基于Mate30高速攝影的斷路器分合閘速度測試方法研究

摘要:基于華為Mate30智能手機(jī)的高速攝影功能,通過在機(jī)構(gòu)基座和動作部件上粘貼標(biāo)志,加裝剛分剛合時(shí)刻檢測回路等輔助措施,對彈簧機(jī)構(gòu)斷路器動作過程進(jìn)行高速拍攝,然后通過對視頻圖像進(jìn)行位置標(biāo)記識別和剛分剛合點(diǎn)的時(shí)間標(biāo)記識別,分析獲得的斷路器分合閘位移過程曲線,并進(jìn)一步求導(dǎo)得出速度。

關(guān)鍵詞:華為Mate30:高速攝影:斷路器機(jī)械特性:分合閘速度測試

1斷路器分合閘速度測試現(xiàn)行方法

斷路器的分合閘速度是斷路器機(jī)械特性參數(shù)中重要的指標(biāo)參數(shù),它影響著斷路器的滅弧能力和機(jī)械耐久性,如果速度過慢將會導(dǎo)致拉弧時(shí)間過長損傷觸頭,甚至導(dǎo)致電弧不能熄滅造成斷路器故障:如果速度過快則斷路器機(jī)構(gòu)將承受過大的沖擊,造成相關(guān)機(jī)械零件的機(jī)械疲勞,進(jìn)而引發(fā)零件失效導(dǎo)致斷路器動作異常(注:分閘速度指斷路器觸指剛剛分開時(shí)刻起,向后至10ms過程的平均速度,即剛分速度:合閘速度指斷路器觸指剛剛接觸時(shí)刻起,向前10ms過程的平均速度,即剛合速度)。

然而,由于斷路器動作時(shí)間一般只持續(xù)30~70ms,非常短暫,這就對整個(gè)過程的測試精度和抗干擾性提出了很高的要求。以往的接觸式傳感器易受振動的影響,且安裝不方便,導(dǎo)致該項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定且費(fèi)時(shí)費(fèi)力,甚至可能損傷設(shè)備,因此,研制一種基于高速攝影的測試技術(shù)十分必要。

目前,國內(nèi)正在使用的斷路器分合閘速度測試儀均采用接觸式傳感器,測量量包括直線變位和旋轉(zhuǎn)角度變位,其中旋轉(zhuǎn)角度變位使用較多。但現(xiàn)有技術(shù)存在以下幾方面的缺點(diǎn):

(1)測試結(jié)果易受到振動影響,導(dǎo)致多次重復(fù)數(shù)據(jù)結(jié)果的一致性較差。

(2)角度傳感器與機(jī)構(gòu)相連使用磁鐵方式的,如果運(yùn)動中心對不齊將導(dǎo)致測試結(jié)果不穩(wěn)定。

(3)使用螺絲安裝的,多次安裝將造成螺牙磨損,導(dǎo)致下次測量困難。

(4)傳感器安裝步驟包括蓋板拆除、固定夾安裝、傳感器安裝、數(shù)據(jù)線連接等,費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

2華為Mate30性能及其測試斷路器機(jī)械特性的可行性

通過網(wǎng)絡(luò)查詢,得知華為Mate30智能手機(jī)視頻每秒30幀,最大放慢速度為256倍,每個(gè)慢放視頻將生成1000幀圖片。所以每段視頻對應(yīng)實(shí)際時(shí)間段T=1000÷30÷256×1000≈130.2ms,時(shí)間覆蓋最長合閘時(shí)間(70ms)。同時(shí)可得拍攝速度為w=1000/T≈7.68幀/ms,即每毫秒將產(chǎn)生7.68幀圖像。整個(gè)70ms動作過程將生成500余幀圖像,也就是說,形成的動作曲線將有500多個(gè)采樣點(diǎn),滿足采樣密度要求。所以,使用華為Mate30智能手機(jī)進(jìn)行斷路器分合閘速度測試具有可行性。

3基于高速攝影的分合閘速度測試步驟

根據(jù)實(shí)際測試,獲取可用于分析的機(jī)構(gòu)動作慢放視頻需要經(jīng)過8個(gè)步驟,如圖1所示。

(1)在斷路器機(jī)構(gòu)基座和與動作連桿相連的部件(如連桿軸側(cè)面或位置指示板)上粘貼便于計(jì)算機(jī)識別定位的單色標(biāo)志,分別作為靜樣本和動樣本。

(2)測量動靜樣本在初始位置時(shí)的距離,用來作為圖像識別時(shí)的長度標(biāo)尺。

(3)將特制的剛分/剛合時(shí)刻檢查回路接入斷路器導(dǎo)體回路,用以在視頻中標(biāo)記剛分/剛合時(shí)刻。剛分/剛合時(shí)刻檢查回路使用發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)觸發(fā),發(fā)光二極管觸發(fā)為微秒級,對于10ms平均速度計(jì)算時(shí)域可以忽略不計(jì)。

(4)使用支架架設(shè)華為Mate30,調(diào)整鏡頭范圍,使機(jī)構(gòu)動作部分盡可能大地占滿鏡頭,這樣可以使得分析像素增加,精度提高。

(5)開始拍攝前應(yīng)首先開啟華為Mate30,由運(yùn)動觸發(fā)高速攝影。

(6)觸發(fā)斷路器動作,執(zhí)行分閘或合閘操作。

(7)檢查華為Mate30是否生成了視頻,視頻范圍是否包含全部動作畫面,畫面是否清晰,動靜樣本在運(yùn)動中是否無反光等明顯變化。

(8)完成視頻錄制后,需將視頻從手機(jī)中導(dǎo)出,并檢查文件是否可在運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的電腦上正常打開。

