CN101393108A - 油液磨粒在线监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种机器油液磨粒在线监测方法及系统，属于机器磨损状态监测与故障诊断领域。该方法利用油液磨粒带有净电荷，且带电磨粒浓度越大静电信号越强这一原理，监测机器的磨损状况。该系统包括磨粒静电在线监测子系统，该子系统依次由静电传感器(1)、电荷放大器(7)和动态信号测试分析仪(8)组成。本发明针对油液磨粒离线检测技术和现有在线监测技术的不足，设计了一种基于静电和显微图像相结合的油液磨粒在线监测系统。该系统适合5μm以上的磨粒在线监测，而且系统成本相对较低。

Description

油液磨粒在线监测方法及系统

技术领域

本发明的油液磨粒在线监测系统实时监测机器油液中的磨粒浓度和磨粒尺寸、数量与种类，为磨损状态判断、故障诊断和视情维修提供理论依据，属于机器磨损状态监测与故障诊断领域。

背景技术

油液磨粒分析是磨损状态监测的重要手段。目前油液磨粒离线检测技术已发展得比较成熟，有铁谱分析技术、光谱分析技术、颗粒计数器等，它们分别从磨粒类别、成分、尺寸与磨粒数统计等方面给出油液样品中磨粒的信息。但是离线检测需要取样，分析周期长，成本高，分析结果具有一定的滞后性。现有的油液磨粒在线监测传感器一般只适合大磨粒检测，如加拿大GasTops公司生产的油液磨粒监测器MetalSCAN仅适合尺寸在70um以上的磨粒监测，而且价格非常昂贵。另外，磨粒在线监测传感器一般只能给出油液中磨粒浓度的信息，提供磨损状态预警信号，仅能区别铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒，无法确定磨粒的具体类型，难以准确确定磨损程度以及进行磨损机理分析与磨损定位。

发明内容

本发明针对油液磨粒离线检测技术和现有在线监测技术的不足，设计了一种基于静电和显微图像相结合的油液磨粒在线监测系统。该系统适合5um以上的磨粒在线监测，而且系统成本相对较低。

一种机器油液磨粒在线监测方法，其特征在于：利用油液磨粒带有净电荷，且带电磨粒浓度越大静电信号越强这一原理，监测机器的磨损状况；在线提取油液及其磨粒静电信号，利用油液背景和油液磨粒静电信号的频域特性差别进行去噪处理，得到油液磨粒静电信号；通过油液磨粒静电信号判断油液中磨粒的浓度，当磨粒浓度高于给定阈值时，提供预警信号；通过实验和理论分析建立磨损监测对象的磨粒静电信号阈值曲线。

一种机器油液磨粒在线监测系统，其特征在于：包括磨粒静电在线监测子系统，该子系统依次由静电传感器、电荷放大器和动态信号测试分析仪组成；上述静电传感器：由油液流过的绝缘管、紧贴绝缘管外壁的电极、罩于电极及绝缘管外侧的屏蔽罩、以及填充于屏蔽罩与绝缘管之间的绝缘体构成；上述动态信号测试分析仪实时提取油液中磨粒的静电信号以判断油液中磨粒浓度，当磨粒浓度高于给定阈值时，提供预警信号。

本发明的静电在线监测传感器是基于静电感应原理设计的，当带电磨粒经过传感器电极时，在电极上产生感应电荷，感应电荷的量是随着油液中带电磨粒的浓度增大而增大的。由于静电传感器输出信号微弱，而且内阻很高，不能直接显示和记录，需要经过转换电路进行阻抗变换和信号放大，因此，在测量电路中需要加入前置放大器，将信号进行放大，并进行阻抗变换，将高阻抗输入转变为低阻抗输出。本发明利用电荷放大器实现上述功能的，将电荷放大转换为电压信号，然后利用动态信号测试分析仪采集电压信号。传感器中具体的结构尺寸是根据传感器静电场理论模型，通过有限元分析后进行优化设计的，保证感应灵敏度较高，可以感应到油液中5um以上的磨损带电颗粒。传感器材料为普通材料，成本价格较低。

上述方法，还依次包括磨粒图像采集、磨粒图像处理、磨粒识别几个过程。其中磨粒图像处理具体方法如下：对磨粒图像进行灰度化处理；利用匀速直线运动模糊图像恢复模型进行图像恢复；进行包含低通滤波、图像增强、阈值分割和图像形态学滤波几个过程在内的预处理；提取磨粒特征参数。其中磨粒识别具体方法如下：根据磨粒的形态特征将磨粒划分为正常磨粒、层状磨粒、严重磨损磨粒、切削磨粒、疲劳剥块、球状磨粒、氧化物磨粒；根据磨粒图像处理后提取的磨粒特征参数，按照铁谱磨粒的识别体系进行自动识别。

