專利名稱：油液污染物綜合檢測系統(tǒng)及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的油液污染物綜合檢測系統(tǒng)及檢測方法，涉及機器油液污染物的綜合檢測，屬于傳感器測量儀器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的機器油液污染物檢測儀器的功能較為單一，過程較為復(fù)雜。為完成污染物的綜合檢測，通常需要用污染物計數(shù)器來進行油液污染度的檢測，用鐵譜儀進行鐵磁性污染物的檢測，用油料分析光譜儀進行污染物成分的檢測。這其中鐵譜儀的檢測還需要復(fù)雜的制譜的過程，光譜儀的分析一般也只對較小的污染物有效。目前在鐵譜方面，國內(nèi)外都有比較成熟的產(chǎn)品，比如美國杰比科技公司的PQ系列鐵譜儀。污染物計數(shù)器方面，比較有代表性的產(chǎn)品有美國太平洋公司的HIAC-8000A型污染物計數(shù)器、美國PARKER公司的PLC-2000型激光污染物計數(shù)器、德國西德福公司的UCC系列污染物計數(shù)器。在光譜分析方面有美國Baird公司的MOA型油料分析光譜儀。由于很多油液污染物檢測儀器設(shè)備都需要進口，購買和維護的成本比較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種過程簡單，性能可靠，功能集成的油液污染物綜合檢測系統(tǒng)及檢測方法。這種檢測系統(tǒng)可以檢測油液的污染度，區(qū)分鐵磁性污染物和非鐵磁性污染物，并對這兩種顆粒詳細的分類和進行濃度計算。可以完全替代污染物計數(shù)器和鐵譜儀的功能，具有油料分析光譜儀的部分功能。
一種油液污染物綜合檢測系統(tǒng)，包括由微量泵、毛細管、傳感器、回油池組成的油液進樣系統(tǒng)，由顯微鏡、反射光源、透射光源組成的顯微系統(tǒng)，由攝像頭、圖像卡、計算機組成的圖像采集分析系統(tǒng)，以及永磁體部分，其特征在于
所述傳感器由基片和蓋片兩部分鍵合而成，且基片上刻蝕有由總流道、第一分流道及第二分流道組成的整體呈Y型的微管道，且總流道、第一分流道及第二分流道交匯處為沉積區(qū)，沉積區(qū)中部鉆有小孔并粘結(jié)向下導(dǎo)通的鋼針形成清渣孔，在蓋片上與總流道端部位置對應(yīng)處設(shè)有一個粘結(jié)有向上導(dǎo)通的鋼針的進油孔，在蓋片上與第一分流道(端部位置，和與第二分流道端部位置對應(yīng)分別鉆有小孔粘結(jié)有向上導(dǎo)通的鋼針形成第一出油孔和第二出油孔；永磁體置于傳感器的側(cè)邊且緊貼傳感器靠近沉積區(qū)，所述側(cè)邊為第二分流道外側(cè)邊。
一種利用所述油液污染物綜合檢測系統(tǒng)，進行油液污染物綜合檢測的方法1、適用于檢測各尺寸段下的油液總的污染物濃度，其特征在于包括以下步驟a、檢測時利用微量泵將油樣送入所述的帶有Y型微管道結(jié)構(gòu)的傳感器中，在油樣流動的過程中選取G1點為觀測點采集油液中污染物的圖像，其中G1點位于總流道中部；b、對G1點油液污染物的圖像進行分析計算先計算每幀圖像包含的油液的有效體積，再根據(jù)污染物顆粒的大小、數(shù)量計算各尺寸段內(nèi)的總污染物濃度M。
2、適用于檢測污染物中非鐵磁性污染物的濃度，其特征在于包括以下步驟a、檢測時利用微量泵將油樣送入所述的帶有Y型微管道結(jié)構(gòu)的傳感器中，在油樣流動的過程中選取G2為觀測點采集油液中污染物的圖像，其中G2點位于第一分流道中部；b、對G2點油液污染物的圖像進行分析先計算每幀圖像包含的油液有效體積，再根據(jù)圖像特征參數(shù)將非鐵磁性污染物分為n類，最后計算各分類下的濃度，設(shè)N2＝{N21，N22，.......，N2n}。
