CN101943565A - 光纤耦合led双光源油液运动颗粒显微成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用以获取油液中运动颗粒数字化图像信息的光电显微成像系统，其特征是采用基于光纤耦合LED透反射双色双光源，对流动油液中的运动颗粒目标经长焦镜头组件光学放大成像后，通过高速数字CCD获取颗粒目标表面颜色、轮廓、尺寸和孔隙率等数字化图像信息，用以分析油液中颗粒的类型、数量和尺寸分布，进而确定密闭油液油路系统内部的机械磨损状态和油液颗粒污染度，适用于航空、舰船、铁路等领域的机械状态监控和故障诊断。

Description

光纤耦合LED双光源油液运动颗粒显微成像系统
技术领域
本发明涉及一种通过光纤耦合LED透反射双色双光源、长焦镜头组件、窗体式流动池和高速数字CCD组成的油液运动颗粒光学显微成像系统，获取流动油液中运动颗粒目标的表面颜色、轮廓、尺寸和孔隙率等数字化图像信息，用以分析油液中颗粒的类型、数量和尺寸分布，进而确定密闭油液系统内部的机械磨损状态和固体颗粒污染度，适用于航空、舰船、铁路等领域的机械状态监控和故障诊断。
背景技术
在装备实施状态监控和视情维修过程中，需对其内部的密闭润滑系统、液压系统等开展油液监控工作。油液监控是通过对系统内油液的检测和分析，监控系统磨损状态和污染状况的现代维修技术。目前以油液光谱分析、铁谱分析和颗粒污染度检测为代表多种油液监控技术已在国内外得到广泛应用。但上述任一单独的监控手段难以涵盖全面的故障征兆信息，如：光谱分析难以检测油液中尺寸大于10微米磨粒，铁谱分析难以获取定量的磨粒信息，颗粒污染度检测不能用以监控磨损状态。基于光纤耦合LED双色透反射光路的油液运动颗粒显微成像系统，运用计算机数字图像处理和分析诊断专家系统等技术途径，可用以自动检测油液中各种尺寸段特征磨粒(特别是较大尺寸特征磨粒，典型的较大尺寸磨粒长轴尺寸一般为＞15微米)图像的形态、尺寸及数量分布，能够准确评价发动机磨损故障的严重程度和失效类型，同时检测油液的颗粒污染度等级，可集成光谱分析、铁谱分析、颗粒污染度检测等多种油液监控技术的征兆信息，有效提高油液监控效率和故障诊断成功率。
发明内容
本发明的目的是提供一种用以获取油液中运动颗粒数字化图像信息的光电显微成像系统，其特征在于采用基于光纤耦合LED透反射双色双光源，对流经窗体式流动池的油液中运动颗粒目标，经长焦镜头组件光学放大并成像，通过高速数字CCD获取颗粒目标的表面颜色、轮廓、尺寸和孔隙率等数字化图像信息。通过采用适合的光学放大倍数，可有效检测油液中最小尺寸为4微米的颗粒目标，由此可从油液中获取较全面的颗粒信息。
本发明涉及的油液运动颗粒光学显微成像系统由光纤耦合LED透反射双色双光源、长焦镜头组件、窗体式流动池和高速数字CCD组成，系统组成详见图1。系统中的透反射双色双光源包括绿光LED透射光纤光源和红光LED反射光纤光源；长焦镜头组件由双胶合透镜、光阑、透镜、反射镜和分光镜组成。
利用蠕动泵或气泵驱动油液流经窗体式流动池，油液中的运动颗粒目标在光学成像系统中成像。光学成像系统中，采用绿光LED光纤光源作为透射光源，红光LED光纤光源作为反射光源，通过长焦镜头组件将颗粒目标图像在高速数字CCD上成像。由于采用透反射双色双光路，增加了运动颗粒目标的表面颜色信息(红色R分量和绿色G分量)，丰富了磨粒图像的数字化信息。由于金属颗粒表面的颜色信息中，R分量明显大于G分量，使颗粒目标在分析诊断中，金属颗粒的识别效率大大提高。
此外，LED光纤光源中增加半导体制冷片制冷，将光源环境温度控制在20±5℃，并采用驱动电路加电流负反馈稳流电路的方式为光源提供稳定的电流，可有效提高LED光纤光源的稳定性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明的油液运动颗粒光学显微成像系统。
图1中的绿光LED光纤光源1产生的透射光，经双胶合透镜2准直后，通过窗体式流动池3，穿透的透射光经光阑4和透镜5，在45°半透半反分光镜7折射到反射镜6，经双胶合透镜10，在反射镜11处折射至高速数字CCD靶面成像。红光LED光纤光源9产生的反射光，经双胶合透镜8后，透过45°半透半反分光镜7后，通过透镜5和光阑4准直照射到窗体式流动池3，产生的反射光经光阑4和透镜5，在45°半透半反分光镜7折射到反射镜6，经双胶合透镜10，在反射镜11处折射至高速数字CCD靶面成像。通过绿色LED光纤光源透射和红光LED光纤光源反射后，经长焦镜头组件在CCD上成像的运动颗粒目标图像具有丰富的表面颜色、轮廓、尺寸和孔隙率等数字化图像信息，是进行颗粒图像分析诊断的基础信息源。
具体实施方式
实施例1：运用本发明的油液运动颗粒光学显微成像系统，监测航空发动机在用滑油中的磨损金属颗粒数量、类型和尺寸分布，对发动机内部磨损状态实施状态监控和故障诊断。
油液监控是航空发动机实施状态监控和视情维修重要技术手段。发动机滑油中的磨粒蕴含着丰富的零部件磨损状态信息，通过检测磨粒的成分、数量和磨损类型等所获得的信息，对于有效诊断航空装备的磨损故障具有重要意义。目前以油液光谱分析、铁谱分析为代表油液监控技术已在国内外得到广泛应用。但上述监控技术存在一定的局限性，如：油液光谱分析不能有效检测油液中尺寸大于10微米的磨粒，而因轴承疲劳失效引起的危险性发动机故障往往产生大量尺寸大于10微米的疲劳剥落磨粒，通过油液光谱分析难以有效预报轴承疲劳失效引起的发动机故障；铁谱分析通过永久磁铁捕获油液中铁磁性磨损颗粒，通过光学显微镜进行观察，难以快速获取定量的磨粒信息，磨粒类型的判别高度依赖操作者的经验。
基于LED光纤耦合双色透反射光路的油液运动颗粒显微成像系统，运用计算机数字图像处理和分析诊断专家系统等技术途径，可用以自动识别油液中各种尺寸段特征磨粒图像的形态、尺寸及数量分布，能够准确评价发动机磨损故障的严重程度和失效类型，可有效提高油液监控效率，提高故障诊断成功率。
目前，运用本发明的油液运动颗粒光学显微成像系统，通过系统集成和软硬件开发，开发成功多功能油液磨粒检测仪，用于航空发动机磨损状态监控。该系统采用10倍光学放大将颗粒目标成像到CCD，通过分析诊断油液运动颗粒显微成像系统采集的颗粒目标图像，经图像预处理后运用颗粒图像参数结合案例分析的方法，将长轴尺寸大于10微米的颗粒目标自动识别成金属颗粒、非金属颗粒和气泡等，其中金属颗粒进一步识别成疲劳磨粒、切削磨粒和严重滑动磨粒，并分别计算浓度和尺寸分布。
实施例2：运用本发明的油液运动颗粒光学显微成像系统，监测油液中的颗粒数量、类型和尺寸分布，确定油液固体颗粒污染度。
基于光纤耦合LED双色透反射光路的油液运动颗粒显微成像系统，运用计算机数字图像处理和分析诊断专家系统等技术途径，可用以自动检测油液中当量圆直径大于4微米的所有颗粒的数量和尺寸分布，采用NAS1638、GJB420A-1996、GJB420B-2006和ГOCT17216等多种国内外通用的固体颗粒污染度分级标准，用以检测包括润滑油、液压油和喷气燃料等油液的固体颗粒污染度。