上述系统，还包括油液进样子系统，该子系统包括：泵、微量泵、分流器件、油液管道、油液分析芯片；其中油液分析芯片由基片和盖片构成，基片上刻有矩形微管道，盖片上设有与矩形微管道连通的进油孔和出油孔；还包括磨粒图象在线采集分析子系统，该子系统包括：油液分析芯片、显微镜、透射光源、反射光源、工业数字摄像机。

本发明的油液分析芯片是基于MEMS制作工艺设计的，由基片和盖片两部分键合而成，且基片上刻蚀有油液流道。在油液进样子系统的作用下，油液流入分析芯片，通过成像子系统得到油液磨粒图像。

本发明与现有技术相比具有以下特点：具有现有磨粒在线传感器的功能，并且适用于不同尺寸范围的磨粒监测；具有铁谱分析技术的功能，同时具有实时分析的能力，可以在线监测油液中磨粒的尺寸、类型以及磨粒浓度；可以为视情维修提供可靠的数据依据。

附图说明

图1为油液磨粒在线监测系统原理图；

图2为静电传感器结构原理图；

图3为油液分析芯片结构原理图；

图4为磨粒识别分类器。

图中标号名称：1、静电传感器，2、泵，3、分流器件，4、微量泵，5、油液分析芯片，6、机器油液系统，7、电荷放大器，8、动态信号测试分析系统，9、计算机，10、工业数字摄像机，11、显微镜，12、透射光源，13、过滤网，14、1394卡，15、反射光源，16、载物台，17、油液管道，18、电极，19、屏蔽罩，20、绝缘管，21、绝缘体，22、盖片，23、进油孔，24、出油孔，25、基片，26、油液分析芯片流道，27、统计分析，28、切削磨粒，29、统计分析，30、LS-SVM₁，31、LS-SVM₂，32、LS-SVM₃，33、氧化物磨粒，34、正常磨粒，35、球状磨粒，36、层状磨粒，37、LS-SVM₄，38、严重滑动磨粒，39、疲劳剥块。

具体实施方式

1、系统结构

系统组成如图1所示，由磨粒静电在线监测子系统(包括静电传感器1、电荷放大器7和动态信号测试分析仪8)磨粒图像在线采集和分析子系统(包括油液分析芯片5、显微镜11、光源12和15、工业数字摄像机10)、油液进样子系统(包括泵2、微量泵4、分流器件3、油液管道17)组成。

静电传感器结构如图2所示，由电极18、屏蔽罩19、绝缘管20和绝缘体21构成。传感器中电极、屏蔽罩、绝缘管和绝缘体的材料分别为紫铜、黄铜、石英玻璃和聚四氟乙烯，具体的结构尺寸是根据传感器静电场理论模型，通过有限元分析后进行优化设计的。该实例中传感器电极的长径比为2，感应灵敏度较高，可以感应到油液中5um以上的磨损带电颗粒。传感器体积较小，长度为180mm，径向尺寸为60mm，测试系统采用的是江苏东华公司的DH5922动态信号测试分析系统及其配套的DH5855电荷放大器。

油液分析芯片结构如图3所示，由基片25和盖片22构成，是采用MEMS制作工艺设计加工的。基片和盖片的材料均为钠玻璃，厚度均为1.5mm。基片上刻有矩形微管道，深度为100um，宽度为600um。利用泵、分流器件和微量泵组合进行油液进样，油液从进油孔流入，从出油孔流出，为了避免磨粒受重力作用而沉积在芯片管道中，将显微镜进行侧卧式放置，使芯片中油液流动方向与磨粒重力方向一致。

图像采集系统中采用的摄像机为北京大恒图像公司生产的DH-HV3102UC数字摄像机，显微镜为广州光学仪器厂的透反射双光源显微镜L2020A，光源亮度可调，保证了足够的亮度和彩色性能，具有标准的C和CS接口，可以方便的连接数字摄像机。

