CN111380796A - 基于树莓派的动态磨粒图像采集装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置及其操作方法，装置包括：对焦系统、滑油管道系统、光源系统和图像采集系统，其中，对焦系统用来实现图像采集系统的标定及对焦；滑油管道系统用来为带有磨粒的滑油提供流动管道；光源系统用来照射滑油管道系统，以实现对焦系统的对焦和图像采集系统的相机标定；图像采集系统用来采集磨粒图像和实现相机对磨粒的精准对焦。本发明基于树莓派，结合图像采集系统，能够准确采集滑油管路中出现的大小不同磨粒的图像，再通过树莓派支持的无线网络系统远程传输磨粒图像，及时判断机械设备的磨损状况，提前预测大型旋转机械设备的故障发生，大量减少维修费用。

Description

基于树莓派的动态磨粒图像采集装置及其操作方法

技术领域

本发明属于航空发动机油液监测领域，涉及磨粒图像监测技术，具体是一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置及其操作方法。

背景技术

油液监测是通过分析机械设备润滑剂性能的变化和油液所携带磨损微粒的情况，来评价机器的工况并预测其故障。由于油液的实时监测存在种种困难，所以目前对油液所携带磨损微粒的监测方法大多采用离线间接检测的方法，如光谱分析、磁塞检查、颗粒计数器等，这些方法均不能直接实时观测到磨粒的形貌，检测的信息量少，检测结果不够精确。基于铁谱的分析技术虽然可以看到磨损的形貌，但由于铁谱仪自身性能的限制，往往磨粒积聚甚至重叠，一些细小的磨粒沉积为沉积链，不能清楚实时观测每一个磨粒的形貌。另外，从磨粒图像角度出发，由于磨粒直径为微米级，所以常用的离线检测工具为显微镜结合工业相机进行实时采集，此外，基于PC机具有结构复杂、功耗高、体积大和成本高的缺点。随着智能化、自动化技术的不断发展，结合机器视觉在工业检测、安防、航空导航等领域的应用情况，大量检测设备向着小型化、便携化方向发展，考虑使用小型相机与镜头来对运动的磨粒进行实时采集。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，本发明提供一种基于树莓派的磨粒图像采集装置及其操作方法，对滑油管路中磨粒进行动态采集，得到磨粒的三维形貌。该装置平台体积较小，功能齐全，性能可靠。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置，包括：对焦系统、滑油管道系统、光源系统和图像采集系统，其中，对焦系统用来实现图像采集系统的标定及对焦；滑油管道系统用来为带有磨粒的滑油提供流动管道；光源系统用来照射滑油管道系统，以实现对焦系统的对焦和图像采集系统的相机标定；图像采集系统用来采集磨粒图像和实现相机对磨粒的精准对焦。

可选的，对焦系统包括：水平操作台、垂直臂、载物台、粗对焦螺旋、细对焦螺旋和载物台旋钮；其中，水平操作台与垂直臂固定为一体；载物台水平设置，且固定在垂直臂上，粗对焦螺旋设置在载物台下方的垂直臂一侧，细对焦螺旋设置在粗对焦螺旋外端，并与粗对焦螺旋同轴设置，通过旋转粗对焦螺旋来粗略调整载物台的垂直高度，通过旋转细对焦螺旋来精确调整载物台的垂直高度；所述的载物台旋钮固定在载物台的侧边，通过旋转载物台旋钮来调节载物台在水平方向的运动。

