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專利名稱：油液污染物綜合檢測系統(tǒng)及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的油液污染物綜合檢測系統(tǒng)及檢測方法，涉及機(jī)器油液污染物的綜合檢測，屬于傳感器測量儀器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的機(jī)器油液污染物檢測儀器的功能較為單一，過程較為復(fù)雜。為完成污染物的綜合檢測，通常需要用污染物計(jì)數(shù)器來進(jìn)行油液污染度的檢測，用鐵譜儀進(jìn)行鐵磁性污染物的檢測，用油料分析光譜儀進(jìn)行污染物成分的檢測。這其中鐵譜儀的檢測還需要復(fù)雜的制譜的過程，光譜儀的分析一般也只對較小的污染物有效。目前在鐵譜方面，國內(nèi)外都有比較成熟的產(chǎn)品，比如美國杰比科技公司的PQ系列鐵譜儀。污染物計(jì)數(shù)器方面，比較有代表性的產(chǎn)品有美國太平洋公司的HIAC-8000A型污染物計(jì)數(shù)器、美國PARKER公司的PLC-2000型激光污染物計(jì)數(shù)器、德國西德福公司的UCC系列污染物計(jì)數(shù)器。在光譜分析方面有美國Baird公司的MOA型油料分析光譜儀。由于很多油液污染物檢測儀器設(shè)備都需要進(jìn)口，購買和維護(hù)的成本比較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種過程簡單，性能可靠，功能集成的油液污染物綜合檢測系統(tǒng)及檢測方法。這種檢測系統(tǒng)可以檢測油液的污染度，區(qū)分鐵磁性污染物和非鐵磁性污染物，并對這兩種顆粒詳細(xì)的分類和進(jìn)行濃度計(jì)算。可以完全替代污染物計(jì)數(shù)器和鐵譜儀的功能，具有油料分析光譜儀的部分功能。
一種油液污染物綜合檢測系統(tǒng)，包括由微量泵、毛細(xì)管、傳感器、回油池組成的油液進(jìn)樣系統(tǒng)，由顯微鏡、反射光源、透射光源組成的顯微系統(tǒng)，由攝像頭、圖像卡、計(jì)算機(jī)組成的圖像采集分析系統(tǒng)，以及永磁體部分，其特征在于
所述傳感器由基片和蓋片兩部分鍵合而成，且基片上刻蝕有由總流道、第一分流道及第二分流道組成的整體呈Y型的微管道，且總流道、第一分流道及第二分流道交匯處為沉積區(qū)，沉積區(qū)中部鉆有小孔并粘結(jié)向下導(dǎo)通的鋼針形成清渣孔，在蓋片上與總流道端部位置對應(yīng)處設(shè)有一個(gè)粘結(jié)有向上導(dǎo)通的鋼針的進(jìn)油孔，在蓋片上與第一分流道(端部位置，和與第二分流道端部位置對應(yīng)分別鉆有小孔粘結(jié)有向上導(dǎo)通的鋼針形成第一出油孔和第二出油孔；永磁體置于傳感器的側(cè)邊且緊貼傳感器靠近沉積區(qū)，所述側(cè)邊為第二分流道外側(cè)邊。
一種利用所述油液污染物綜合檢測系統(tǒng)，進(jìn)行油液污染物綜合檢測的方法1、適用于檢測各尺寸段下的油液總的污染物濃度，其特征在于包括以下步驟a、檢測時(shí)利用微量泵將油樣送入所述的帶有Y型微管道結(jié)構(gòu)的傳感器中，在油樣流動(dòng)的過程中選取G1點(diǎn)為觀測點(diǎn)采集油液中污染物的圖像，其中G1點(diǎn)位于總流道中部；b、對G1點(diǎn)油液污染物的圖像進(jìn)行分析計(jì)算先計(jì)算每幀圖像包含的油液的有效體積，再根據(jù)污染物顆粒的大小、數(shù)量計(jì)算各尺寸段內(nèi)的總污染物濃度M。
2、適用于檢測污染物中非鐵磁性污染物的濃度，其特征在于包括以下步驟a、檢測時(shí)利用微量泵將油樣送入所述的帶有Y型微管道結(jié)構(gòu)的傳感器中，在油樣流動(dòng)的過程中選取G2為觀測點(diǎn)采集油液中污染物的圖像，其中G2點(diǎn)位于第一分流道中部；b、對G2點(diǎn)油液污染物的圖像進(jìn)行分析先計(jì)算每幀圖像包含的油液有效體積，再根據(jù)圖像特征參數(shù)將非鐵磁性污染物分為n類，最后計(jì)算各分類下的濃度，設(shè)N2＝{N21，N22，.......，N2n}。