其中，還可利進行校驗在油樣流動的過程中選取G3點為觀測點采集油液中污染物的圖像，其中G3點位于第二分流道中部；對G3點油液污染物的圖像進行分析計算求得非鐵磁性污染物濃度，應(yīng)小于G2點數(shù)據(jù)；用以上數(shù)據(jù)對第一分流道G2觀察點的數(shù)據(jù)進行校驗。
3、適用于檢測污染物中鐵磁性污染物的濃度，其特征在于包括以下步驟
a、檢測時利用微量泵將油樣送入所述的帶有Y型微管道結(jié)構(gòu)的傳感器中，在油樣流動的過程中分別選取G1、G2二點為觀測點采集油液中污染物的圖像，其中G1點位于總流道中部，G2點位于第一分流道中部；b、對G1點油液污染物的圖像進行分析計算先計算每幀圖像包含的油液有效體積，再根據(jù)圖像特征參數(shù)按磨損機理將污染物分成m類計算各分類下的污染物濃度M1＝{M11，M12，.......，M1m}；c、對G2點油液污染物的圖像進行分析計算先計算每幀圖像包含的油液有效體積，再根據(jù)圖像特征參數(shù)按磨損機理將污染物分成m類，計算各分類下的污染物濃度M2＝{M21，M22，.......，M2m}；d、計算油液中鐵磁性污染物的濃度M3＝M1-M2＝{M11-M21，M12-M22，.......，M1m-M2m}。
總流道中既有鐵磁性污染物又有非鐵磁性污染物，通過總流道上的觀測點可以分析出各尺寸段內(nèi)總的污染物濃度；由于在沉積區(qū)下側(cè)放設(shè)置有永磁鐵，所以從總流道流經(jīng)此處的鐵磁性污染物將受永磁鐵吸引而沉積于沉積區(qū)，則流過第一分流道的溶液中將只包含非鐵磁性污染物，則可以檢測出非鐵磁性污染物濃度，利用總流道和第一分流道差值的方法可以計算鐵磁性污染物的濃度。另外，由于非鐵磁性污染物可能有部分被鐵磁性污染物夾帶沉積，所以根據(jù)設(shè)于第二分流道觀測點計算的非鐵磁性污染物的各分類下的濃度一般應(yīng)該小于第一分流道觀測點檢測的非鐵磁性污染物的各分類下的濃度，可據(jù)此對非鐵磁性污染物的檢測結(jié)果進行校驗。
本發(fā)明由于可直接對污染物進行觀測，污染物計數(shù)的準確度在1％以內(nèi)，鐵磁性甄別的準確度在3％以內(nèi)，污染物分類的正確率在5％以內(nèi)。以這種傳感為基礎(chǔ)開發(fā)的油液污染綜合檢測儀器的成本僅為國外典型污染物計數(shù)器產(chǎn)品的25％。本發(fā)明主要用于大型機器設(shè)備的潤滑油和液壓油的監(jiān)測，對機械設(shè)備的磨損故障進行診斷和預(yù)防，分析磨損狀態(tài)和油液污染的關(guān)系。


圖1為油液污染物綜合檢測系統(tǒng)的配置圖。
圖2為傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為傳感器觀測原理圖。
圖4為鐵磁性顆粒分類的原理圖。
圖中標(biāo)號名稱1、微量泵，2、毛細管，3、傳感器，4、回油池，5、顯微鏡，6、反射光源，7、透射光源，8、攝像頭，9、圖像采集卡，10、計算機軟硬件，11、永磁體，12、基片，13、蓋片，14、總流道，15、第一分流道，16、第二分流道，17、沉積區(qū)，18、清渣孔，19、第一進油孔，20、第二進油孔。
具體實施例方式
結(jié)合附圖對系統(tǒng)的具體實施介紹如下1.系統(tǒng)的組成如圖1所示，由油路部分(包括微量泵(1)、毛細管(2)、傳感器(3)和回油池(4))、顯微系統(tǒng)(包括顯微鏡(5)、反射光源(6)、透射光源(7))、圖像采集處理部分(包括攝像頭(8)、圖像采集卡(9)和計算機軟硬件(10))以及永磁體(11)組成，其中顯微鏡采用廣州光學(xué)儀器廠的L2020A雙光源金相顯微鏡，攝像頭采用北京大恒圖像公司的hv3102uc數(shù)字攝像頭。磁鐵和傳感器通過特定的夾具固定在顯微鏡的載物臺上。計算機采用基于windows平臺的通用PC。
