一种基于寻峰算法的继电器二次吸合电压检测装置与方法

摘要

一种基于寻峰算法的继电器二次吸合电压检测装置与方法，装置设有ARM处理器、数模转换器、电压源、继电器线圈电流信号采集电路、可编程运算放大器、多通道模数转换器和触摸显示器。ARM处理器控制数模转换器的输出，控制线性可调电压源输出由低到高线性增加的线圈驱动电压；将线圈驱动电压加在由继电器线圈和电流采样电阻组成的线圈回路中，将电流采样电阻上的电压送入多通道模数转换器进行同步采样；将采集到的信号平滑处理，利用寻峰算法识别电流信号的两个峰的位置，这两个峰的位置所对应的线圈驱动电压即为一次吸合电压和二次吸合电压；ARM处理器驱动触摸显示器进行参数设置，画出相关曲线并显示继电器一次和二次吸合电压。

说明书

技术领域

本发明涉及直流继电器吸合电压的检测，尤其是涉及一种基于寻峰算法的继电器二次吸合电压检测装置与方法。

背景技术

给电磁继电器线圈线性加压，随着励磁线圈中电流的增大，继电器的常开触点首先出现一次不实闭合，此时电磁引力、弹簧拉力和动触头连接的弹簧片弹力达到平衡，此时为一次吸合。励磁电流继续增大，当它达到某一值时，电磁力使连接动触头的弹簧片发生形变，致使衔铁继续向电磁线圈铁心移动并最大限度的紧密接触，形成动静触头的更可靠接触，称为二次吸合。

继电器触点的动作特性是影响继电器使用性能和寿命的重要因素，为了避免因继电器触头不能紧密闭合引起的失效，要求动触点与静触点可靠接触并产生一定的形变即超行程，这样继电器在吸合过程中必然就会有二次吸合现象的发生。然而，有研究发现，动触点超行程过大会导致继电器触点的弹跳加剧，同样会影响继电器的电寿命。因此，通过检测二次吸合的相关参数来研究继电器吸合过程的可靠性，为继电器的优化设计和改善产品质量提供依据。这里用电压量来标定二次吸合，在给继电器线圈线性加压的过程中，当继电器常开触点发生初次闭合时，此时励磁线圈两端的电压称为一次吸合电压，发生第二次紧密吸合时的励磁线圈两端的电压称为二次吸合电压。

中国专利CN1264042A公开一种快速精确测出继电器的二次吸合电压的方法和装置，提出了对线圈电流信号放大，微分然后再进行比较产生触发脉冲信号，再由中央处理器来控制模数转换器采集对应时刻的电压值来检测二次吸合电压。但是对应不同型号的继电器，不仅需要花费大量的时间去调节放大，微分和比较电路中的电气参数，而且要求装置的操作人员具备一定的专业知识。因此需要一种自动快速的继电器二次吸合电压检测装置与方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述检测方法的不足和继电器吸合过程中电流信号的特点，提供操作简单、自动快速、可适用多种继电器型号的一种基于寻峰算法的继电器二次吸合电压检测装置与方法。

所述基于寻峰算法的继电器二次吸合电压检测装置设有ARM处理器、数模转换器、电压源、继电器线圈电流信号采集电路、第1可编程运算放大器、第2可编程运算放大器、多通道模数转换器和触摸显示器；

所述ARM处理器通过数据通讯总线分别与数模转换器、第1可编程运算放大器和第2可编程运算放大器连接，数模转换器的参考电压输出端接电压源的输入端，电压源的线圈驱动输出端分别接继电器线圈电流信号采集电路的输入端和第1可编程运算放大器的输入端，继电器线圈电流信号采集电路的输出端接第2可编程运算放大器的输入端，第1可编程运算放大器的输出端和第2可编程运算放大器的输出端接多通道模数转换器的输入端，多通道模数转换器的输出端接ARM处理器1的输入端，ARM处理器与触摸显示器连接。

所述数模转换器可采用高精度数模转换器，所述多通道模数转换器可采用高速多通道模数转换器，所述电压源可采用线性可调电压源。

所述数模转换器的参考电压输出端可为数模转换器产生由低到高线性增加的参考电压。

将参考电压输入到线性可调电压源从而产生线性增加的线圈驱动电压。第1可编程运算放大器和第2可编程运算放大器分别对继电器线圈电流采样电阻上的电压和线圈驱动电压分压后的信号进行合理放大，由多通道模数转换器负责对上述两种信号进行同步采样，然后将采集到的数据传送给ARM处理器1，在经过平滑滤波、去基线算法和寻峰算法处理后得到继电器一次和二次吸合电压，最终将结果显示在触摸显示上。

所述基于寻峰算法的继电器二次吸合电压检测方法包括以下步骤：

1)ARM处理器控制数模转换器的输出，进而控制线性可调电压源输出由低到高线性增加的线圈驱动电压；

2)将步骤1)中所得到的线圈驱动电压加在由继电器线圈和电流采样电阻组成的线圈回路中，将电流采样电阻上的电压通过可编程放大器放大以后的信号以及经过分压以后的驱动电压信号送入多通道模数转换器进行同步采样，并由ARM处理器读取处理；

