阅读说明：本技术 一种对旋转设备电能传导的接触面检测装置及其方法 (Contact surface detection device and method for electric energy conduction of rotating equipment ) 是由 李杰明 于 2020-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种对旋转设备电能传导的接触面检测装置及其方法,该方案包括本体,所述本体上设有与本体通信连接的图像数据采集单元,所述本体内设有电源模块、高速采集模块、记录存储模块、数据处理单元、判断决策单元、网络模块及信息输出模块,该装置具有检测准确、可靠、及时,且可有效降低设备故障率,保障设备安全,相比现有技术,无需人工巡检,可7X24运行,节省运行成本。(The invention relates to a contact surface detection device for electric energy conduction of rotating equipment and a method thereof, the scheme comprises a body, wherein an image data acquisition unit which is in communication connection with the body is arranged on the body, and a power supply module, a high-speed acquisition module, a recording and storing module, a data processing unit, a judgment and decision unit, a network module and an information output module are arranged in the body.)

一种对旋转设备电能传导的接触面检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种检测装置，具体涉及一种对旋转设备电能传导的接触面检测装置。

背景技术

目前，对于高速旋转中设备的电能传导，其传导电能传导介质目前多为碳刷(也叫电刷)，当前应用较多的设备为直流电动机、发电机、滑环等，这些设备在使用过程中，经过自然的使用磨损，碳刷会磨损消耗，受电体表面光滑程度都会有所变化，导致在设备运行中，在碳刷与受电体表面处会产生火花，并且随着使用会越来越严重，这要求维护保养人员要及时掌握火花状态，比如是否达到维护标准，评估是否造成设备故障。

当火花达到一定程度后，若维护保养人员未及时处理，设备会产生环形电弧，产生环火。在很短时间内产生，电弧的高温及能量严重损伤换向器、电刷，对绕组也会造成不同程度的损害；同时，因产生轴电流，轴颈和轴瓦造成麻点和蚀痕等次生危害。

目前主要检测及判断方案为维护人员不间断的进行巡查巡视，利用人员眼睛观察进行判断，因每个人的差异，判断标准存在人为因素偏差，可靠性、准确性很难保障。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种具备实时、准确、可靠的对旋转设备电能传导的接触面检测装置及其方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种对旋转设备电能传导的接触面检测装置包括本体，所述本体上设有与本体通信连接的图像数据采集单元，所述本体内设有电源模块、高速采集模块、记录存储模块、数据处理单元、判断决策单元、网络模块及信息输出模块；电源模块，用于为各个模块单元供电；高速采集模块，用于对图像数据采集单元采集数据进行预处理并存储；记录存储模块，用于存储预设火花数据；数据处理单元，用于将高速采集模块和记录存储模块中的数据集中处理；判断决策单元，用于根据设定火花等级进行决策；网络模块，用于对各个模块单元进行数据连接并提供外接第三方接口；所述信息输出模块，用于读取图像数据采集单元的实时画面及显示判断决策单元输送的信息。

工作原理及有益效果：工作时，电能通过电刷传送至受电体，受电体转动，形成电气回路，此时通过图像数据采集单元将电刷与受电体接近区域的图像不断拍下，通过高速采集模块处理并存储，然后转发到数据处理单元，通过数据处理单元按照仿生算法将火花进行处理得出参数并转发到判断决策单元，判断决策单元将预设在记录存储模块内的火花等级参数，也就是特征值与计算出的参数比较，从而得出火花等级，根据火花等级对应的处理方式，将处理方式通过信息输送模块输出到外接的显示设备上，相比现有技术，无需人工不断检修，大大节省了人工成本，通过模拟类似于人眼的观察方式，加上预设参数，相比人工判断更加准确，不存在其他因素偏差，可靠性和准确性可以得到保障。

进一步的，所述图像数据采集单元包括至少两个图像检测探头，每个所述图像检测探头上均设有光传感器，图像检测探头用于采集电刷与受电设备之间的图像。此设置，可以通过光传感器来跟踪检测位置的光线，从而调整图像检测探头的图像模式，保证图像质量，从而提升检测的准确率。

进一步的，所述图像检测探头采集图像频率至少为每秒一千帧。此设置，不仅可以从中取出最佳质量的图像进行处理来减少误差，而且可以减少检测时间间隔，检测速度快。

进一步的，所述数据处理单元通过仿生算法处理图像。此设置，通过两只眼睛来观察物体，并辨识物体。对于某一或物体(以下称为辨识对象)的辨识，不会因辨识对象外表、外观变化而辨识不出，经过与人脑中的记忆对比后，即使经过数年甚至更长时间仍然能够准确辨识出，其辨识依据为存在大脑中的特征数据，此特征数据为模糊量，结合模糊数学精确处理模型，得出可以操作的精确衡量指标特征数据，据此再做出精确的判断结果，因此采用这个方法，可以大大提升数据的准确性，相比其他算法通过计算电刷磨损程度来判断是否需要维护的方法，更加准确，也更加简单快速。