傳感器是系統(tǒng)的核心器件，傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2由基片(12)，蓋片(13)兩部分組成?；蜕w片的材料均為鈉玻璃，厚度均為1.5mm?；嫌刑囟ǖ奈⒐艿澜Y(jié)構(gòu)，深度為100um。蓋片上對應(yīng)基片管道的端口有三個φ1.2mm小孔，在基片的三條管道的連接處有較大面積的沉積區(qū)。沉積區(qū)的中央位置也有同樣尺寸的小孔?；蜕w片之間通過高溫鍵合技術(shù)直接封裝在一起，鋼針和小孔通過504AB膠合固定。上面的三個鋼針用于油液的進樣和流出，下面的鋼針在分析時堵上，分析后導(dǎo)通用于鐵磁性污染物的清洗。
2.傳感器的加工基于MEMS工藝。先使用Mcromedia FreehandMX軟件繪制所設(shè)計的芯片圖形，用高分辨率激光照排機在照相底片上制得光刻掩膜。然后在選好的玻璃片上進行光學(xué)打磨和拋光處理，真空沉積一層Cr保護刻蝕層，在Cr上面均勻的甩上一層感光膠，采用212正膠。將制作好的掩膜附在感光膠上，在強紫外光源下進行曝光，顯影，刻蝕，除膜，清洗等操作工序，根據(jù)連續(xù)進樣的需要打孔，封裝，制成玻璃芯片。
3.各個檢測指標(biāo)的分析原理介紹如下。傳感器在分析的過程中，在其一側(cè)靠近沉積腔的位置置有高強度永磁體，并在傳感器上設(shè)置了三個觀測點G1，G2，G3，各個觀測點的位置如圖3所示，檢測時依次在三個觀測點捕捉三組圖像。各類指標(biāo)具體的計算流程如下設(shè)在總流道觀測點，非鐵磁性觀測點和校驗觀測點得到的圖像集分別為P1，P2和P3，鐵磁性污染物分為m類，非鐵磁性污染物分為n類。先對P1中的污染物進行尺寸計算和數(shù)量統(tǒng)計，結(jié)合根據(jù)流場特征計算出的油液體積，得到油液各尺寸分段下的污染物濃度M。
然后可以假設(shè)P1中的污染物全部是鐵磁性污染物加以分類，得到的各類型污染物的濃度M1＝{M11，M12，.......，M1m}。
然后對圖像集P2，假設(shè)磨粒全部是鐵磁性污染物或者是非鐵磁性污染物進行兩次不同分類下的識別(實際上全部是非鐵磁性污染物)，得到的各類型污染物濃度M2＝{M21，M22，.......，M2m} N2＝{N21，N22，.......，N2n}最后結(jié)合P1的識別結(jié)果和非鐵磁性污染物的識別結(jié)果推算出鐵磁性污染物的污染度。
M3＝M1-M2＝{M11-M21，M12-M22，.......，M1m-M2m}對于圖像集P3，由于校驗觀測點所在流道流經(jīng)沉積腔，其中的非鐵磁性污染物可能有部分被鐵磁性污染物夾帶沉積，所以根據(jù)圖像集P3計算非鐵磁性污染物的污染度(N3)各分量一般應(yīng)該小于N2各分量，可據(jù)此對非鐵磁性污染物的測量結(jié)果進行校驗。
最終得到的油液的總污染物濃度，鐵磁性污染物的和非鐵磁性污染物各自具體分類下的濃度的分別是M，M3和N2。
4.圖像處理的過程介紹如下。分析時首先通過采集軟件將攝像頭拍攝的圖像傳入計算機，然后首先運用運動圖像的特征進行相鄰圖像的差值分析提取圖像目標(biāo)，然后計算圖像目標(biāo)的特征參數(shù)，進行類型識別。特征參數(shù)的選取建立在圖像退化理論以及基于標(biāo)準圖譜庫的退化不變量的理論的基礎(chǔ)上。具體過程是首先選取標(biāo)準圖譜庫的若干圖像，運用退化模型進行處理，計算器各類參數(shù)的變化特性，包括各種幾何參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)，形狀參數(shù)(傅氏參數(shù))，顏色參數(shù)，灰度梯度參數(shù)，矩參數(shù)，熵與分型參數(shù)等，然后選取對圖像退化具有不變性的參數(shù)，同時考慮參數(shù)對污染物分類的敏感性、區(qū)分度和冗余度，建立污染物分類的特征參數(shù)體系。
