置点的直线，即穿过坐标系原点的直线，即为测试目标成像过程中的反射光入射光路，摄像机光电传感器等效成像位置的坐标为(A，B，C)，则该直线为

解方程组

可得直线与球面的两个交点，x＞O的交点坐标即为测试目标的位置实际坐标(X，Y，Z)；

控制断路器分闸或者合闸动作，通过高速摄像镜头单元拍摄获得断路器动作时标定的每帧黄点动作过程图像；

通过tof深感镜头单元和高速摄像镜头单元测得断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标；

通过控制计算单元，根据断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标、断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标，计算出黄点、绿点旋转轨迹所在平面的函数及旋转圆心坐标；

通过高速摄像镜头单元拍摄获得断路器动作时标定的黄点动作过程图像，结合断路器动作时标定的每帧黄点动作过程图像，根据旋转圆心坐标还原出黄点在旋转轨迹所在平面上每帧的真实空间轨迹信息和旋转角度信息；

通过控制计算单元，根据每帧黄点的真实空间轨迹信息、旋转角度信息及该帧所记录的拍摄时间，获得旋转角度-时间曲线；

根据旋转角度与断路器触头实际行程的比例关系换算得到断路器触头的行程-时间曲线，进而得到断路器的机械特性数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过tof深感镜头单元和高速摄像镜头单元测得断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标的步骤与所述通过tof深感镜头单元和高速摄像镜头单元，测得断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标的步骤相同。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过控制计算单元，根据断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标、断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标，计算出黄点、绿点旋转轨迹所在平面的函数及旋转圆心坐标包括：

计算平面函数，通过控制计算单元，根据断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标、断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标，计算出平面函数为：

dx+ey+fz+g＝0

选取断路器转轴上旋转面动作前黄点和绿点的空间坐标、断路器转轴上旋转面动作后的黄点、绿点的空间坐标四个点中任意三点坐标，若三点不共线，则将三点坐标带入平面函数方程可求得d、e、f、g，由此可以得到断路器转轴上旋转面所在平面信息，若选取三点共线则选取另一个三点组合，计算出在断路器转轴上旋转面上旋转前后绿点的中垂面，断路器转轴上旋转面上旋转前后黄点的中垂面，两个中垂面与旋转平面三个平面的交点即为旋转面上旋转圆心坐标(X₀，Y₀，Z₀)。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述旋转圆心坐标(X₀，Y₀，Z₀)按照如下步骤计算得到：

设置旋转前黄点坐标为(a₁，b₁，c₁)，旋转后黄点坐标为(a₁′，b₁′，c₁′)，旋转前绿点坐标为(a₂，b₂，c₂)，旋转后绿点坐标为(a₂′，b₂′，c₂′)；

则旋转前后黄点中垂面为：

(a₁-a₁′)x+(b₁-b₁′)y+(c₁-c₁′)z+((a₁′)²-a₁ ²)+((b₁′)²-b₁ ²)+((z₁′)²-z₁ ²)＝0

则旋转前后两绿点中垂面为：

(a₂-a₂′)x+(b₂-b₂′)y+(c₂-c₂′)z+((a₂′)²-a₂ ²)+((b₂′)²-b₂ ²)+((z₂′)²-z₂ ²)＝0

两个函数与平面函数dx+ey+fz+g＝0联立求解得到旋转圆心坐标(X₀，Y₀，Z₀)。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过高速摄像镜头单元拍摄获得断路器动作时标定的黄点动作过程图像，结合断路器动作时标定的每帧黄点动作过程图像，根据旋转圆心坐标还原出黄点在旋转轨迹所在平面上每帧的真实空间轨迹信息和旋转角度信息包括：

通过高速摄像镜头单元拍摄测得每一帧上黄点(记为点A)的旋转轨迹所在平面信息与成像点坐标(X₁′，Y₁′，Z₁′)，可以还原出每一帧上黄点(记为点A′)的实际坐标(X₁，Y₁，Z₁)，

求

的解，得(X₁，Y₁，Z₁)；

根据旋转圆心坐标以及点A坐标可以计算出旋转半径r，与初始点A坐标(X，Y，Z)进行比较得到每一帧上黄点的旋转角度，由于断路器拐臂转轴旋转小于180°，根据余弦定理，有：

求得旋转角度信息为

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