CN105758882A - 一种滑油金属x射线荧光探测与光谱预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑油金属X射线荧光探测与光谱预处理方法，本方法由原级X射线激发与控制、滑油金属X射线荧光光谱探测、环境气体调节、探测光谱预处理四大部分组成，根据被测金属组分的临界激发能量，确定最佳的激发电压与电流，从而使靶材特征谱所产生的散射谱影响最小，且能够获取特征峰型和强度最佳的能谱；通过设计脉冲整型时间、脉冲宽度、脉冲信号记录时间、快速阈值、能谱校正系数等，改变探测全能谱及特征谱的性能，满足对强特征峰和弱特征峰同时记录的要求；能够根据测量要求，灵活调整测量光路的气体环境，实现对低能谱区域轻金属元素的准确测量；采用基于多尺度分解的背景基线自适应校正，满足了航空发动机滑油金属直接测量的要求。

Description

一种滑油金属X射线荧光探测与光谱预处理方法

技术领域

本发明涉及一种滑油金属X射线荧光探测与光谱预处理方法，能够根据测量光谱的背景基线特征，采用基于多尺度分解的背景基线自适应校正，根据测量要求，灵活调整测量光路的气体环境，实现对低能谱区域轻金属元素的准确测量。

背景技术

航空发动机磨损过程中，所产生的金属磨损碎屑，易对航空发动机造成一定程度的损伤。目前，航空发动机滑油磨损金属检测主要通过现场采样，并对试样进行预处理，之后再利用测量仪器进行检测。现有常用的滑油金属检测方法有原子吸收法、等离子体发射光谱法、化学滴定法和比色法，以及X射线荧光光谱(简称为XRFS)解析技术。

EDXRFS(能量色散型X射线荧光)光谱探测是获取航空发动机滑油金属特征的前提和基础。滑油金属EDXRFS探测主要依据激发与探测特性，现有常用的滑油金属检测方法(包括XRFS直接检测方法)需对滑油试样进行预先处理，其存在以下缺点：

(1)激发源采用放射性核素源，核素源确定后其原级射线的激发能量也就确定，无法根据测量元素种类等需要灵活确定激发参数；

(2)波长色散型光谱仪采用分光晶体进行光谱区分，该设计直接影响了探测系统的结构体积；

(3)受空气中氧气等影响，滑油中所含轻质金属的激发谱线易被吸收，不易被探测；

(4)常用的检测方法需要对滑油试样进行过滤、干燥等预处理，铁谱等探测仪器仅能分析铁等部分金属组分。

发明内容

为克服现有技术的不足之处，本发明提供一种滑油金属X射线荧光探测与光谱预处理方法，以解决现有技术存在的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种滑油金属X射线荧光探测与光谱预处理方法，包括以下步骤：

(1.1)确定最大激发电压:根据原级X射线光谱短波限λ与X射线光管内电子加速电压U之间的关系，依据所分析金属的最小波长λ₀，通过式①确定用于激发滑油金属的最大电压；

U＝1.23984/λ₀(nm)①

(1.2)选择厚度为2～10密耳的Al、Cu、Mo材质的原级滤波片；

(1.3)根据探测金属X射线荧光的脉冲计数，分析其脉冲堆积效应大小，进而确定X射线管的激发电流；

(2)进行滑油金属X射线荧光光谱探测；

(3)根据滑油EDXRFS探测对象的不同，依据预设的吹入气体的流量、流速参数，在测量过程中，在EDXRFS测量光路上吹入氦气；

(4)根据噪声与特征谱线高斯特征峰在时频分解中的特征，通过自适应阈值因子，根据式③移除特征峰上叠加的噪声：

${\hat{w}}_{j,k}=\left\{\begin{array}{cc}sgn\left(w_{j,k}\right)\·\sqrt{({\left|w_{j,k}\right|}^2-{\mathrm{\λ}}^2)}& \left|w_{j,k}\right|>\mathrm{\λ}\\ 0& \left|w_{j,k}\right|\≤\mathrm{\λ}\end{array}\right.$ ③