考慮到顯微觀測系統(tǒng)中，造成圖像模糊的原因主要是污染物的運動和物鏡景深的限制，在此處理過程中采用的圖像退化模型如下f(x，y)＝h1(x，y)*h2(x，y)*g(x，y)+n(x，y)其中g(shù)(x，y)代表理想圖像，f(x，y)代表實際圖像，h1(x，y)和h2(x，y)代表運動和離焦產(chǎn)生的點擴散函數(shù)，n(x，y)代表系統(tǒng)的隨機噪聲。在此系統(tǒng)中h1(x，y)和h2(x，y)具有以下的形式h1(x,y)=1πR2x2+y2≤R20x2+y2>R2]]> 其中R表示離焦失真產(chǎn)生的彌散圓的半徑，a表示運動模糊的長度。
5.關(guān)于污染物的分類。非鐵磁性污染物可依賴于具體的機械系統(tǒng)進行分類，通常按照磨損機理或者材質(zhì)進行分類。鐵磁性污染物通常按照摩損機理可分為正?；瑒幽チ！乐鼗瑒幽チ?、球狀磨粒、疲勞剝塊、紅色氧化物磨粒和黑色氧化物磨粒。鐵磁性污染物的分類原理如圖4所示。首先應(yīng)用統(tǒng)計分析方法以傅氏細長度和傅氏凹度兩個形狀參數(shù)將切削磨粒提取出來，然后依據(jù)其尺寸大小用統(tǒng)計分析方法劃分為小磨粒和大磨粒，用于劃分的尺寸閾值一般為10微米。小磨粒主要是正?；瑒幽チ：颓驙钅チ＃獎澐诌@兩類磨粒，必須綜合應(yīng)用三個幾何參數(shù)和五個傅氏參數(shù)，所以需要將統(tǒng)計分析方法和D-S證據(jù)決策方法結(jié)合起來完成這兩類磨粒的最終劃分。而大磨粒這一類別中比較復(fù)雜，首先應(yīng)用根據(jù)顏色參數(shù)劃分出紅色氧化物磨粒和黑色氧化物磨粒，然后再應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別方法，將剩余的磨粒劃分為嚴重滑動磨粒、疲勞剝塊磨粒兩類，完成了磨粒的綜合識別流程。
權(quán)利要求
1.一種油液污染物綜合檢測系統(tǒng)，包括由微量泵(1)、毛細管(2)、傳感器(3)、回油池(4)組成的油液進樣系統(tǒng)，由顯微鏡(5)、反射光源(6)、透射光源(7)組成的顯微系統(tǒng)，由攝像頭(8)、圖像卡(9)、計算機(10)組成的圖像采集分析系統(tǒng)，以及永磁體(11)部分，其特征在于所述傳感器(3)由基片(12)和蓋片(13)兩部分鍵合而成，且基片(12)上刻蝕有由總流道(14)、第一分流道(15)及第二分流道(16)組成的整體呈Y型的微管道，且總流道(14)、第一分流道(15)及第二分流道(16)交匯處為沉積區(qū)(17)，沉積區(qū)(17)中部鉆有小孔并粘結(jié)向下導(dǎo)通的鋼針形成清渣孔(18)，在蓋片(13)上與總流道(14)端部位置對應(yīng)處設(shè)有一個粘結(jié)有向上導(dǎo)通的鋼針的進油孔(19)，在蓋片(13)上與第一分流道(15)端部位置，和與第二分流道(16)端部位置對應(yīng)分別鉆有小孔粘結(jié)有向上導(dǎo)通的鋼針形成第一出油孔(20)和第二出油孔(21)；永磁體(11)置于傳感器的側(cè)邊且緊貼傳感器靠近沉積區(qū)(17)，所述側(cè)邊為第二分流道(15)外側(cè)邊。