可选的，滑油管道系统包括：油箱、油管、第一固定支架、第一固定支架底座、卡扣、矩形玻璃芯片、第二固定支架和注射泵；所述的油箱通过卡扣固定在第一固定支架上端，第一固定支架的下端通过第一固定支架底座固定设置在水平操作台上；矩形玻璃芯片两端分别与油管粘连在一起，油管再分别与油箱和注射泵连接；即所述的油管在油箱与矩形玻璃芯片之间，以及矩形玻璃芯片与注射泵之间起到连接的作用；第二固定支架有两个，平行设置，且均垂直固定在水平操作台上，两个第二固定支架上分别开有和矩形玻璃芯片外截面大小相同的槽，使矩形玻璃芯片正好卡在第二固定支架上；注射泵放置在水平操作台上，注射泵是依靠步进电机带动丝杠来拉动注射器的活塞以恒定速度运动的低速油泵，携带磨粒的油液会以恒定的流速流进注射泵的注射器。

可选的，注射泵流速范围为：0.01-99.9毫升/时；油箱截面为三角形形状；油管材质为PTFE。

可选的，玻璃芯片为矩形玻璃芯片，其矩形内流道深度为3毫米；矩形玻璃芯片材质为耐高温石英玻璃，玻璃厚度为1毫米。

可选的，光源系统包括：黄色环形光源；黄色环形光源放置在对焦系统的水平操作台上，并且在滑油管道系统的矩形玻璃芯片的正下方；且黄色环形光源通过电源连接线与电源相连接。环形光源拥有高密度的LED阵列，亮度高，体积小，亮度可调，光线可以360°均匀照射在矩形玻璃芯片上，可大大减少磨粒阴影，图片清晰度高。

可选的，图像采集系统包括：电源、电源线、树莓派、CSI线、相机、镜头、HDMI线和显示屏；其中，树莓派通过电源线与电源相连接，CSI线用来连接相机与树莓派，镜头通过螺纹安装在相机上，HDMI线用来连接树莓派与显示屏，显示屏用来显示镜头采集到的磨粒图像。

可选的，树莓派型号为3B+，安装Raspbian系统，通过无线WIFI模块连接Internet网络。

可选的，镜头放大倍数为4倍，工作距离为1厘米。

本发明还提供了一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置的操作方法，包括以下步骤：

(1)把128G的TF卡插入读卡器，通过读卡器在PC机上为树莓派3B+安装Raspbian系统，然后把TF卡插入树莓派，并连接电源、显示屏、键盘与鼠标，通过树莓派中内置的无线WIFI模块连接Internet网络，并安装TeamViewer程序，在Python中编写磨粒图像的采集程序；

(2)把定制的镜头通过螺纹安装在相机底板上，把CSI线插入树莓派的相机模块插口，并安装用来保护树莓派避免静电击穿的外壳，然后将其放置于载物台上，相机底板与载物台通过双面胶固定；

(3)把矩形玻璃芯片卡入第二固定支架中，把油箱与矩形玻璃芯片通过油管放在第一固定支架的卡扣上，把矩形玻璃芯片另一端与注射泵通过油管连接起来；

(4)开启黄色环形光源，在矩形玻璃芯片上方放置0.1毫米的标尺，通过调节垂直臂上的粗对焦螺旋、细对焦螺旋以及载物台旋钮，借助显示屏显示的标尺图像来对相机进行标定；

(5)制备磨损颗粒，把磨粒加入滑油中并进行充分混合，然后将其混合液加入油箱中，开启注射泵，通过调节垂直臂上的粗对焦螺旋、细对焦螺旋以及载物台旋钮，借助显示屏实时显示的磨粒运动画面来实现相机对磨粒的精准对焦；

(6)打开TeamViewer程序，记录树莓派的ID与密码，在远程操控的PC机上输入该ID与密码，成功连接后，远程计算机屏幕上可实时显示运动磨粒的图像。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明基于树莓派，结合图像采集系统，能够实时准确监测滑油管路中出现的大小不同的磨粒，得到磨粒的三维形貌图像，保证发动机工作状况的监测；再通过树莓派支持的无线网络系统远程传输磨粒图像，及时判断机械设备的磨损状况，提前预测大型旋转机械设备的故障发生，大量减少维修费用；

