CN115355836B - 一种继电器绝对间隙的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种继电器绝对间隙的测量方法，本发明通过高速相机拍摄继电器完整运动周期的图像，通过特征识别技术准确识别出继电器的动静触点，并采用目标跟踪技术对识别出的继电器触点进行跟踪，可以获取继电器触点在运动过程的完整坐标数据，并通过分析计算得到继电器的绝对间隙。本发明通过特征识别与目标跟踪技术对继电器的绝对间隙这一运动参数进行分析研究，将这一技术从理论研究应用到了生产实际，实现了目前难以完成的继电器绝对间隙的测量，本发明从还计算机视觉的角度对图像序列进行处理，最终测得继电器的绝对间隙，实现了非接触式测量，能够避免在测量过程中对继电器的机械结构产生影响，也避免了人工测量的主观性。

Description

一种继电器绝对间隙的测量方法

技术领域

本发明涉及一种继电器参数的测试技术，具体为一种基于特征识别与目标跟踪技术的继电器绝对间隙的测量方法。

背景技术

继电器是在电气、航天、铁路等领域最常见的开关器件之一，在线路中起着非常重要的控制通断的作用。对于继电器的参数测量是继电器生产和使用过程中的一项重要工作，其中，继电器触点的绝对间隙是继电器的一个重要的参数。在继电器通电后，电磁回路导通，动触点受到电磁力的作用，开始吸合上升，上升过程中与下静触点分离，继续运动至与上触点开始接触，直至达到吸合稳定，吸合过程结束。在吸合过程中，继电器最后一组断开的前接点与第一组接通的后接点之间的距离，叫做继电器的绝对间隙。继电器的绝对间隙对于其正常工作有着重要作用，如果绝对间隙过大，则会导致继电器的吸合时间过长，工作的延时比较大；若绝对间隙过小，则可能会出现继电器最后一组断开的前接点还未断开时，第一组接触的后接点已经发生了接触，进而导致前、后接点同时导通，会影响电路的正常工作状态，甚至可能引发短路，造成继电器以及电路中其他设备的损坏，因此必须对继电器的绝对间隙进行准确的测量。目前，由于绝对间隙的测量需要在继电器的吸合过程进行，无法通过手工的方法在其工作过程中进行行之有效的测量，只能采用手工推动模拟继电器的吸合过程进行测量，但是手工推动并不能代表其真正的工作运动状态，所测出数据的可靠性并不能得到保证，而且这种方法对于继电器的机械结构也会造成一定的损害，还会浪费大量时间，效率和准确度都比较低。

目标检测与跟踪技术以计算机视觉的角度对图像序列进行处理，能够实现对于参数非接触式测量，有效的避免在测量过程中对继电器的机械结构产生影响，也避免了人工测量的主观性，测量精度高、速度快、准确度高，而且操作比较简单，在参数测量领域有着越来越广泛的应用。

发明内容

针对目前对于继电器绝对间隙没有准确高效的测量方法，本发明的目的是提出一种继电器绝对间隙的测量方法，它不会造成继电器的机械结构受到损害，时间短、效率和准确度高、可靠性能得到保证，能避免人工测量的主观性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：本发明提出一种继电器绝对间隙的测量方法，具体步骤如下：

1）利用高速相机采集继电器一个运动周期内的图像，并传输到计算机中；

2）对采集到的图像进行预处理操作，增强图像特征，减少运算量，便于下一步处理；

3）识别继电器的八个动触点；

4）根据识别出的动触点进行区域的分割，为下一步识别静触点做准备；

5）在分割后的区域内识别继电器八组共三十二个静触点；

6）在整个运动周期的图像内对识别出来的全部动、静触点进行目标跟踪，得到每个触点在一个周期内完整的坐标数据；

7）通过得到的像素点坐标系下继电器触点的坐标数据计算继电器的绝对间隙；

8）通过标尺将像素点长度表示的绝对间隙转化为实际长度的绝对间隙。

步骤1）中，利用高速相机采集继电器一个运动周期内的图像，具体为：

（101）在继电器正面支撑柱上粘贴标尺，并固定在试验底座上，连接好控制线路，并在线路上安装一个时间继电器，设定时间继电器的延时为1.5s，接通开关后，通过时间继电器使被测试继电器接通1.5s后断开，完整运动一个周期；