2.利用權(quán)利要求1所述油液污染物綜合檢測系統(tǒng)，進行油液污染物綜合檢測的方法，適用于檢測各尺寸段下的油液總的污染物濃度，其特征在于包括以下步驟a、檢測時利用微量泵將油樣送入所述的帶有Y型微管道結(jié)構(gòu)的傳感器中，在油樣流動的過程中選取G1點為觀測點采集油液中污染物的圖像，其中G1點位于總流道中部；b、對G1點油液污染物的圖像進行分析計算先計算每幀圖像包含的油液的有效體積，再根據(jù)污染物顆粒的大小、數(shù)量計算各尺寸段內(nèi)的總污染物濃度M。
3.利用權(quán)利要求1所述油液污染物綜合檢測系統(tǒng)，進行油液污染物綜合檢測的方法，適用于檢測污染物中非鐵磁性污染物的濃度，特征在于包括以下步驟a、檢測時利用微量泵將油樣送入所述的帶有Y型微管道結(jié)構(gòu)的傳感器中，在油樣流動的過程中選取G2為觀測點采集油液中污染物的圖像，其中G2點位于第一分流道中部；b、對G2點油液污染物的圖像進行分析先計算每幀圖像包含的油液有效體積，再根據(jù)圖像特征參數(shù)將非鐵磁性污染物分為n類，最后計算各分類下的濃度，設(shè)N2＝{N21，N22，......，N2n}。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述油液污染物綜合檢測的方法，其特征在于包括以下步驟在油樣流動的過程中選取G3點為觀測點采集油液中污染物的圖像，其中G3點位于第二分流道中部；對G3點油液污染物的圖像進行分析計算求得非鐵磁性污染物濃度，應(yīng)小于G2點數(shù)據(jù)；用以上數(shù)據(jù)對第一分流道G2觀察點的數(shù)據(jù)進行校驗。
5.利用權(quán)利要求1所述油液污染物綜合檢測系統(tǒng)，進行油液污染物綜合檢測的方法，適用于檢測污染物中鐵磁性污染物的濃度，其特征在于包括以下步驟a、檢測時利用微量泵將油樣送入所述的帶有Y型微管道結(jié)構(gòu)的傳感器中，在油樣流動的過程中分別選取G1、G2二點為觀測點采集油液中污染物的圖像，其中G1點位于總流道中部，G2點位于第一分流道中部；b、對G1點油液污染物的圖像進行分析計算先計算每幀圖像包含的油液有效體積，再根據(jù)圖像特征參數(shù)按磨損機理將污染物分成m類計算各分類下的污染物濃度M1＝{M11，M12，.....，M1m}；c、對G2點油液污染物的圖像進行分析計算先計算每幀圖像包含的油液有效體積，再根據(jù)圖像特征參數(shù)按磨損機理將污染物分成m類，計算各分類下的污染物濃度M2＝{M21，M22，......，M2m}；d、計算油液中鐵磁性污染物的濃度M3＝M1-M2＝{M11-M21，M12-M22，.......，M1m-M2m}。
全文摘要
一種油液污染物綜合檢測系統(tǒng)及檢測方法，于傳感器測量儀器領(lǐng)域。該系統(tǒng)由油液進樣系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)、圖像采集分析系統(tǒng)組成，其特征在其傳感器(3)基片(12)上刻蝕有由總流道(14)、第一分流道(15)及第二分流道(16)組成的整體呈Y型的微管道，交匯處為沉積區(qū)(17)，永磁體(11)靠近沉積區(qū)(17)。利用這套系統(tǒng)可以檢測油液的污染度，區(qū)分鐵磁性污染物和非鐵磁性污染物，并對這兩種顆粒詳細的分類和進行濃度計算，可以完全替代污染物計數(shù)器和鐵譜儀的功能，具有油料分析光譜儀的部分功能。
文檔編號G01N27/72GK101093191SQ200710023578
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月8日
發(fā)明者左洪福, 張艷彬, 李紹成 申請人:南京航空航天大學(xué)