(2)设计了为观测磨粒运动而必需的对焦系统、图像采集系统，实现通过小型相机与镜头来对运动的磨粒进行实时采集；

(3)该装置体积较小，功能齐全，性能可靠，整体结构简单，成本较低。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明采集到的磨粒图像。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例结果在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

目前我国基于磨粒分析的油液监测设备，不管是光谱分析仪、磁塞检查器、颗粒计数器还是铁谱分析仪都存在各自的优缺点。本发明所用的动态磨粒图像采集系统，包括对焦系统、滑油管道系统、光源系统、图像采集系统。本发明基于树莓派，结合图像采集系统，能够准确采集滑油管路中出现的大小不同磨粒的图像，再通过树莓派支持的无线网络系统远程传输磨粒图像，及时判断机械设备的磨损状况，提前预测大型旋转机械设备的故障发生，大量减少维修费用。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明设计的一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置，包括对焦系统、滑油管道系统、光源系统和图像采集系统，其中，对焦系统用来实现图像采集系统的标定及对焦；滑油管道系统用来为带有磨粒的滑油提供流动管道；光源系统用来照射滑油管道系统，以实现对焦系统的对焦和图像采集系统的相机标定；图像采集系统用来采集磨粒图像和实现相机对磨粒的精准对焦。

所述的对焦系统包括：水平操作台116、垂直臂101、载物台103、粗对焦螺旋106、细对焦螺旋107和载物台旋钮104；所述的水平操作台与垂直臂固定为一体；所述的载物台水平设置，且固定在垂直臂上，粗对焦螺旋设置在载物台下方的垂直臂一侧，细对焦螺旋设置在粗对焦螺旋外端，并与粗对焦螺旋同轴设置，通过旋转粗对焦螺旋来粗略调整载物台的垂直高度，通过旋转细对焦螺旋来精确调整载物台的垂直高度；所述的载物台旋钮固定在载物台的侧边，通过旋转载物台旋钮来调节载物台在水平方的运动。

所述的滑油管道系统包括：油箱108、油管111、第一固定支架110、第一固定支架底座112、卡扣109、矩形玻璃芯片115、第二固定支架113和注射泵118；所述的油箱通过卡扣固定在第一固定支架上端，确保系统运行过程中，油箱高度稳定在同一个高度，并保证油液流速恒定；第一固定支架的下端通过第一固定支架底座固定设置在水平操作台上；所述的油管在油箱与矩形玻璃芯片之间，以及矩形玻璃芯片与注射泵之间起到连接的作用，即矩形玻璃芯片两端均通过专用胶水分别与两端的油管粘连在一起；所述的矩形玻璃芯片为特殊玻璃经过特殊工艺加工后拥有矩形内流道并且透光性极好的玻璃管道；第二固定支架有两个，平行设置，且均垂直固定在水平操作台上，两个第二固定支架上分别开有和矩形玻璃芯片截面大小相同的槽，使矩形玻璃芯片正好卡在第二固定支架上，保证系统运行过程中，矩形玻璃芯片不会晃动；所述的注射泵是可以实现精密控制的低速油泵，其目的是为携带磨粒117的油液提供运动动力，具体靠注射泵的步进电机带动丝杠来拉动注射器的活塞以恒定速度运动的低速油泵，携带磨粒的油液会以恒定的流速流进注射泵的注射器(即油液在注射泵电机的作用下，会从油箱缓慢流向注射泵的注射器)。整个注射泵放置在水平操作台上；所述的磨粒是经过销盘施加载荷运行一段时间后磨损生成的。

所述的光源系统包括：黄色环形光源114；所述的黄色环形光源放置在水平操作台上，并且在矩形玻璃芯片的正下方；所述的黄色环形光源通过电源连接线与电源相连接。环形光源拥有高密度的LED阵列，亮度高，体积小，亮度可调，光线可以360°均匀照射在矩形玻璃芯片上，可大大减少磨粒阴影，图片清晰度高。

