CN113405955B - 一种油液磨粒监测装置和监测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于系统磨损状态监测领域，具体包括一种油液磨粒监测装置，包括微流控芯片、图像采集系统；所述微流控芯片包括基片和芯片主体，所述芯片主体上设有并排设置的第一微通道和第二微通道，所述第一微通道和第二微通道之间设有使两者连通的横向微通道，所述第一微通道内用于通入待监测油液，所述第二微通道内用于通入干净油液；所述基片上设有磁性部件，所述磁性部件设于第二微通道远离第一微通道一侧；所述第一微通道和第二微通道在横向微通道靠近出口一侧设有与图像采集系统相配合的图像采集区。具有能够对磨粒进行更有效采集的技术效果。
Description
技术领域
本申请属于系统磨损状态监测领域，特别涉及一种油液磨粒监测装置和监测方法。
背景技术
航空发动机在运行过程中，其轴承和齿轮等摩擦副在高温、高压、高载的条件下工作。摩擦副的相对运动不可避免的会发生摩擦、磨损，在机器的磨损过程中会产生磨粒，润滑油的清洁作用将这些磨粒带入到滑油系统中。磨粒承载着机器设备的磨损信息，能够反映机器的磨损状态。发动机的磨损方式和系统状态可以通过磨粒的颜色、大小、形状、数量、形貌等特征反映出来。油液中磨粒的参数变化能够反映机器润滑油的状态及零部件的磨损情况，磨粒的颜色可以判断机器磨损的位置、油液是否含水和机器的负荷情况；磨粒大小和数量可以判断机器的磨损程度；磨粒形状和形貌可以判断机器的磨损类型。因此，对在用润滑油的磨粒监测，可以实时的了解发动机的磨损情况，进而掌握机器的运行状态，预测故障发生的趋势和位置，为机器的视情维修提供依据，以实现发动机的有效经济运行。
现有的润滑油磨粒测试装置，如基于图像原理Spectro公司的LNF Q200设备，可以分类统计磨粒数量，但是此种磨粒测试装置只能监测粒径大于20μm的金属磨粒而且不能够区分铁磁性磨粒和非铁磁性磨粒，且价格十分昂贵。
一些专利中也涉及类似的技术，专利号CN105784570A提出了一种基于微流控芯片的颗粒检测装置及检测方法，主要是应用电容法检测油液中金属磨粒，根据电极间电容值变化判断磨粒大小，统计磨粒数量。但是，此种方法存在只能统计磨粒数量，不能判断磨粒类型，电极安装困难等缺点。因此如何能够对磨粒信息进行更有效的采集是一个需要解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供了一种油液磨粒监测装置和监测方法，以解决现有技术中对磨粒检测分辨率低、无法区分铁磁性和非铁磁性磨粒、难以确定磨粒详细信息的效果。
本申请的技术方案是：一种油液磨粒监测装置，包括微流控芯片、图像采集系统、图像处理系统；
所述微流控芯片包括基片和芯片主体，所述芯片主体上设有并排设置的第一微通道和第二微通道，所述第一微通道和第二微通道之间设有使两者连通的横向微通道，所述第一微通道内用于通入待监测油液，所述第二微通道内用于通入干净油液；
所述第一微通道、第二微通道和横向微通道的下表面均为平面；
所述基片上设有对应横向微通道设置的磁性部件，所述磁性部件设于第二微通道远离第一微通道一侧；
所述第一微通道和第二微通道在横向微通道靠近出口一侧设有与图像采集系统相配合的图像采集区域，所述图像采集系统将采集的图像发送至图像处理系统进行处理。
优选地，所述第二微通道的图像采集区域设有磨粒分隔装置，所述磨粒分隔装置包括横向并排设置的第一分隔部件、第二分隔部件、第三分隔部件和第四分隔部件，四组分隔部件将第二微通道内的图像采集区域分成5道采集通道，5道采集通道的宽度从磁性部件至第一微通道的方向逐渐缩小。
优选地，第一至第四分隔部件的长度依次缩短，第一至第四分隔部件靠近油液出口的一端相互对齐。