（102）设定高速相机的拍摄频率为1500张/s，在开关接通之前打开高速相机开始采集图像，待到继电器一个周期结束且达到释放稳定后结束采集图像，此时已经采集好继电器整个运动周期的图像。

步骤2）中，对采集到的图像进行预处理操作：

（201）图像灰度化处理，将R、G、B三通道表示的彩色图像转换为单通道的灰度图像，即R=G=B；实际转化过程中，图像中每个像素点的灰度值通过该像素点的R、G、B三个通道各自的像素值加权计算而来，通过灰度化增强图像对比度，突出目标区域，同时可以减少运算量；

（202）图像去噪处理，由于环境以及设备的影响，拍摄出的图片中存在一定的噪声，而后续处理中所用到的一些识别和检测对噪声比较敏感，需要进行去噪处理，用每个像素的邻域中各像素的中值代替要处理的像素，进而可以消除在像素周围的孤立噪声，也就是椒盐噪声，同时能够在很大程度上保持图像原有的边界信息，而且不会产生比较大的模糊，能够保证识别和计算的准确度，减少干扰。

（203）图像二值化处理，静触点的反光比较明显，是识别时的突出特征，通过二值化将图像变为只有0和255两种像素值的黑白图像，可以使特征变得更加明显，便于识别，进一步简化计算。根据图像的像素直方图确定二值化阈值T，将图像中小于阈值的像素置为0，大于阈值的像素置为255，遍历整个图像就得到了二值化图像；

步骤3）中，识别继电器的八个动触点，具体为：

由于继电器动触点的正面图像为一个特征单一的矩形，通过预先设定好动触点的模板，在去噪后的继电器图像中匹配出所有符合要求的区域，进行框选，就可以识别出继电器的八个动触点。

步骤4）中，根据识别出的动触点进行区域的分割，具体为：通过观察继电器的结构特征可以发现，每组动静触点的位置关系大致相同，动触点上下各有两个静触点，两个静触点水平接近平行，分列左右。根据这一特点，在每个动触点周围一定范围内进行框选，则可以得到单独的每组动静触点的图像；再以每个动触点的中心点为上述所得图像的分割点，画一条水平直线和一条竖直直线，将图像分割为四个部分，此时每个静触点都单独处于一个部分内。将八组动静触点区域都进行同样的分割，则可以将每组动静触点以及每个静触点都单独置于一个区域内，在每个独立区域内对其进行处理，互相不会产生影响，而且大大缩小了需要识别和处理的区域，减少了运算量，也避免了环境等因素的影响，为下一步识别跟踪进行了必要准备。

步骤5）中，在分割后的区域内识别继电器八组共三十二个静触点，具体为：

（501）在二值化后的图像内按照步骤4）的坐标结果同样进行分割，则每个静触点的图像内只有静触点区域内存在一个点集；

（502）由于静触点为圆形，因此需要找到点集的最小外接圆，此圆即为识别到的继电器静触点。

步骤（502）中，找到点集的最小外接圆，

具体为：（503）先在点集内随机确定两点，作为直径的两个端点画圆；

（504）增加点集内的一个点,若此点在圆内或者圆的边界，则继续增加一个新点；若在圆外，则以此点作为新的边界点，画出外接圆；

（505）重复步骤（504），不断增加点集内的新点，直至遍历点集内的所有点，可以保证所有点都能在圆内或边界上；

（505）根据静触点大小设定最小外接圆的半径范围，排除在半径范围外的孤立点以及不符合大小的外接圆，最终得到的唯一最小外接圆。

步骤6）中，在整个运动周期的图像内对识别出来的全部动、静触点进行单独的目标跟踪，具体为：

（601）初始化跟踪器；

（602）根据对第一张图像中动静触点的识别，得到每一个跟踪目标的位置，并输入到跟踪器中；

（603）在后续图像中，根据前一张图像中跟踪器的结果，预测目标在图像中位置，并进行检测，更新跟踪器的参数；

（604）按照图片顺序依次执行步骤（603），直至最后一张图像，跟踪完成。

步骤7）中，通过得到的像素点坐标系下继电器触点的坐标数据计算继电器的绝对间隙，具体为：

（701）确定最后一组断开的前接点及断开时刻；通过对数据进行分析，在同一时刻，将每一组的动触点矩形的下边的纵坐标与对应的静触点的圆形的最高点纵坐标坐标进行对比，若前一时刻纵坐标相同，而下一时刻纵坐标不同，则认定此时刻为该组动静触点的断开时刻,各组动静触点在同一时间轴上运动，因此可以确定最后一组断开的前接点，也可以得到其断开的时刻。