其中，

λ为固定阈值，依据分解节点系数长度，由式④确定，

$\mathrm{\λ}=\mathrm{\σ}\sqrt{2log\left(N\right)}$ ④

σ为噪声方差，N为不同尺度节点分解系数的长度。

进一步的，滑油金属X射线荧光光谱探测的实施步骤为：

(2.1)根据测量要求，分别在4.8-19.2μs区间内设计脉冲整型时间，在4.8-9.6μs区间内设置脉冲峰值时间；

(2.2)确定脉冲信号记录时间，依据被测试样检测限的要求，将记录时间设置为1-2分钟；

(2.3)设计快速阈值，根据脉冲信号的有效计数及死时间大小要求，将快速阈值设置在10左右的范围；

(2.4)根据记录光谱的有效展宽及测量精度要求，确定记录通道宽度；

(2.5)利用标准金属件，采用步骤(2.1)-(2.4)所设计的探测参数，分别选取两种金属元素的特征谱线各一条，根据实际测量谱线能谱位置与理论能谱值之间关系，用Y＝AX+B建立方程组，确定线性校准系数；其中，A、B为线性校准系数，X表示记录通道位置，Y表示对应金属元素的谱线能谱值。

有益效果：本发明方法与现有技术相比具有以下优点：

1.能够根据测量要求，在EDXRFS测量光路上吹入氦气，灵活调整测量光路的气体环境，实现对低能谱区域轻金属元素的准确测量。

2.能够根据测量光谱的背景基线特征，采用基于多尺度分解的背景基线自适应校正，满足了航空发动机滑油金属直接测量的要求。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。

图1为本发明各步骤的逻辑关系框图，

图2为本发明方法的工作流程图，

图3为不同激发电压条件下的Cd探测光谱图，

图4为不同脉冲整型时间条件下的探测光谱图，

图5为在不同气体条件下Al的探测光谱图，

图6为小波自适应阈值去噪的结果图，

图7为基线校准处理的结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对当前航空发动机滑油金属EDXRFS检测存在的缺点，重点解决滑油试样气体环境可调的EDXRFS探测等问题，具体体现在以下三个方面：

(1)解决了大气环境对轻质金属元素的干扰问题

针对滑油金属中含有部分轻质金属元素，且其EDXRFS易受环境气体所吸收的特点，采用探测光路上的环境气体可调节的气体测量环境。

(2)解决了滑油中所含金属组分多样的问题

采用EDXRFS方法，设计合理的激发与探测条件，可实现对滑油中所含金属的多组分同时测量。

(3)解决了X射线荧光光谱噪声与背景基线移除问题。

(一)方法构成

参见图1、2，本方法由原级X射线激发与控制、滑油金属X射线荧光光谱探测、环境气体调节、探测光谱预处理四大部分组成。

1.原级X射线激发与控制

主要根据测量滑油金属的要求，设置原级滤波片，并根据被测金属组分的临界激发能量，确定最佳的激发电压与电流，从而使靶材特征谱所产生的散射谱影响最小，且能够获取特征峰型和强度最佳的能谱。

具体实施步骤为：

(1.1)根据式①，由原级X射线光谱短波限λ与X射线光管内电子加速电压U之间的关系，依据所分析金属的最小波长，确定用于激发滑油金属的最大电压，同时还需要兼顾探测信号的FWHM、有效计数(死时间)等参数；

U＝1.23984/λ₀(nm)①

λ₀为波长，nm为波长单位

(1.2)为降低靶材产生的K系、L系等谱系的分析线对整个能谱区间的光谱基线及靶材特征谱附近的光谱基线，选择Al、Cu、Mo等不同材质和2密耳至10密耳等不同厚度的原级滤波片，进而降低靶材特征谱及其散射谱对测量金属特征谱线的影响；

(1.3)根据探测金属X射线荧光的脉冲计数，分析其脉冲堆积效应大小，进而确定X射线管的激发电流。为了提高脉冲信号的有效计数，需要减小脉冲之间的相互堆积，而脉冲的堆积效应大小可利用探测死时间来描述，死时间越小其相应的脉冲堆积效应也就越小，对滑油金属实施测量时，通常将死时间指标控制在30％以内，据此确定X射线管的最大激发电流。

2.滑油金属X射线荧光光谱探测

滑油金属X射线荧光光谱探测是获取最佳光谱的关键，通过设计脉冲整型时间、脉冲宽度、脉冲信号记录时间、快速阈值、能谱校正系数等，改变探测全能谱及特征谱的性能，满足对强特征峰和弱特征峰同时记录的要求。

滑油金属X射线荧光光谱探测的实施步骤为：

(2.1)设计脉冲整型时间，根据所探测的梯形脉冲上升/下降沿时间及其脉冲宽度的要求，在4.8-19.2μs区间内设计脉冲整型时间，且梯形脉冲上升沿与下降沿的时间必须相等；设计脉冲峰值时间，依据提高探测脉冲信号计数率的同时，需要控制死时间的要求，脉冲峰值时间一般在4.8-9.6μs区间内设置；

(2.2)确定脉冲信号记录时间，依据被测试样检测限的要求，对于高检测限滑油磨损金属的信号记录时间设置为1分钟，而对于检测限要求低或含量低的滑油磨损金属的信号记录时间设置为2分钟或更长时间；