4慢放視頻分析步驟

斷路器分合閘動作慢放視頻分析流程如圖2所示。

視頻從華為Mate30手機(jī)中復(fù)制到電腦后,需要按照以下10個(gè)步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

(1)視頻逐幀分解:將拍攝的視頻逐幀分解成獨(dú)立的圖片。按照華為Mate30的性能,將會形成1001張照片,對應(yīng)實(shí)際約130ms的動作視頻。

(2)篩選實(shí)際動作時(shí)間區(qū)間:從逐幀分解出來的獨(dú)立圖片中篩選出機(jī)構(gòu)真正動作的部分及前后圖片有變化的部分,精確定位時(shí)間區(qū)間,減少數(shù)據(jù)分析量。斷路器分閘一般30~50ms,合閘一般50~80ms,對應(yīng)需要篩選出400~600張圖片。

(3)截取機(jī)構(gòu)動作圖塊:通過軟件截取篩選出來的每一張圖片的固定區(qū)域,精確定位真正活動的區(qū)域,以減少數(shù)據(jù)分析量。

(4)截取動靜樣本圖塊:通過軟件截取動靜樣本圖塊,用于后續(xù)跟蹤定位計(jì)算。

(5)輸入初始距離參數(shù):通過現(xiàn)場測量的動靜樣本圖塊間實(shí)際距離,可以換算圖塊中相鄰像素點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)際距離,實(shí)現(xiàn)像素和實(shí)際距離的換算。

(6)標(biāo)注機(jī)構(gòu)剛分/剛合時(shí)刻:通過連續(xù)的圖片找到剛分/剛合標(biāo)志燈狀態(tài)變化(剛分時(shí)由亮變滅,剛合時(shí)由滅變亮)的圖片編號,并換算為時(shí)間軸上的時(shí)刻點(diǎn),作為剛分/剛合的時(shí)刻點(diǎn)。

(7)分析計(jì)算位移離散曲線:對所有圖片進(jìn)行動靜樣本匹配分析,獲得樣本在圖片中的相對坐標(biāo),然后計(jì)算動靜樣本坐標(biāo)距離,換算成位移變化表,最后繪制動靜樣本位移變化離散折線。

(8)擬合計(jì)算位移函數(shù)曲線:對位移變化離散折線進(jìn)行擬合計(jì)算,形成平滑的唯一函數(shù)曲線。此處使用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合,多項(xiàng)式指數(shù)經(jīng)測試應(yīng)≥5。

(9)求導(dǎo)計(jì)算速度函數(shù)曲線:對位移曲線進(jìn)行求導(dǎo),獲得速度曲線,如圖3所示。

(10)計(jì)算剛分后/剛合前10ms平均速度:通過速度曲線和剛分時(shí)刻進(jìn)行積分后除以10ms獲得分合閘速度,或通過位移曲線計(jì)算位移總和后除以10ms獲得分合閘速度,如圖4、圖5所示。

5誤差分析

本文測試方法產(chǎn)生的誤差主要由計(jì)時(shí)誤差A(yù)t、圖像像素?fù)Q算誤差A(yù)p、動靜樣本位置識別誤差A(yù)s和擬合曲線計(jì)算誤差A(yù)f等組成。

(1)計(jì)時(shí)誤差A(yù)t由手機(jī)晶振周期誤差和剛分剛合時(shí)刻檢測回路中的二極管開關(guān)速度決定,手機(jī)CPU為麒麟9905G,主頻8.86GHz,計(jì)時(shí)精度高,誤差可以忽略不計(jì):二極管開關(guān)速度達(dá)到微秒級,也可以忽略不計(jì)。所以,At≈0。

(2)圖像像素?fù)Q算誤差A(yù)p,以西門子3AP1-FG斷路器合閘為例,初始距離139mm,初始像素149,測量誤差為±1mm,所以Ap=±1/149mm。

(3)動靜樣本位置識別誤差A(yù)s,本文所開發(fā)的軟件經(jīng)過測試,誤差約為1像素,對應(yīng)139/149mm,即As=±139/149mm。

(4)擬合曲線計(jì)算誤差A(yù)f,統(tǒng)計(jì)平均誤差小于1mm。

綜上所述,在不考慮計(jì)時(shí)誤差的情況下,整體位移誤差A(yù)=Ap＋As＋Af=±(1/149＋139/149＋1)≈±1.94mm。相對于初始距離139mm,誤差率6=1.94/139×100%≈1.396%。一般分合閘速度測試結(jié)果為2.5m/s左右,1.396%的精度下誤差僅為0.0349m/s,滿足試驗(yàn)精度要求。

6結(jié)語

通過實(shí)際測試,使用華為Mate30智能手機(jī)的高速攝影功能,配合識別標(biāo)志和剛分剛合時(shí)刻檢測回路,可以準(zhǔn)確測量斷路器的分合閘速度參數(shù)。由于華為Mate30購買成本不足3000元,如果能夠在電力行業(yè)推廣使用,一方面將有效提升試驗(yàn)質(zhì)量,另一方面還可以提高工作效率,更具有經(jīng)濟(jì)性的一面是還可以降低試驗(yàn)成本,因此這是一種具有顯著綜合效益的實(shí)用技術(shù),是視覺識別技術(shù)代替機(jī)械傳感技術(shù)的一次技術(shù)創(chuàng)新。