（702）确定第一组接通的后接点及接通时刻；接通时刻的确定与断开时刻类似，即将每一组的动触点矩形的上边的纵坐标与对应的静触点的圆形的最低点纵坐标坐标进行对比，若前一时刻纵坐标不同，而下一时刻纵坐标相同，则认定此时刻为该组动静触点的接通时刻，同样也可以确定第一组接通的前接点及其接通时刻。

（703）根据动触点的位移坐标数据，得到其在两个时刻内的坐标差，即为继电器在像素点坐标下的绝对间隙。

步骤8）中，通过标尺将像素点长度表示的绝对间隙转化为实际长度的绝对间隙，具体为：继电器上粘贴的标尺刻度总长10mm，通过识别得到标尺的像素点长度，用实际长度10mm除以标尺的像素点长度即得到了一个像素点所代表的长度，将步骤（703）中所得到的结果乘以单位像素点的实际长度，即得到了最终的继电器的绝对间隙。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明通过高速相机拍摄继电器完整运动周期的图像，通过特征识别技术准确识别出继电器的动静触点，并采用目标跟踪技术对识别出的继电器触点进行跟踪，可以获取继电器触点在运动过程的完整坐标数据，并通过分析计算得到继电器的绝对间隙。本发明通过特征识别与目标跟踪技术对继电器的绝对间隙这一运动参数进行分析研究，将这一技术从理论研究应用到了生产实际，实现了目前难以完成的继电器绝对间隙的测量。

本发明从计算机视觉的角度对图像序列进行处理，最终测得继电器的绝对间隙，实现了非接触式测量，能够避免在测量过程中对继电器的机械结构产生影响，也避免了人工测量的主观性，而且这种方法的测量精度和测量准确度都相对较高，处理速度很快，能够大大提高测量效率，操作简单，流程单一，更有利于实现工业化和自动化测量，适应了未来的发展趋势。

下面结合实施例附图和具体实例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为基于特征识别与目标跟踪技术的继电器绝对间隙的测量方法流程图；

图2为实测继电器正面图像；

图3为实测继电器单组动静触点区域划分示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

如图1所示，本发明实施提供了一种继电器绝对间隙的测量方法，包括如下步骤：

步骤一：在继电器正面支撑柱上粘贴标尺，如图2中的序号9所示，并固定在试验底座上，连接好控制线路，并在线路上安装一个时间继电器，设定时间继电器的延时为1.5s，接通开关后，通过时间继电器使被测试继电器接通1.5s后断开，完整运动一个周期。设定高速相机的拍摄频率为1500张/s，在开关接通之前打开高速相机开始采集图像，待到继电器一个周期结束且达到释放稳定后结束采集图像，此时已经采集好继电器整个运动周期的图像。

步骤二：对采集到的图像进行预处理操作：

（1）图像灰度化处理,将R、G、B三通道表示的彩色图像转换为单通道的灰度图像，图像中每个像素点的灰度值通过该像素点的R、G、B三个通道各自的像素值加权计算而来；

（2）图像去噪处理,用每个像素的邻域中各像素的中值代替要处理的像素，进而可以消除在像素周围的孤立噪声，也就是椒盐噪声，同时能够在很大程度上保持图像原有的边界信息，而且不会产生比较大的模糊；

（3）图像二值化处理,根据图像的像素直方图自适应确定图像的二值化阈值T，将图像中小于阈值的像素置为0，大于阈值的像素置为255，遍历整个图像就得到了二值化图像；

步骤三：通过预先设定好动触点的模板，在去噪后的继电器图像中匹配出所有符合要求的区域，识别出继电器的八个动触点，进行框选，得到每个动触点的高均为60个像素点大小；

步骤四：在每个动触点周围一定范围内进行框选，则可以将整个图像分为八个区域，每个区域都是单独的一组动静触点的图像，并将其依次标号为1-8，如图2中1~8所示；再以每个动触点的中心点为上述所得图像的分割点，画一条水平直线和一条竖直直线，将图像分割为四个部分，此时每个静触点都单独处于一个部分内，以第一组动静触点为例，如图3所示，再将其静触点按照图像依次标号为1_1、1_2、1_3、1_4，动触点标号为1_5，将八组动静触点区域都进行同样的分割，标号方法相同，例如第x组动静触点内的标号分别为静触点x_1、x_2、x_3、x_4和动触点x_5，则可以将每组动静触点以及每个静触点都单独置于一个区域内，在每个独立区域内对其进行处理，互相不会产生影响，而且大大缩小了需要识别和处理的区域，减少了运算量，也避免了环境等因素的影响，为下一步识别跟踪进行了必要准备。