其中，還可利進(jìn)行校驗(yàn)在油樣流動(dòng)的過程中選取G3點(diǎn)為觀測點(diǎn)采集油液中污染物的圖像，其中G3點(diǎn)位于第二分流道中部；對G3點(diǎn)油液污染物的圖像進(jìn)行分析計(jì)算求得非鐵磁性污染物濃度，應(yīng)小于G2點(diǎn)數(shù)據(jù)；用以上數(shù)據(jù)對第一分流道G2觀察點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。
3、適用于檢測污染物中鐵磁性污染物的濃度，其特征在于包括以下步驟
a、檢測時(shí)利用微量泵將油樣送入所述的帶有Y型微管道結(jié)構(gòu)的傳感器中，在油樣流動(dòng)的過程中分別選取G1、G2二點(diǎn)為觀測點(diǎn)采集油液中污染物的圖像，其中G1點(diǎn)位于總流道中部，G2點(diǎn)位于第一分流道中部；b、對G1點(diǎn)油液污染物的圖像進(jìn)行分析計(jì)算先計(jì)算每幀圖像包含的油液有效體積，再根據(jù)圖像特征參數(shù)按磨損機(jī)理將污染物分成m類計(jì)算各分類下的污染物濃度M1＝{M11，M12，.......，M1m}；c、對G2點(diǎn)油液污染物的圖像進(jìn)行分析計(jì)算先計(jì)算每幀圖像包含的油液有效體積，再根據(jù)圖像特征參數(shù)按磨損機(jī)理將污染物分成m類，計(jì)算各分類下的污染物濃度M2＝{M21，M22，.......，M2m}；d、計(jì)算油液中鐵磁性污染物的濃度M3＝M1-M2＝{M11-M21，M12-M22，.......，M1m-M2m}。
總流道中既有鐵磁性污染物又有非鐵磁性污染物，通過總流道上的觀測點(diǎn)可以分析出各尺寸段內(nèi)總的污染物濃度；由于在沉積區(qū)下側(cè)放設(shè)置有永磁鐵，所以從總流道流經(jīng)此處的鐵磁性污染物將受永磁鐵吸引而沉積于沉積區(qū)，則流過第一分流道的溶液中將只包含非鐵磁性污染物，則可以檢測出非鐵磁性污染物濃度，利用總流道和第一分流道差值的方法可以計(jì)算鐵磁性污染物的濃度。另外，由于非鐵磁性污染物可能有部分被鐵磁性污染物夾帶沉積，所以根據(jù)設(shè)于第二分流道觀測點(diǎn)計(jì)算的非鐵磁性污染物的各分類下的濃度一般應(yīng)該小于第一分流道觀測點(diǎn)檢測的非鐵磁性污染物的各分類下的濃度，可據(jù)此對非鐵磁性污染物的檢測結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。
本發(fā)明由于可直接對污染物進(jìn)行觀測，污染物計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確度在1％以內(nèi)，鐵磁性甄別的準(zhǔn)確度在3％以內(nèi)，污染物分類的正確率在5％以內(nèi)。以這種傳感為基礎(chǔ)開發(fā)的油液污染綜合檢測儀器的成本僅為國外典型污染物計(jì)數(shù)器產(chǎn)品的25％。本發(fā)明主要用于大型機(jī)器設(shè)備的潤滑油和液壓油的監(jiān)測，對機(jī)械設(shè)備的磨損故障進(jìn)行診斷和預(yù)防，分析磨損狀態(tài)和油液污染的關(guān)系。


圖1為油液污染物綜合檢測系統(tǒng)的配置圖。
圖2為傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為傳感器觀測原理圖。
圖4為鐵磁性顆粒分類的原理圖。