(2.3)设计快速阈值，根据脉冲信号的有效计数及死时间大小要求，将快速阈值设置在10左右的范围；

(2.4)根据记录光谱的有效展宽及测量精度要求，确定记录通道宽度；

(2.5)利用NIST标准不锈钢合金，采用(2.1)-(2.5)步所设计的探测参数，分别选取两种金属元素的K系或L系谱线各一条，根据实际测量谱线能谱位置与理论能谱值之间关系，利用式②建立方程组，确定线性校准系数，

Y＝AX+B②

其中，A、B为线性校准系数，X表示记录通道位置，Y表示对应金属元素的谱线能谱值。

3.探测环境气体调节

滑油中所含磨损轻质金属受原级或次级X射线激发，其产生的特征峰所在能谱恰好是空气中Ar气等的吸收线，且在0-3keV区间的低能谱区域产生一定的吸收背景，无法对这类金属进行准确测量。因此，当激发源与探测器工作时，根据滑油EDXRFS探测对象(轻质金属含量)的不同，依据系统控制终端预设的吹入气体流量、流速等参数，在EDXRFS测量光路上充入氦气等气体，从而改变激发与探测光路的气体环境，降低空气对长波限金属的测量影响，提高轻质金属在低能谱区的特征。在对含有轻质金属(如Al)的滑油试样实施探测时，首先须开启真空气泵与储存有氦气的气瓶气阀，并预置真空气泵的流量、流速，可设置为每分钟0.1-0.2L，之后启动真空气泵工作，使排气口释放的氦气直接吹向EDXRF测量光路。

4.滑油金属EDXRFS预处理

经探测器获取的光谱受探测器电子学噪声、探测器能谱分辨率、靶材特征峰产生的散射谱等因素影响，光谱所含噪声和背景基线均较强，通过光谱预处理，可以优化滑油金属分析线的净强度，提高后续光谱解析的准确性。针对光谱噪声在时频域的不同特性，根据噪声与特征谱线高斯特征峰在时频分解中的特征，通过自适应阈值因子，根据式③移除特征峰上叠加的噪声。根据时域空间尺度分解过程中，随分解尺度增大，基线特征逐渐增强的特性，利用正交小波基函数对其进行卷积小波分解，移除大尺度条件下的背景基线。

${\hat{w}}_{j,k}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sgn}\left(w_{j,k}\right)\·\sqrt{({\left|w_{j,k}\right|}^2-{\mathrm{\λ}}^2)}& \left|w_{j,k}\right|>\mathrm{\λ}\\ 0& \left|w_{j,k}\right|\≤\mathrm{\λ}\end{array}\right.$ ③

其中，

λ为固定阈值，它依据分解节点系数长度，由式④确定。

$\mathrm{\λ}=\mathrm{\σ}\sqrt{2log\left(N\right)}$ ④

σ为噪声方差，N为不同尺度节点分解系数的长度。

(二)操作过程

该方法的简要操作流程如图2所示，

1.激发参数调节

根据被测航空发动机滑油试样特性，调节激发电压、激发电流和原级滤波片。

2.探测参数设计

根据被测滑油磨损金属类型，设计合理的脉冲整型时间、脉冲宽度、脉冲信号记录时间、快速阈值等探测参数。

3.探测器能谱校正

利用设置的激发与探测参数，选择合适的校准片，计算能谱校准系数。

4.探测光路气体调节

根据所需测量滑油磨损金属的种类，确定是否需要进行测量环境的气体调节，如果需要，则对探测光路的开放腔体充入氦气。

5.光谱预处理

当滑油试样测量结束之后，对光谱进行预处理。首先，设置光谱去噪因子，对记录在多道址的荧光探测脉冲信号进行电子学噪声去除；之后，根据靶材散射谱情况，决定进行时域分解的尺度大小，从而进行基线自适应校准。

以下结合具体实例，说明如何利用本发明的方法对航空发动机滑油金属进行EDXRFS探测与光谱预处理。

选取某型发动机滑油，其所含磨损金属中Cd的Kβ能谱值最大为26.14keV，Al的Kα能谱值最低为1.48keV。因此，对激发条件进行设置时，仅考虑满足Cd的条件即可，在利用式①计算选取合适的激发电压与电流时，需要综合考虑探测死时间和光谱的FWHM。

图3为不同电压条件下Cd的荧光探测光谱，当电压为35-40kV时，其激发效率可满足要求，且其FWHM在360左右；电流小于30μA时，其死时间小于20％，有效荧光光谱计数较高。故最终选取激发电压为40kV，激发电流为30μA。为了能够对滑油金属测量，选取Al片作为原级滤波片，其厚度为20密耳。