进一步的，所述仿生算法包括以下步骤：

S1：对图像数据读取并预处理；

S2：对数据进行栅格化分析；

S3：建立特征数据的数学模型。

上述步骤，将仿生算法运用到数据处理单元中，可大幅度地提升火花等级的计算准确率。

进一步的，数学模型存入记录存储模块后，将数据传送至判断决策单元，判断决策单元将特征数据与记录存储模块预设的火花特征值比较，得出处理方案。此设置将图像只存在高速采集模块内，将计算好的图像数据和预设的火花等级数据存在记录存储模块内，减少了记录存储模块的容量负担，相比只单纯存在一个存储模块内，一旦发生故障，可以保留至少一半的数据，稳定性更好，记录存储模块和高速采集模块两者均可以单独工作来实现同样的功能，一旦其中一个发生故障，只需要调整下程序，单独一个也能够正常工作。

进一步的，预处理包括分析图像的像素、大小、质量、曝光程度及光线，筛选出高质量图像作为分析处理对象，并对图像进行二值化和反色处理。对于图像进行精细挑选并处理，更加有利于提高检测的准确性。

进一步的，栅格化分析为图像的检测接触面为界限，根据受电体旋转方向，电刷与受电体产生火花的成像所在区域为处理区域，把图像从检测接触面从最近处由近到远，划分N个阶梯等级作为数学模型权重系数K1至Kn。根据火花产生的特点，距离接触面越远产生的火花数量越少，火花密度越小。

进一步的，所述信息输出模块为触控显示屏或工控电脑。此设置，可以直观地为用户展示检修方案。

一种对旋转设备电能传导的接触面检测方法，其特征在于，运用上述的一种对旋转设备电能传导的接触面检测装置，包括以下步骤：

N1：通过图像数据采集单元采集图像数据；

N2：通过高速采集模块对数据传输存储并发送到数据处理单元；

N3：通过数据处理单元处理数据；

N4：通过判断决策单元将处理后的数据与记录存储模块内置火花等级特征

值比对，得出区域内的总火花等级；

N5：通过信息输出模块显示出处理方案。

上述步骤，运用本检测装置，可以实现对现有设备的碳刷也就是电刷磨损程度进行有效判断，并直接给出检修建议，无需人工判断，大大节省了人工成本。

附图说明

图1是本发明的安装示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明的运用仿生算法的流程图。

图中，1、电能；2、导体；3、第一碳刷；4、第二碳刷；5、第一接触面；6、第二接触面；7、受电体；8、第一图像检测探头；9、第二图像检测探头；10、第一数据导线；11、第二数据导线；12、本体；13、电源模块；14、图像数据采集单元；15、高速采集模块；16、记录存储模块；17、数据处理单元；18、判断决策单元；19、网络模块；20、信息输出模块。

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，电能经过导体2传送至第一碳刷3和第二碳刷4，经过碳刷传送至受电体7，受电体7为转动设备，这样形成的电气回路，构成了完整的电能1至受电体7的传送，其中电能1为系统的电源装置，由变流装置提供，一般为直流电源形式，通过导体2，导体2为一般电缆，便于施工敷设，经过第一碳刷3和第二碳刷4，碳刷为碳质制品，加入必要的辅助材料，经过切割、打磨等工艺制成，为电的良导体2。电能1传送至受电设备，图中第一接触面5和第二接触面6为检测位，碳刷也就是电刷。

如图1和2所示，本对旋转设备电能1传导的接触面检测装置包括本体12，所述本体12上设有与本体12通信连接的图像数据采集单元14，所述本体12内设有电源模块13、高速采集模块15、记录存储模块16、数据处理单元17、判断决策单元18、网络模块19及信息输出模块20，其中电源模块13为常见的电池或者市电，也可以直接连接上述的电能1，图像数据采集单元14对照图中第一接触面5和第二接触面6的位置，距离检测面约20-25cm，可根据实际需求调整，用于采集火花图像，所述图像数据采集单元14包括至少两个图像检测探头，每个所述图像检测探头上均设有光传感器，图像检测探头用于采集电刷与受电设备之间的图像。此设置，可以通过光传感器来跟踪检测位置的光线，从而调整图像检测探头的图像模式，保证图像质量，从而提升检测的准确率；