2、磨粒静电在线监测

在磨损过程中，磨损颗粒带有一定的净电荷，通过润滑系统流入到油液中，油液的绝缘作用使磨粒保持带电特性。静电监测传感器所提取的静电信号是所有位于传感器感应区域中的带电磨粒电荷在电极上感应的结果，磨粒静电信号的强弱与油液中磨粒的浓度是成一定的比例关系的，即带电颗粒浓度越大，静电信号越强，反之，越小。因此，磨粒的静电信号可以反映机器的磨损状况，通过实时提取油液中磨损颗粒的静电信号，可以判断油液中磨粒的浓度，当磨粒浓度高于给定阈值时，提供预警信号。

本发明利用油液背景和油液磨粒静电信号的频域特性差别进行去噪处理，得到磨粒静电信号。对于具体的磨损监测对象需要通过实验和理论分析建立磨粒静电信号阈值曲线。

3、磨粒图像处理

系统采集到的磨粒图像是24位真彩色图像，为了提高图像处理速度，首先将磨粒图像进行灰度化处理，灰度化公式为

Gray＝0.3R+0.59G+0.11B+0.001

Gray，R，G，B分别表示磨粒图像的灰度量和像素的红，绿，蓝分量。

由于油液具有一定的流动速度，系统采集的是运动动态图像，磨粒图像存在着运动模糊现象，为了有效提取磨粒的特征信息，必须对磨粒图像进行运动模糊恢复处理。由于磨粒的运动方向已知，摄像机的曝光时间较短，油液流动稳定，因此，采用匀速直线运动模糊图像恢复模型进行磨粒图像处理，具体模型为

g(x，y)＝f(x，y)*h(x，y)+n(x，y)

其中退化函数为

式中，f(x，y)为原始图像，g(x，y)为实际图像，h(x，y)为退化函数，n(x，y)代表加性噪声，x表示油液流动方向，L表示模糊尺度。

退化函数中只有模糊尺度一个未知参数需要求解，采用磨粒模糊图像微分与自相关算法进行模糊尺度的计算，具体步骤为

(1)对图像逐行进行求导运算；

(2)对求导后的图像分别求出各行的自相关函数R_m(j)

$R_m\left(j\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}l(i+j)l\left(i\right)$

j为整数且j∈[-(N-1)，N-1]

其中，l(i)表示所计算的图像行m中的各点像素的灰度值。

(3)将自相关函数R_m(j)的各列进行求和，得到一条识别曲线，曲线上有一对共轭的相关峰，这对相关峰对称分布于零频尖峰的两侧，其距离为模糊尺度的2倍。因此，确定了这对相关峰的位置就可以求出模糊尺度L。

按照上述方法求出模糊尺寸后，利用维纳滤波的方法进行图像恢复。图像恢复处理后，对图像进行低通滤波、图像增强、阈值分割和图像形态学滤波等预处理，在此基础上，提取磨粒特征参数。

对于运动模糊恢复后的磨粒图像，参照铁谱磨粒测量方法进行计算，可以提取包括几何参数、矩参数、形状参数、结构特征参数、颜色参数、纹理参数和分形参数等七大类36个二维形态特征参数。

4、磨粒识别

根据磨粒的形态特征可以把磨粒划分为：正常磨粒、层状磨粒、严重磨损磨粒、切削磨粒、疲劳剥块、球状磨粒、氧化物磨粒。对于进行模糊恢复处理后的磨粒图像，在提取磨粒的特征信息后，可以按照铁谱磨粒的识别体系进行自动识别。该识别体系为层次识别法，首先应用统计分析方法以傅氏细长度和傅氏凹度两个形状参数将切削磨粒提取出来，然后依据磨粒主轴尺寸大小，用统计分析方法划分为小磨粒和大磨粒，用于划分的尺寸阈值一般为10微米。小磨粒主要是正常滑动磨粒和球状磨粒，利用的特征参数为3个几何参数和8个形状参数。对于大磨粒，首先根据颜色参数划分出氧化物磨粒，剩下的磨粒可以划分为严重滑动磨粒、层状磨粒和疲劳剥块。对于严重滑动磨粒、层状磨粒和疲劳剥块这三类磨粒，一般需要利用七大类共36个特征参数进行分类，为提高系统的实时性，利用粗糙集理论对这七大类参数进行了优化，优化后的特征参数为14个。

为实现磨粒自动识别，设计了基于统计分析和最小二乘支持向量机(LS-SVM)相结合的层次分类器，如图4所示。对于LS-SVM中的两个可调参数，利用粒子群优化算法进行了优化选取，另外，LS-SVM一般仅适合两类分析，对于磨粒多类分类，采用“一对多”的策略。其中最小二乘支持向量机主要用于正常滑动磨粒和球状磨粒，以及严重滑动磨粒、层状磨粒和疲劳剥块的自动识别。