3)将步骤2)中采集到的信号进行平滑处理，利用寻峰算法识别电流信号的两个峰的位置，这两个峰的位置所对应的线圈驱动电压即为一次吸合电压和二次吸合电压；

4)ARM处理器驱动触摸显示器进行参数设置，画出相关曲线并显示继电器一次和二次吸合电压。

本发明结合硬件电路和软件算法，使用寻峰算法自动准确的检测出二次吸合电压，并且有自动和手动模式供用户选择。

本发明的突出技术效果在于：使用寻峰算法来检测继电器的二次吸合电压，将硬件电路方法与软件算法相结合，减少了电路的复杂度以及电路元件的数量，也就是说使得检测装置结构简单、成本降低。此外，针对不同型号的继电器，本发明可以进行参数自整定，当然用户也可以根据自己要求来设置参数进行二次吸合电压检测，这大大降低了对操作人员专业知识的要求，具有易控制，使用范围广的特点。

附图说明

图1是本发明所述基于寻峰算法的继电器二次吸合电压检测装置的电路组成框图。

图2是线圈驱动电压线性增加时，电流采样电阻上的电压经放大后的波形。

图3是图2中的电流信号经过反向去基线以后使用寻峰算法找出峰对应位置的吸合电压示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，本发明实施例设有ARM处理器1、数模转换器2、电压源3、继电器线圈电流信号采集电路4、第1可编程运算放大器5、第2可编程运算放大器6、多通道模数转换器7和触摸显示器8。

所述ARM处理器1通过数据通讯总线分别与数模转换器2、第1可编程运算放大器5和第2可编程运算放大器6连接，数模转换器2的参考电压输出端接电压源3的输入端，电压源3的线圈驱动输出端分别接继电器线圈电流信号采集电路4的输入端和第1可编程运算放大器5的输入端，继电器线圈电流信号采集电路4的输出端接第2可编程运算放大器6的输入端，第1可编程运算放大器5的输出端和第2可编程运算放大器6的输出端接多通道模数转换器7的输入端，多通道模数转换器7的输出端接ARM处理器1的输入端，ARM处理器1与触摸显示器8连接。

所述数模转换器2采用高精度数模转换器，所述多通道模数转换器7采用高速多通道模数转换器，所述电压源3采用线性可调电压源。

所述数模转换器2的参考电压输出端可为数模转换器2产生由低到高线性增加的参考电压。

将参考电压输入到线性可调电压源3从而产生线性增加的线圈驱动电压。第1可编程运算放大器5和第2可编程运算放大器6分别对继电器线圈电流采样电阻上的电压和线圈驱动电压分压后的信号进行合理放大，由多通道模数转换器7负责对上述两种信号进行同步采样，然后将采集到的数据传送给ARM处理器1，在经过平滑滤波、去基线算法和寻峰算法处理后得到继电器一次和二次吸合电压，最终将结果显示在触摸显示8上。

以下给出具体实施例：

1.在由ARM处理器控制线性可调电压源线性增加继电器线圈的驱动电压时，由于继电器的结构设计，会发生二次吸合现象。如图2所示，其中U_i表示的是对继电器线圈电流采样放大后的信号。从图中可以发现线圈的电流会有两次下降的过程，第一个波谷对应于一次吸合现象，第二个波谷则对应于二次吸合现象。线性驱动电压的上升速度(即单位时间电压上升的大小)会影响最后的电流波形，速度过快可能会使电流变化不明显，速度过慢则会使检测时间变长。本发明根据不同电压等级的继电器，会根据经验给用户一个推荐的起始驱动电压值和电压上升速度，用户也可以根据需要自行修改这两个参数。

2.对于不同型号的继电器而言，其额定驱动电压和额定励磁电流的大小都是不一样的，此时驱动电压分压得到的电压信号和线圈电流采样电阻得到的电流信号经过运放的放大以后可能与模数转换器的动态范围不匹配。针对未知线圈电阻的继电器，本发明可通过二分法不断迭代，给可编程运算放大器设置一个合适的放大倍数；针对已知线圈电阻的继电器，用户可通过触摸屏输入电阻值，系统根据欧姆定律计算出线圈电流大小，由于采样电阻值已知，系统可直接确定放大倍数的大小。本发明所采用的模数转换器的精度为12位，采样频率可达到2MHz，能满足捕获线圈电流变化状态的要求。对于驱动电压的分压信号，由于分压电阻已知，所以系统可以很容易计算出合适的放大倍数。

3.为了使寻峰算法得到的结果更加准确，需要对步骤2中由模数转换器采集到的驱动电压信号和线圈电流信号进行平滑滤波。本实施例中使用的是SG(Savitzky-Golay)滤波器，该滤波器采用多项式最小平方拟合，计算量小、无需确定截止频率且没有相位延迟。

4.步骤3中经过平滑滤波后的电流信号除了向下的两个尖峰外，其余部分基本成线性关系，因此可截取前面一段数据采用最小二乘法拟合出趋势线，用趋势线减去滤波后的电流信号得到最后的电流信号波形，如图3中的双峰曲线所示。针对继电器线圈电流波形两个峰的形状大小相似的特点，可默认选择最高峰峰值的1/2作为峰值区域分割阈值，如图3中的水平虚线所示，通过比较可得到峰值区域a和b，峰值区域分割阈值也可以通过用户自行设定。在区域a和区域b中分别使用高斯非线性拟合方法找到峰值A1和B1，对平滑滤波后的驱动电压信号进行最小二乘线性拟合，计算出A1和B1对应的驱动电压值A2和B2，经过反向计算即可得到继电器一次和二次吸合电压。

5.最后ARM处理器在触摸显示器上画出相关曲线并显示一次和二次吸合电压值。