Claims (10)

1.一种用以获取油液中运动颗粒数字化图像信息的光电显微成像系统，其特征在于采用基于光纤耦合LED透反射双色双光源，对流经窗体式流动池的油液中运动颗粒目标，经长焦镜头组件光学放大并成像后，通过高速数字CCD获取颗粒目标的表面颜色、轮廓、尺寸和孔隙率等数字化图像信息。
2.根据权利要求1所述的光电显微成像系统，其特征在于，系统包括透反射双色双光源、长焦镜头组件、窗体式流动池和数字图像采集装置。
3.根据权利要求2所述的透反射双色双光源，其中所述的光源采用光纤耦合LED光源。
4.根据权利要求3所述的光纤耦合LED光源，其中所述的光源，采用绿光LED光纤光源作为透射光源，红光LED光纤光源作为反射光源。
5.根据权利要求3所述的光纤耦合LED光源，光源中增加半导体制冷片制冷，并采用驱动电路加电流负反馈稳流电路以提高稳定性和寿命。
6.根据权利要求2所述的长焦镜头组件，其特征在于，其中所述的镜头组件由双胶合透镜、光阑、透镜、反射镜和分光镜组成，其中光学放大倍数为4-10，成像景深＞30微米。
7.根据权利要求2所述的窗体式流动池，其特征在于，其中所述的流动池流场厚度范围为90-110微米，有效视场范围不小于800×600微米。
8.根据权利要求2所述的数字图像采集装置，其特征在于，其中所述的装置为高速数字CCD，最小采集频率20f/ps，最小图像分辨率640×480。
9.根据权利要求1所述的光电显微成像系统，其中所述的颗粒目标为金属磨粒、非金属颗粒、纤维、水珠和气泡等。
10.根据权利要求1所述的光电显微成像系统，其中所述的油液包括润滑油、液压油、喷气燃料、汽油和柴油等各种介质。
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