Claims (7)

1、一种机器油液磨粒在线监测方法，其特征在于：

利用油液磨粒带有净电荷，且带电磨粒浓度越大静电信号越强这一原理，监测机器的磨损状况；

在线提取油液及其磨粒静电信号，利用油液背景和油液磨粒静电信号的频域特性差别进行去噪处理，得到油液磨粒静电信号；通过油液磨粒静电信号判断油液中磨粒的浓度，当磨粒浓度高于给定阈值时，提供预警信号；

通过实验和理论分析建立磨损监测对象的磨粒静电信号阈值曲线。

2、根据权利要求1所述的机器油液磨粒在线监测方法，其特征在于：还依次包括磨粒图像采集、磨粒图像处理、磨粒识别几个过程；

其中磨粒图像处理具体方法如下：对磨粒图像进行灰度化处理；利用匀速直线运动模糊图像恢复模型进行图像恢复；进行包含低通滤波、图像增强、阈值分割和图像形态学滤波几个过程在内的预处理；提取磨粒特征参数。

其中磨粒识别具体方法如下：根据磨粒的形态特征将磨粒划分为正常磨粒、层状磨粒、严重磨损磨粒、切削磨粒、疲劳剥块、球状磨粒、氧化物磨粒；根据磨粒图像处理后提取的磨粒特征参数，按照铁谱磨粒的识别体系进行自动识别。

3、根据权利要求2所述的机器油液磨粒在线监测方法，其特征在于：所述的磨粒识别具体方法中的自动识别过程为：

(1)、其识别体系为层次识别法，首先应用统计分析方法以傅氏细长度和傅氏凹度两个形状参数将切削磨粒提取出来；

(2)、然后依据磨粒主轴尺寸大小，用统计分析方法将剩下的磨粒划分为小磨粒和大磨粒；

(3)、小磨粒划分为正常磨粒和球状磨粒，利用的特征参数为面积、等效直径、体态比三个几何参数和傅氏周长、傅氏面积、傅氏圆形度、傅氏细长度、傅氏散射度、傅氏凹度、傅氏形心偏心度八个形状参数；

(4)、对于大磨粒，首先根据颜色参数划分出氧化物磨粒，剩下的磨粒可以划分为严重滑动磨粒、层状磨粒和疲劳剥块；

(5)、对于严重滑动磨粒、层状磨粒和疲劳剥块这三类磨粒，利用几何参数、矩参数、形状参数、结构参数、颜色参数、纹理参数、分形参数共七类特征参数进行分类。

4、根据权利要求3所述的机器油液磨粒在线监测方法，其特征在于：第(5)点所述的几何参数、矩参数、形状参数、结构参数、颜色参数、纹理参数、分形参数共七类特征参数，利用粗糙集理论进行了参数优化，优化后的特征参数为面积、等效直径、体态比、短长轴比、傅氏圆形度、傅氏凹度、边界曲折度、红色均值、熵、角二阶矩、对比度、灰度相关、孔隙率、分形系数。

5、一种机器油液磨粒在线监测系统，其特征在于：

包括磨粒静电在线监测子系统，该子系统依次由静电传感器(1)、电荷放大器(7)和动态信号测试分析仪(8)组成；

上述静电传感器(1)：由油液流过的绝缘管(20)、紧贴绝缘管(20)外壁的电极(18)、罩于电极及绝缘管外侧的屏蔽罩(19)，以及填充于屏蔽罩(19)与绝缘管(20)之间的绝缘体(21)构成；

上述动态信号测试分析仪(8)实时提取油液中磨粒的静电信号以判断油液中磨粒浓度，当磨粒浓度高于给定阈值时，提供预警信号。

6、根据权利要求5所述的机器油液磨粒在线监测系统，其特征在于：

还包括油液进样子系统，该子系统包括：泵(2)、微量泵(4)、分流器件(3)、油液管道(17)、油液分析芯片(5)；其中油液分析芯片(5)由基片(25)和盖片(22)构成，基片上刻有矩形微管道，盖片上设有与矩形微管道连通的进油孔和出油孔；

还包括磨粒图象在线采集分析子系统，该子系统包括：油液分析芯片(5)、显微镜(11)、透射光源(12)、反射光源(15)、工业数字摄像机(10)。

7、根据权利要求6所述的机器油液磨粒在线监测系统，其特征在于：所述显微镜(11)为侧卧式放置。

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