优选地，第一至第四分隔部件上均开设有朝向磁性部件一侧设置的导向斜面，所述导向斜面与水平方向的夹角均为30°。
优选地，所述横向微通道的两侧分别设置第五分隔部件和第六分隔部件，所述第五分隔部件和第六分隔部件对称设置，所述第五分隔部件靠近横向微通道的一端开设有朝向第二微通道设置的第一斜面，所述第六分隔部件朝向横向微通道的一端开设有朝向第二微通道设置的第二斜面。
优选地，所述干净油液和待监测油液的流速为2ml/min。
优选地，所述微流控芯片由透明材料制成，所述图像采集系统包括设于微流控芯片下方的透射光源、设于微流控芯片上方的反射光源、设于反射光源下方的物镜和设于发射光源上方的光电传感器，所述光电传感器电连接图像处理系统。
优选地，还包括进样系统，所述进样系统包括用于支撑微流控芯片的载物台、与第一微通道的入口连通的待测油液管路、与第二微通道的入口连通的干净油液管路、分别设于待测油液管路和干净油液管路上的两组进样泵、分别与第一微通道和第二微通道的出口连通的两组废油管路。
优选地，所述图像处理系统包括图像增强处理单元、图像分割处理单元、参数特征提取单元、识别和分类统计单元；所述图像增强处理单元用于对图像进行增强处理，所述图像分割处理单元用于对增强图像进行分割处理，所述参数特征提取单元用于对分割后的图像分别进行参数特征提取，所述识别和分类统计单元用于提取后的参数进行识别和分类统计，得出不同类型的磨粒数量。
一种油液磨粒监测方法，包括
步骤1，打开计算机，打开光源及所有仪器；
步骤2，将待监测油液通入第一微通道，将同牌号的干净油液通入第二微通道；
步骤3，在磁场作用下，第一微通道中的铁磁性磨粒通过横向微通道进入第二微通道，并且按照不同大小分别进入不同采集通道的图像采集区域，非铁磁性磨粒沿着第一微通道的轴线方向向前运动，进入图像采集区域；
步骤4，图像采集系统显微拍摄图像采集区域的磨粒图像，进行增强、分割处理，而后进行参数提取、磨粒类型识别和分类统计。
本申请的一种油液磨粒监测装置，通过设置第一微通道和第二微通道，并在两者之间设置使两者连通的横向微通道，而后在横向微通道处对应设置磁性部件以将铁磁性磨粒与非铁磁性磨粒分别送入至不同的微通道内分别进行图像采集，从而实现铁磁性与非铁磁性磨粒监测，提高精度。
优选地，在第一微通道的图像采集区域内设置磨粒分隔装置，磨粒分隔装置将第二微通道分成从磁性部件一侧逐渐缩小的5道采集通道，从而将不同大小的铁磁性磨粒分开，减少磨粒重叠现象，以进一步提高精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请芯片结构示意图；
图2为本申请芯片图像采集区域剖视图；
图3为本申请图像采集系统与进样系统结构示意图。
1-微流控芯片；2-透射光源；3-载物台；4-待测油液管路；5-进样泵；6-反射光源；7-光电传感器；8-物镜；9-废油管路；10-基片；11-芯片主体；110-磁性部件；12-第二出液口；13-第二进液口；14-第一进液口；15-第一出液口；16-磨粒分离区域；161-第五分隔部件；162-第六分隔部件；163-第二斜面；164-第一斜面；165-横向微通道；17、第二微通道；18、第一微通道；19、图像采集区域；190-非铁磁性磨粒采集通道；191-铁磁性磨粒第一采集微通道；192-铁磁性磨粒第二采集微通道；193-铁磁性磨粒第三采集微通道；194-铁磁性磨粒第四采集微通道；195-铁磁性磨粒第五采集微通道；196-第一分隔部件；197-第二分隔部件；198-第三分隔部件；199-第四分隔部件。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