其中第一图像检测探头8和第二图像检测探头9分别通过第一数据导线10和第二数据导线11与本体12连接。

优选的，所述图像检测探头采集图像频率至少为每秒一千帧。此设置，不仅可以从中取出最佳质量的图像进行处理来减少误差，而且可以减少检测时间间隔，检测速度快。

电源模块13，用于为各个模块单元供电；高速采集模块15，用于对图像数据采集单元14采集数据进行预处理并存储；

记录存储模块16，用于存储预设火花数据；

数据处理单元17，用于将高速采集模块15和记录存储模块16中的数据集中处理；

判断决策单元18，用于根据设定火花等级进行决策；

网络模块19，用于对各个模块单元进行数据连接并提供外接第三方接口，也可以通过WIFI、4G/5G等与外界设备通信，实现远程控制；

信息输出模块20，用于读取图像数据采集单元14的实时画面及显示判断决策单元18输送的信息，信息输出模块20为触控显示屏或工控电脑。此设置，可以直观地为用户展示检修方案。

具体的，所述数据处理单元17通过仿生算法处理图像。此设置，通过两只眼睛来观察物体，并辨识物体。对于某一或物体(以下称为辨识对象)的辨识，不会因辨识对象外表、外观变化而辨识不出，经过与人脑中的记忆对比后，即使经过数年甚至更长时间仍然能够准确辨识出，其辨识依据为存在大脑中的特征数据，此特征数据为模糊量，结合模糊数学精确处理模型，得出可以操作的精确衡量指标特征数据，据此再做出精确的判断结果，因此采用这个方法，可以大大提升数据的准确性，相比其他算法通过计算电刷磨损程度来判断是否需要维护的方法，更加准确，也更加简单快速。

如图3所示，所述仿生算法包括以下步骤：

S1：对图像数据读取并预处理，对存在高速采集模块15存储区的高清图像读入数据处理单元17，读取好图像像素、图像大小，分析图像质量、曝光程度、光线等参数，筛选出高质量图像作为分析处理对象，并对图像进行二值化、反色等处理；

S2：对数据进行栅格化分析，以图像的检测接触面位置为界限，根据受电体7旋转方向，电刷与受电体7产生火花的成像在的区域作为处理区域。根据火花产生的特点，距离接触面越远产生的火花数量越少，火花密度越小。把图像从接触面最近处由近及远，划分N个阶梯等级，作为数学模型权重系数K1至Kn；

S3：建立特征数据的数学模型，利用以下公式：

其中，Sn为所得出的每个区域的特征数据；H1为等级为1的花火；n为个数；K为阶梯权重系数，也是系统的预设值，其取值可以是K1...Kn；A为单位面积，为系统的预设值；S为加权特征值，S1，S2...Sn为第一个公式中的特征数据。

在步骤S3中先通过第一个公式计算出不同的特征数据S1，S2...Sn，然后代入到第二个公式中，计算出特征加权值S。

其中记录存储模块16内置的预设火花大小判断依据为像素10X10以上大小即认为是一颗极小火花组成部分，较大的火花是有效火花组成且连在一起成不规则的球形，其在图像中的经过处理中与受电体7、碳刷等有较明显的不同。因此根据大小分为1至m个等级，记为H1至Hm，分别对应记录相应的检修建议，器也是经过仿生算法计算得到的特征值，按照等级划分。

一种对旋转设备电能传导的接触面检测方法，运用上述的一种对旋转设备电能传导的接触面检测装置，包括以下步骤：

N1：通过图像数据采集单元14采集图像数据；

N2：通过高速采集模块15对数据传输存储并发送到数据处理单元17；

N3：通过数据处理单元17处理数据，也就是运用上述仿生算法计算出特征加权值S；

N4：通过判断决策单元18将特征加权值S与记录存储模块16内置火花等

级特征值比对，根据火花等级，得出处理方案；

N5：通过信息输出模块20显示出处理方案。

其中步骤N4中，通过判断特征加权值S与预设火花等级的每个特征值比对，选取最为接近的一个为实际的火花等级，从而给出对应的检修建议，如有突变特征值，通过信息输出模块20会及时弹出警示信息，以便维护人员及时掌握当前的状态，做出合理处理方案。

优选的，当计算出一个总的火花等级后，再将S1，S2...Sn的特征数据与记录存储模块16内置火花等级特征值比对，也就是根据整个检测区域内S1，S2...Sn的分布数量，来细分整个区域内所对应的火花等级，可根据其中火花等级较高，也就是非常需要检修的等级，来调整检修建议，此设置可有效地提高火花等级的判断精度。

在本实施例中，还包括了一种自学习方法，包括以下步骤：

X1：通过信息输出模块20连接的显示设备选择参数设置模式；

X2：记录图1中设备的正常特征数据，可采集多组数据；

X3：选择某一自学习参数，选择并应用，其中，此参数与预设的火花等级参数相互独立，此参数起到对照作用，判断设备是否处于正常运行状态。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

尽管本文较多地使用了电能1、导体2、第一碳刷3、第二碳刷4、第一接触面5、第二接触面6、受电体7、第一图像检测探头8、第二图像检测探头9、第一数据导线10、第二数据导线11、本体12、电源模块13、图像数据采集单元14、高速采集模块15、记录存储模块16、数据处理单元17、判断决策单元18、网络模块19、信息输出模块20等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。