步骤五：在分割后的区域内识别继电器八组共三十二个静触点，具体为：

（1）在二值化后的图像内按照步骤四分割的坐标进行相同的分割，则在每个静触点的图像内只有静触点区域内存在一个点集；

（2）先在点集内随机确定两点，作为直径的两个端点画圆；

（3）增加点集内的一个点，若此点在圆内或者圆的边界，则继续增加一个新点；若在圆外，则以此点作为新的边界点，画出外接圆；

（4）重复步骤（3），不断增加点集内的新点，直至遍历点集内的所有点，可以保证所有点都能在圆内或边界上；

（5）根据静触点大小设定最小外接圆的半径范围，排除在半径范围外的孤立点以及不符合大小的外接圆，最终得到整个点集唯一的最小外接圆；

（6）在所有的单独静触点图像内重复步骤（2）-（5），实现全部静触点的识别，并得到其半径大小均为5像素点。

步骤六：在整个运动周期的图像内对识别出来的全部动、静触点进行单独的目标跟踪。首先初始化跟踪器，根据对第一张图像中动静触点的识别，得到每一个跟踪目标的位置，并输入到跟踪器中；预测在第二张图像中的位置，并根据跟踪结果更新跟踪器的参数；接下来按照图片顺序依次进行跟踪预测，直至最后一张图像，跟踪完成，得到所有跟踪目标的坐标数据。

步骤七：对跟踪得到的数据进行分析，将静触点圆心纵坐标与其半径相加减，就可以得到相应静触点的最高点或最低点的纵坐标，将动触点矩形中心点的纵坐标与其高的一半相加减，就可以得到相应动触点的上下边的纵坐标。

在同一时刻，将每一组的动触点矩形的下边的纵坐标与对应的静触点的圆形的最高点纵坐标进行对比，若前一时刻纵坐标相同，而下一时刻纵坐标不同，则认定此时刻为该组动静触点的断开时刻；同样，将每一组的动触点矩形的上边的纵坐标与对应的静触点的圆形的最低点纵坐标坐标进行对比，若前一时刻纵坐标不同，而下一时刻纵坐标相同，则认定此时刻为该组动静触点的接通时刻。

最终可以得到，在吸合过程中，继电器各静触点与其对应动触点的分离和接触时刻及此时圆心坐标如表1所示，其中下静触点只有分离时刻和坐标，上静触点只有接触时刻和坐标。

表1在吸合过程中，继电器各静触点与其对应动触点的分离和接触时刻及此时圆心坐标

表1 吸合过程中，继电器各静触点与其对应动触点的分离和接触时刻及此时圆心坐标：

通过分析表1可以发现，继电器的十六个下静触点中与对应动触点最后断开的时刻为1622帧，继电器的十六个上静触点与对应动触点的最先接通的时刻为1639帧；

在这两个时刻各个动触点的坐标数据如表2所示，通过分析数据，可以发现，在这两个时刻内所有动触点的位移均为4个像素点。

表2吸合过程中，各组动静触点最后断开与最先接通时间内各动触点位移：

步骤八：通过识别继电器粘贴的标尺刻度，得到其像素点长度为137.233，用其实际长度10mm除以标尺的像素点长度137.233就可以得到单位像素点所代表的长度为10/137.233=0.073mm，再与步骤七中的结果相乘，即4*0.073=0.292mm，则最终所测得的继电器的绝对间隙为0.292mm。

以上所述是本发明的优选实施方式，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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种继电器绝对间隙的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）利用高速相机采集继电器一个运动周期内的正面图像，并传输到计算机中；