一种油液磨粒监测装置，如图1所示，包括微流控芯片1、图像采集系统、图像处理系统；所述微流控芯片1包括基片10和芯片主体11，所述芯片主体11上设有并排设置的第一微通道18和第二微通道17，所述第一微通道18和第二微通道17之间设有使两者连通的横向微通道165，所述第一微通道18内用于通入待监测油液，所述第二微通道17内用于通入干净油液；所述第一微通道18、第二微通道17和横向微通道165的下表面均为平面；所述基片10上设有对应横向微通道165设置的磁性部件110，所述磁性部件110设于第二微通道17远离第一微通道18一侧；所述第一微通道18和第二微通道17在横向微通道165靠近出口一侧设有与图像采集系统相配合的图像采集区域19，所述图像采集系统将采集的图像发送至图像处理系统进行处理。
在进行磨粒的监测时，将待监测油液输入至第一微通道18，将干净油液输入至第二微通道17，磁性部件110工作，产生横向的磁力，当待监测油液流入至横向微通道165对应的区域时，铁磁性磨粒在磁力作用下会穿过横向微通道165进入到第二微通道17内，而又能够根据铁磁性磨粒产生的磁力大小不同，产生不同的吸力，将不同大小的铁磁性磨粒吸入至第二微通道17的不同横向位置。
第一微通道18内留下非铁磁性磨粒，非铁磁性磨粒和铁磁性磨粒分别通道第一微通道18和第二微通道17进入图像采集区域19，图像采集系统对图像采集区域19内的图像进行采集并处理统计。由于将非铁磁性磨粒和铁磁性磨粒分别在不同的微通道内流通，第一微通道18内的磨粒数量更少，第二微通道17内通过磁力能够将不同大小的铁磁性磨粒分开，降低磨粒重叠概率，从而能够对磨粒信息进行精准的采集，而又能够采用图像采集的方式对磨粒进行采集，相比于电容、电感等方式，能够采集到的磨粒信息更为精确。
作为一种具体实施方式，一种油液磨粒监测装置
包括微流控芯片1、图像采集系统、图像处理系统、进样系统。微流控芯片1用于将不同类型的磨粒相互分离，图像采集系统用于对分离后的磨粒信息进行采集，图像处理系统用于对采集到的图像进行处理，分析磨粒类型并统计不同类型的磨粒数量，进样系统用于对微流控芯片1进行进出油控制。
磨粒在油液的运动过程中会有一定的上下浮动，一般情况下金属磁性磨粒处于油液的下层。同等大小下，非金属磨粒的质量一般小于金属磨粒的质量。并且在浮动过程中，磨粒还会产生上下重叠的问题，影响磨粒的分辨率。
微流控芯片1由透明材料制成，其可以采用PDMS或其它材料。微流控芯片1包括基片10和芯片主体11，基片10用于对芯片主体11进行结构支撑，芯片主体11包括第一微通道18、第二微通道17，第一微通道18和第二微通道17并排对齐并水平设置，第一微通道18内用于通入待监测油液，第二微通道17内用于通入干净油液，第一微通道18的两端分别设置第一进液口14、第一出液口15，第二微通道17的两端分别设置第二进液口13、第二出液口12，并且第一微通道18和第二微通道17的横截面均为矩形。
第一微通道18和第二微通道17的两端分别是第一进液口14、第二进液口13、第一出液口15、第二出液口12，其横截面均为圆形并开设于基片的顶部，各进液口和出液口分别连接进油管道和出油管道。
第一微通道18的油液从第一进液口14进入，至第一出液口15流出，形成废油；第二微通道17的油液从第二进液口13进入，至第二出液口12流出，形成废油；两个微通道内的流速相同且均较慢，形成层流。
第一微通道18和第二微通道17横截面为矩形的部分形成磨粒分离区域16，用于对不同磨粒进行分离，第一进液口14、第一出液口15、第二进液口13、第二出液口12之间及其相连的管道位于磨粒分离区域16之外。
第一微通道18和第二微通道17之间设有对称设置的第五分隔部件161和第六分隔部件162，第五分隔部件161与第六分隔部件162之间形成横向微通道165，横向微通道165朝向垂直于第一微通道18的轴线方向设置，基片10上设有磁性部件110，磁性部件110对应横向微通道165设置，磁性部件110位于第二微通道17远离第一微通道18一侧。