所述的图像采集系统包括：电源105、电源线102、树莓派124、CSI线122、相机120、镜头119、HDMI线123和显示屏121；所述的树莓派通过电源线与电源相连接；所述的CSI线用来连接相机与树莓派；所述的镜头通过螺纹安装在相机底板上；所述的HDMI线用来连接树莓派与显示屏；所述的显示屏用来显示镜头采集到的磨粒图像。

所述的树莓派型号为3B+，安装Raspbian系统，通过无线WIFI模块连接Internet网络。所述的镜头放大倍数为4倍，工作距离为1厘米。所述的注射泵流速范围为：0.01-99.9毫升/时。所述的玻璃芯片矩形内流道深度为3毫米。所述的矩形玻璃芯片材质为耐高温石英玻璃，厚度为1毫米。所述的磨粒直径大小为50～300微米。所述的油箱截面为三角形形状。所述的油管材质为PTFE。显示屏为5寸显示屏。

上述基于树莓派的动态磨粒图像采集装置的操作方法如下：

步骤一、把128G的TF卡插入读卡器，通过读卡器在PC机上为树莓派3B+安装Raspbian系统，然后把TF卡插入树莓派，并连接电源105、显示屏121、键盘与鼠标，通过树莓派中内置的无线WIFI模块连接Internet网络，并安装TeamViewer程序，在Python中编写磨粒图像的采集程序；

步骤二、把定制的镜头119通过螺纹安装在相机120底板上，把CSI线122插入树莓派的相机模块插口，并安装用来保护树莓派避免静电击穿的外壳，然后将其放置于载物台103上，相机底板与载物台通过双面胶固定；

步骤三、把矩形玻璃芯片卡入第二固定支架中，将连接油箱108和矩形玻璃芯片115的油管111通过卡扣109固定在第一固定支架上，把矩形玻璃芯片115另一端与注射泵118通过油管111连接起来；

步骤四、开启黄色环形光源114，在矩形玻璃芯片上方放置0.1毫米的标尺，通过调节垂直臂101上的粗对焦螺旋106、细对焦螺旋107以及载物台旋钮104，借助显示屏121显示的标尺图像来对相机进行标定；

步骤五、制备磨损颗粒117，把磨粒117加入滑油中并进行充分混合，然后将其混合液加入油箱中，开启注射泵118，油液在注射泵步进电机拉力的作用下，会从油箱缓慢流向注射泵的注射器。通过调节垂直臂101上的粗对焦螺旋106、细对焦螺旋107以及载物台旋钮104，借助显示屏121实时显示的磨粒117运动画面来实现相机对磨粒的精准对焦；

步骤六、打开TeamViewer程序，记录树莓派的ID与密码，在远程操控的PC机上输入该ID与密码，成功连接后，远程计算机屏幕上可实时显示运动磨粒的图像。

Claims (10)

1.一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置，其特征在于，包括：对焦系统、滑油管道系统、光源系统和图像采集系统，其中，对焦系统用来实现图像采集系统的标定及对焦；滑油管道系统用来为带有磨粒的滑油提供流动管道；光源系统用来照射滑油管道系统，以实现对焦系统的对焦和图像采集系统的相机标定；图像采集系统用来采集磨粒图像和实现相机对磨粒的精准对焦。

2.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置，其特征在于，对焦系统包括：水平操作台(116)、垂直臂(101)、载物台(103)、粗对焦螺旋(106)、细对焦螺旋(107)和载物台旋钮(104)；其中，水平操作台与垂直臂固定为一体；载物台水平设置，且固定在垂直臂上，粗对焦螺旋设置在载物台下方的垂直臂一侧，细对焦螺旋设置在粗对焦螺旋外端，并与粗对焦螺旋同轴设置，通过旋转粗对焦螺旋来粗略调整载物台的垂直高度，通过旋转细对焦螺旋来精确调整载物台的垂直高度；所述的载物台旋钮固定在载物台的侧边，通过旋转载物台旋钮来调节载物台在水平方向的运动。