2）对采集到的图像进行预处理操作，增强图像特征；

3）识别继电器的八个动触点；

4）根据识别出的动触点进行区域的分割，为下一步识别静触点做准备；

5）在分割后的区域内识别继电器八组共三十二个静触点；

6）在整个运动周期的图像内对识别出来的全部动、静触点进行目标跟踪，得到每个触点在一个周期内完整的坐标数据；

7）通过得到的像素点坐标系下继电器触点的坐标数据计算继电器的绝对间隙；

8）通过标尺将像素点长度表示的绝对间隙转化为实际长度的绝对间隙；

所述的一种继电器绝对间隙的测量方法，还包括：

步骤1）中，利用高速相机采集继电器一个运动周期内的图像，具体为：

（101）在继电器正面支撑柱上粘贴标尺，并固定在试验底座上，连接好控制线路，并在线路上安装一个时间继电器，设定时间继电器的延时为1.5s，接通开关后，通过时间继电器使被测试继电器接通1.5s后断开，完整运动一个周期；

（102）设定高速相机的拍摄频率为1500张/s，在开关接通之前打开高速相机开始采集图像，待到继电器一个周期结束且达到释放稳定后结束采集图像，此时已经采集好继电器整个运动周期的图像；

步骤2）中，对所采集到的图像进行一系列预处理，具体为：

（201）图像灰度化处理,将R、G、B三通道表示的彩色图像转换为单通道的灰度图像，通过灰度化增强图像对比度，突出目标区域，同时能够减少运算量；

（202）图像去噪处理，由于环境以及设备的影响，拍摄出的图片中存在噪声，而后续处理中所用到的识别和检测对噪声比较敏感，因此对图片进行去噪处理；

（203）图像二值化处理，静触点的反光比较明显，是识别时的突出特征，通过二值化将图像变为只有0和255两种像素值的黑白图像，使特征变得更加明显，便于识别，进一步简化计算；

步骤3）中，识别继电器的八个动触点，具体为：由于继电器动触点的正面图像为一个特征单一的矩形，通过预先设定好动触点的模板，在去噪后的继电器图像中匹配出所有符合要求的区域，进行框选，就能够识别出继电器的八个动触点；

步骤4）中，根据识别出的动触点进行区域的分割，具体为：通过观察继电器的结构特征能够发现，每组动静触点的位置关系相同，动触点上下各有两个静触点，两个静触点水平平行，分列左右，根据这一特点，在每个动触点周围范围内进行框选，则能够得到单独的每组动静触点的图像；再以每个动触点的中心点为所得图像的分割点，画一条水平直线和一条竖直直线，将图像分割为四个部分，此时每个静触点都单独处于一个部分内；将八组动静触点区域都进行同样的分割，则能够将每组动静触点以及每个静触点都单独置于一个区域内，在每个独立区域内对其进行处理；

步骤5）中，在分割后的区域内识别继电器八组共三十二个静触点，具体为：

（501）在二值化后的图像内按照步骤4）的坐标结果同样进行分割，则每个静触点的图像内只有静触点区域内存在一个点集；

（502）由于静触点为圆形，因此需要找到点集的最小外接圆，此圆即为识别到的继电器静触点；

步骤（502）中，找到点集的最小外接圆，具体为：

（503）先在点集内随机确定两点，作为直径的两个端点画圆；

（504）增加点集内的一个点,若此点在圆内或者圆的边界，则继续增加一个新点；若在圆外，则以此点作为新的边界点，画出外接圆；

（505）重复步骤（604），不断增加点集内的新点，直至遍历点集内的所有点，能够保证所有点都能在圆内或边界上；

（506）根据静触点大小设定最小外接圆的半径范围，排除在半径范围外的孤立点以及不符合大小的外接圆，最终得到的唯一最小外接圆；

步骤6）中，在整个运动周期的图像内对识别出来的全部动、静触点进行单独的目标跟踪，具体为：

（601）初始化跟踪器；

（602）根据对第一张图像中动静触点的识别，得到每一个跟踪目标的位置，并输入到跟踪器中；

（603）在后续图像中，根据前一张图像中跟踪器的结果，预测目标在图像中位置，并进行检测，更新跟踪器的参数；

（604）按照图片顺序依次执行步骤（603），直至最后一张图像，跟踪完成；

步骤8）中，通过标尺将像素点长度表示的绝对间隙转化为实际长度的绝对间隙，具体为：继电器上粘贴的标尺刻度总长10mm，通过识别得到标尺的像素点长度，用实际长度10mm除以标尺的像素点长度即得到了一个像素点所代表的长度，将所得到的绝对间隙的像素值结果乘以单位像素点的实际长度，即得到了最终的继电器的绝对间隙。