当铁磁性磨粒进入到横向微通道165对应的区域时，其受到磁性部件110的磁力，会沿着横向微通道165向第二微通道17处移动，并最终进入到第二微通道17内。
第一微通道18和第二微通道17上均设有与图像采集系统相配合的图像采集区域19，图像采集区域19与横向微通道165相邻设置并位于横向微通道165靠近出液口一侧。
如图1-2所示，优选地，第二通道的磨粒采集区域设有磨粒分隔装置，由于采用磁力的方式将铁磁性磨粒吸入到第二微通道17内，根据铁磁性磨粒大小的不同，其受到的磁力也不相同，对于较小的磨粒，其受力较小，因此受到磁力后移动的距离较短，距离磁性部件110较远；对于较大的磨粒，其受力较大，因此受到磁力后移动的距离较长，距离磁性部件110较近。
磨粒分隔装置包括从第一微通道18至第二微通道17方向依次设置的第一分隔部件196、第二分隔部件197、第三分隔部件198和第四分隔部件199，第一分隔部件196、第二分隔部件197、第三分隔部件198和第四分隔部件199沿着第二微通道17的横向方向并排设置，四组分隔部件将第二微通道17的图像采集区域19分成5道采集通道，从磁性部件110一侧至第二微通道方向分别为铁磁性磨粒第一采集微通道191、铁磁性磨粒第二采集微通道192、铁磁性磨粒第三采集微通道193、铁磁性磨粒第四采集微通道194、铁磁性磨粒第五采集微通道195。
第一微通道18处的图像采集区域19形成非铁磁性磨粒采集通道190。
铁磁性磨粒第一采集微通道191至铁磁性磨粒第五采集微通道195的宽度依次减少，该设计能够保证不同大小的铁磁性磨粒分别进入到不同宽度的采集通道内进行分别采集，而当尺寸较大的铁磁性磨粒到达宽度较小的采集微通道时，则会难以进入从而继续向磁性部件110的方向移动，避免了分隔的混乱；而尺寸较小的铁磁性磨粒由于受到的磁力较小，难以向宽度较大的采集通道处移动，虽然有可能继续向宽度较大的采集通道处移动，但概率较低，不影响测量。从而大大减少了铁磁性磨粒重叠概率，并且由于非铁磁性磨粒通道内的磨粒数量减少，也有效减少了磨粒重叠概率，提升了分辨率，装置的分辨率可以达到1.5um。
优选地，为了防止铁磁性磨粒卡在分隔部件上而堵塞采集通道，第一至第四分隔部件199靠近油液出口的一端相互对齐、靠近横向微通道165的一端依次缩短。这样尺寸较大的铁磁性磨粒能够更加方便地向磁性部件110方向移动以避免卡死。
优选地，第一至第四分隔部件199上开设有朝向磁性部件110一侧设置的导向斜面，导向斜面开设于第一至第四分隔部件199靠近磁性部件110的一端，这样靠近分隔部件端部的尺寸较大的铁磁性磨粒在朝上移动时，能够沿着导向斜面更加流畅的运行。导向斜面与水平方向的夹角优选为30°。
优选地，第五分隔部件161靠近横向微通道165的一端开设有朝向第二微通道17设置的第一斜面164，第六分隔部件162朝向横向微通道165的一端开设有朝向第二微通道17设置的第二斜面163，第一斜面164和第二斜面163通过横向微通道165的轴线位置相互对称。并且第一斜面164和第二斜面163的设置使得横向微通道165朝向第二微通道17的一端开口较大，使得铁磁性磨粒能够更方便地沿着横向微通道165进入到第二微通道17内。并且第一斜面164和第二斜面163与水平面的夹角均优选为30°，并且第一斜面164的靠近第二微通道17的一端与第一分隔部件196的端部齐平。
优选地，干净油液和待检测油液的流速为2ml/min。较慢的流速能够保证图像采集系统能够采集到清晰的图像，同时不同大小的铁磁性磨粒有足够的时间进入到各自的通道。