3.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置，其特征在于，滑油管道系统包括：油箱(108)、油管(111)、第一固定支架(110)、第一固定支架底座(112)、卡扣(109)、矩形玻璃芯片(115)、第二固定支架(113)和注射泵(118)；所述的油箱通过卡扣固定在第一固定支架上端，第一固定支架的下端通过第一固定支架底座固定设置在水平操作台上；矩形玻璃芯片两端分别与油管粘连在一起，油管再分别与油箱和注射泵连接；第二固定支架有两个，平行设置，且均垂直固定在水平操作台上，两个第二固定支架上分别开有和矩形玻璃芯片外截面大小相同的槽，使矩形玻璃芯片正好卡在第二固定支架上；注射泵放置在水平操作台上。

4.根据权利要求3所述的一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置，其特征在于：注射泵流速范围为：0.01-99.9毫升/时；油箱截面为三角形形状；油管材质为PTFE。

5.根据权利要求3所述的一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置，其特征在于：玻璃芯片为矩形玻璃芯片，其矩形内流道深度为3毫米；矩形玻璃芯片材质为耐高温石英玻璃，玻璃厚度为1毫米。

6.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置，其特征在于，光源系统包括：黄色环形光源(114)；黄色环形光源放置在对焦系统的水平操作台上，并且在滑油管道系统的矩形玻璃芯片的正下方；且黄色环形光源通过电源连接线与电源相连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置，其特征在于，图像采集系统包括：电源(105)、电源线(102)、树莓派(124)、CSI线(122)、相机(120)、镜头(119)、HDMI线(123)和显示屏(121)；其中，树莓派通过电源线与电源相连接，CSI线用来连接相机与树莓派，镜头通过螺纹安装在相机上，HDMI线用来连接树莓派与显示屏，显示屏用来显示镜头采集到的磨粒图像。

8.根据权利要求7所述的一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置，其特征在于：树莓派型号为3B+，安装Raspbian系统，通过无线WIFI模块连接Internet网络。

9.根据权利要求7所述的一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置，其特征在于：镜头放大倍数为4倍，工作距离为1厘米。

10.一种基于树莓派的动态磨粒图像采集装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)把128G的TF卡插入读卡器，通过读卡器在PC机上为树莓派3B+安装Raspbian系统，然后把TF卡插入树莓派，并连接电源、显示屏、键盘与鼠标，通过树莓派中内置的无线WIFI模块连接Internet网络，并安装TeamViewer程序，在Python中编写磨粒图像的采集程序；

(2)把定制的镜头通过螺纹安装在相机底板上，把CSI线插入树莓派的相机模块插口，并安装用来保护树莓派避免静电击穿的外壳，然后将其放置于载物台上，相机底板与载物台通过双面胶固定；

(3)把矩形玻璃芯片卡入第二固定支架中，把油箱与矩形玻璃芯片通过油管放在第一固定支架的卡扣上，把矩形玻璃芯片另一端与注射泵通过油管连接起来；

(4)开启黄色环形光源，在矩形玻璃芯片上方放置0.1毫米的标尺，通过调节垂直臂上的粗对焦螺旋、细对焦螺旋以及载物台旋钮，借助显示屏显示的标尺图像来对相机进行标定；

(5)制备磨损颗粒，把磨粒加入滑油中并进行充分混合，然后将其混合液加入油箱中，开启注射泵，通过调节垂直臂上的粗对焦螺旋、细对焦螺旋以及载物台旋钮，借助显示屏实时显示的磨粒运动画面来实现相机对磨粒的精准对焦；

(6)打开TeamViewer程序，记录树莓派的ID与密码，在远程操控的PC机上输入该ID与密码，成功连接后，远程计算机屏幕上可实时显示运动磨粒的图像。

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