在光谱记录时长为2min、快速阈值设定为10时，对探测器的脉冲整型与峰值时间等进行选取，同时需兼顾特征光谱的FWHM及探测器死时间。图4为不同脉冲整型时间条件下的探测光谱，综合考虑上述因素，最终选择脉冲整型峰值时间为6.4μs，其对应的最小脉冲整型时间为0.2μs。

利用上述激发与探测条件，利用steel316校准片，选取其Fe和Mo的Kα光谱对探测器的通道值与能谱值进行校准，得到式②的校准关系为：

Y＝0.00724X+0.201式②

为了能够对Al等轻质金属实施探测，在激发与探测光路上连续充入He气，从而减少大气对Al等轻质元素的光谱吸收，其探测信号在1.4keV左右的部分光谱如图5所示。

利用双正交小波基函数bior4.4对某一滑油测量光谱进行3层小波分解，此时，其各尺度和细节分解各节点的噪声方差均不同，如其(3，6)和(3，7)节点的噪声方差分别为40.83和9.27，根据各分解节点的噪声方差及其分解系数长度由式④自动计算固定阈值，再由式③对其小波分解系数进行处理，之后进行尺度与细节系数重构，其局部光谱去噪结果如图6所示。

之后，对去噪后的光谱进行基线校准。即利用正交小波基bior4.4对其进行卷积小波变换，取其第5层分解系数进行小波重构，处理效果如图7所示。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种滑油金属X射线荧光探测与光谱预处理方法，其特征在于包括以下步骤：

(1.1)确定最大激发电压:根据原级X射线光谱短波限λ与X射线光管内电子加速电压U之间的关系，依据所分析金属的最小波长λ₀，通过式①确定用于激发滑油金属的最大电压；

U＝1.23984/λ₀(nm)①

(1.2)选择厚度为2～10密耳的Al、Cu、Mo材质的原级滤波片；

(1.3)根据探测金属X射线荧光的脉冲计数，分析其脉冲堆积效应大小，进而确定X射线管的激发电流；

(2)进行滑油金属X射线荧光光谱探测；

(3)根据滑油EDXRFS探测对象的不同，依据预设的吹入气体的流量、流速参数，在测量过程中，在EDXRFS测量光路上吹入氦气；

(4)根据噪声与特征谱线高斯特征峰在时频分解中的特征，通过自适应阈值因子，根据式③移除特征峰上叠加的噪声：

${\hat{w}}_{j,k}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sgn}\left(w_{j,k}\right)\·\sqrt{({\left|w_{j,k}\right|}^2-{\mathrm{\λ}}^2)}& \left|w_{j,k}\right|>\mathrm{\λ}\\ 0& \left|w_{j,k}\right|\≤\mathrm{\λ}\end{array}\right.$ ③

其中，

λ为固定阈值，依据分解节点系数长度，由式④确定,

$\mathrm{\λ}=\mathrm{\σ}\sqrt{2\log \left(N\right)}$ ④

σ为噪声方差，N为不同尺度节点分解系数的长度。

2.根据权利要求1所述一种滑油金属X射线荧光探测与光谱预处理方法，

其特征在于：所述步骤(2)中，滑油金属X射线荧光光谱探测的实施步骤为：

(2.1)根据测量要求，分别在4.8-19.2μs区间内设计脉冲整型时间，在4.8-9.6μs区间内设置脉冲峰值时间；

(2.2)确定脉冲信号记录时间，依据被测试样检测限的要求，将记录时间设置为1-2分钟；

(2.3)设计快速阈值，根据脉冲信号的有效计数及死时间大小要求，将快速阈值设置在10左右的范围；

(2.4)根据记录光谱的有效展宽及测量精度要求，确定记录通道宽度；

(2.5)利用标准金属件，采用步骤(2.1)-(2.4)所设计的探测参数，分别选取两种金属元素的特征谱线各一条，根据实际测量谱线能谱位置与理论能谱值之间关系，用Y＝AX+B建立方程组，确定线性校准系数；其中，A、B为线性校准系数，X表示记录通道位置，Y表示对应金属元素的谱线能谱值。

3.根据权利要求1所述一种滑油金属X射线荧光探测与光谱预处理方法，其特征在于：所述步骤(3)中，对含有轻质金属Al的滑油试样实施探测时，首先开启真空气泵与储存有氦气的气瓶气阀，并预置真空气泵的流量、流速，设置为每分钟0.1-0.2L，之后启动真空气泵工作，使排气口释放的氦气直接吹向EDXRF测量光路。