如图3所示，优选地，图像采集系统为显微拍摄系统，图像采集系统包括透射光源2、反射光源6、物镜8、光电传感器7。透射光源2对应设于微流控芯片1图像采集区域19的正下方，物镜8对应设有微流控芯片1图像采集区域19的正上方，反射光源6对应设于物镜8的正上方，光电传感器7对应设于反射光源6的正上方，光电传感器7电连接图像处理系统。光源通过透射光源2进入到微流控芯片1的图像采集区域19，并通过物镜8放大后传输至反射光源6，发射至光电传感器7，光电传感器7接收到该信号再次放大并将该信号传递至图像处理系统进行处理。
优选地，进样系统包括载物台3、待测油液管路4、干净油液管路、进样泵5和废油管路9。载物台3水平设于微流控芯片1的下方对其进行支撑，待测油液管路4与第一进液口14连通，干净油液管路(图中未示出)与第二进液口13连通，进样泵5共有两组并设于待测油液管路4和干净油液管路上以用于将两种油液分别输送至第一进液口14和第二进液口13处，废油管路9共有两组并分别与第一出液口15和第二出液口12连通，用于将两个通道流出的废油排出。
优选地，图像处理系统能够采用MATLAB等软件对非铁磁性磨粒和铁磁性磨粒的图像进行处理，图像处理系统包括图像增强处理单元、图像分隔处理单元、参数特征提取单元、识别和分类统计单元。图像先通过图像处理单元进行增强处理；而后通过基于OTSU原理的图像分隔处理单元将图像分割，将分隔后的RGB磨粒图像转化为二值图像；再通过参数特征提取单元对各个二值图像内的磨粒参数特性进行分别提取，提取磨粒的面积、周长、长轴、短长轴比、圆形度、色度均值、亮度均值、表面分形维等特征参数；识别与分类提取单元提取磨粒的特征参数，运用图像模式识别方法判断磨粒类型，统计不同类型磨粒状态，进而判断发动机的运行状态。
优选地，磁性部件110为电磁铁，以实现精准控制。
与现有技术相比，具有如下优点：
1、能够区分铁磁性磨粒和非铁磁性磨粒，提高监测分辨率，在磁场作用下，将铁磁性磨粒和非铁磁性磨粒分开，铁磁性磨粒按照粒径大小不同在通道的横向方向分开，进入宽窄不同的图像采集区域19的各通道内，大大减少了磨粒重叠概率，装置的分辨率可以精确到1.5um。
2、装置统计精度提高，根据提取颜色、大小、形状、形貌等特征参数，运用图像模式识别方法判断磨粒类型，统计不同类型(疲劳磨粒、严重滑动磨粒、切削磨粒和球型磨粒)磨粒数量。提取精度更好。
作为一种具体实施方式，还包括一种油液磨粒监测方法，包括
步骤1，打开计算机，打开光源及所有仪器；
步骤2，将待监测油液通过第一进液口14进入第一微通道18，将同牌号的干净油液通过第二进液口13进入第二微通道17；
步骤3，在横向微通道165及其对应的区域中，在磁场作用下，第一微通道18中的铁磁性磨粒，由横向微通道165进入第二微通道17，并在磨粒分隔装置中金属磨粒按照粒径大小分别进入第二微通道17中图像采集区域19的不同采集通道。非铁磁性磨粒沿着第一微通道18的轴线方向向前移动，进入图像采集区域19。
步骤4，图像采集系统显微拍摄图像采集区域19中的磨粒图像，并发送至图像处理系统，图像处理系统对磨粒图像进行强化、分隔，而后进行参数提取、磨粒类型识别和分类统计，完成对磨粒的精准监测。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种油液磨粒监测装置，其特征在于：包括微流控芯片(1)、图像采集系统、图像处理系统；
所述微流控芯片(1)包括基片(10)和芯片主体(11)，所述芯片主体(11)上设有并排设置的第一微通道(18)和第二微通道(17)，所述第一微通道(18)和第二微通道(17)之间设有使两者连通的横向微通道(165)，所述第一微通道(18)内用于通入待监测油液，所述第二微通道(17)内用于通入干净油液；
所述第一微通道(18)、第二微通道(17)和横向微通道(165)的下表面均为平面；
所述基片(10)上设有对应横向微通道(165)设置的磁性部件(110)，所述磁性部件(110)设于第二微通道(17)远离第一微通道(18)一侧；
所述第一微通道(18)和第二微通道(17)在横向微通道(165)靠近出口一侧设有与图像采集系统相配合的图像采集区域(19)，所述图像采集系统将采集的图像发送至图像处理系统进行处理；
所述第二微通道(17)的图像采集区域(19)设有磨粒分隔装置，所述磨粒分隔装置包括横向并排设置的第一分隔部件(196)、第二分隔部件(197)、第三分隔部件(198)和第四分隔部件(199)，四组分隔部件将第二微通道(17)内的图像采集区域(19)分成5道采集通道，5道采集通道的宽度从磁性部件(110)至第一微通道(18)的方向逐渐缩小；
第一至第四分隔部件(199)的长度依次缩短，第一至第四分隔部件(199)靠近油液出口的一端相互对齐；
第一至第四分隔部件(199)上均开设有朝向磁性部件(110)一侧设置的导向斜面，所述导向斜面与水平方向的夹角均为30°。
2.如权利要求1所述的油液磨粒监测装置，其特征在于：所述横向微通道(165)的两侧分别设置第五分隔部件(161)和第六分隔部件(162)，所述第五分隔部件(161)和第六分隔部件(162)对称设置，所述第五分隔部件(161)靠近横向微通道(165)的一端开设有朝向第二微通道(17)设置的第一斜面(164)，所述第六分隔部件(162)朝向横向微通道(165)的一端开设有朝向第二微通道(17)设置的第二斜面(163)。
3.如权利要求1所述的油液磨粒监测装置，其特征在于：所述干净油液和待监测油液的流速为2ml/min。
4.如权利要求1所述的油液磨粒监测装置，其特征在于：所述微流控芯片(1)由透明材料制成，所述图像采集系统包括设于微流控芯片(1)下方的透射光源(2)、设于微流控芯片(1)上方的反射光源(6)、设于反射光源(6)下方的物镜(8)和设于发射光源上方的光电传感器(7)，所述光电传感器(7)电连接图像处理系统。
5.如权利要求1所述的油液磨粒监测装置，其特征在于：还包括进样系统，所述进样系统包括用于支撑微流控芯片(1)的载物台(3)、与第一微通道(18)的入口连通的待测油液管路(4)、与第二微通道(17)的入口连通的干净油液管路、分别设于待测油液管路(4)和干净油液管路上的两组进样泵(5)、分别与第一微通道(18)和第二微通道(17)的出口连通的两组废油管路(9)。
6.如权利要求1所述的油液磨粒监测装置，其特征在于：所述图像处理系统包括图像增强处理单元、图像分割处理单元、参数特征提取单元、识别和分类统计单元；所述图像增强处理单元用于对图像进行增强处理，所述图像分割处理单元用于对增强图像进行分割处理，所述参数特征提取单元用于对分割后的图像分别进行参数特征提取，所述识别和分类统计单元用于提取后的参数进行识别和分类统计，得出不同类型的磨粒数量。
7.一种油液磨粒监测方法，采用如权利要求1-6任一所述的油液磨粒检测装置，其特征在于：包括
步骤1，打开计算机，打开光源及所有仪器；
步骤2，将待监测油液通入第一微通道(18)，将同牌号的干净油液通入第二微通道(17)；
步骤3，在磁场作用下，第一微通道(18)中的铁磁性磨粒通过横向微通道(165)进入第二微通道(17)，并且按照不同大小分别进入不同采集通道的图像采集区域(19)，非铁磁性磨粒沿着第一微通道(18)的轴线方向向前运动，进入图像采集区域(19)；
步骤4，图像采集系统显微拍摄图像采集区域(19)的磨粒图像，进行增强、分割处理，而后进行参数提取、磨粒类型识别和分类统计。
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