圖中標(biāo)號名稱1、微量泵，2、毛細(xì)管，3、傳感器，4、回油池，5、顯微鏡，6、反射光源，7、透射光源，8、攝像頭，9、圖像采集卡，10、計(jì)算機(jī)軟硬件，11、永磁體，12、基片，13、蓋片，14、總流道，15、第一分流道，16、第二分流道，17、沉積區(qū)，18、清渣孔，19、第一進(jìn)油孔，20、第二進(jìn)油孔。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖對系統(tǒng)的具體實(shí)施介紹如下1.系統(tǒng)的組成如圖1所示，由油路部分(包括微量泵(1)、毛細(xì)管(2)、傳感器(3)和回油池(4))、顯微系統(tǒng)(包括顯微鏡(5)、反射光源(6)、透射光源(7))、圖像采集處理部分(包括攝像頭(8)、圖像采集卡(9)和計(jì)算機(jī)軟硬件(10))以及永磁體(11)組成，其中顯微鏡采用廣州光學(xué)儀器廠的L2020A雙光源金相顯微鏡，攝像頭采用北京大恒圖像公司的hv3102uc數(shù)字?jǐn)z像頭。磁鐵和傳感器通過特定的夾具固定在顯微鏡的載物臺(tái)上。計(jì)算機(jī)采用基于windows平臺(tái)的通用PC。
傳感器是系統(tǒng)的核心器件，傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2由基片(12)，蓋片(13)兩部分組成。基片和蓋片的材料均為鈉玻璃，厚度均為1.5mm。基片上有特定的微管道結(jié)構(gòu)，深度為100um。蓋片上對應(yīng)基片管道的端口有三個(gè)φ1.2mm小孔，在基片的三條管道的連接處有較大面積的沉積區(qū)。沉積區(qū)的中央位置也有同樣尺寸的小孔。基片和蓋片之間通過高溫鍵合技術(shù)直接封裝在一起，鋼針和小孔通過504AB膠合固定。上面的三個(gè)鋼針用于油液的進(jìn)樣和流出，下面的鋼針在分析時(shí)堵上，分析后導(dǎo)通用于鐵磁性污染物的清洗。
2.傳感器的加工基于MEMS工藝。先使用Mcromedia FreehandMX軟件繪制所設(shè)計(jì)的芯片圖形，用高分辨率激光照排機(jī)在照相底片上制得光刻掩膜。然后在選好的玻璃片上進(jìn)行光學(xué)打磨和拋光處理，真空沉積一層Cr保護(hù)刻蝕層，在Cr上面均勻的甩上一層感光膠，采用212正膠。將制作好的掩膜附在感光膠上，在強(qiáng)紫外光源下進(jìn)行曝光，顯影，刻蝕，除膜，清洗等操作工序，根據(jù)連續(xù)進(jìn)樣的需要打孔，封裝，制成玻璃芯片。
3.各個(gè)檢測指標(biāo)的分析原理介紹如下。傳感器在分析的過程中，在其一側(cè)靠近沉積腔的位置置有高強(qiáng)度永磁體，并在傳感器上設(shè)置了三個(gè)觀測點(diǎn)G1，G2，G3，各個(gè)觀測點(diǎn)的位置如圖3所示，檢測時(shí)依次在三個(gè)觀測點(diǎn)捕捉三組圖像。各類指標(biāo)具體的計(jì)算流程如下設(shè)在總流道觀測點(diǎn)，非鐵磁性觀測點(diǎn)和校驗(yàn)觀測點(diǎn)得到的圖像集分別為P1，P2和P3，鐵磁性污染物分為m類，非鐵磁性污染物分為n類。先對P1中的污染物進(jìn)行尺寸計(jì)算和數(shù)量統(tǒng)計(jì)，結(jié)合根據(jù)流場特征計(jì)算出的油液體積，得到油液各尺寸分段下的污染物濃度M。
然后可以假設(shè)P1中的污染物全部是鐵磁性污染物加以分類，得到的各類型污染物的濃度M1＝{M11，M12，.......，M1m}。
然后對圖像集P2，假設(shè)磨粒全部是鐵磁性污染物或者是非鐵磁性污染物進(jìn)行兩次不同分類下的識(shí)別(實(shí)際上全部是非鐵磁性污染物)，得到的各類型污染物濃度M2＝{M21，M22，.......，M2m} N2＝{N21，N22，.......，N2n}最后結(jié)合P1的識(shí)別結(jié)果和非鐵磁性污染物的識(shí)別結(jié)果推算出鐵磁性污染物的污染度。
M3＝M1-M2＝{M11-M21，M12-M22，.......，M1m-M2m}對于圖像集P3，由于校驗(yàn)觀測點(diǎn)所在流道流經(jīng)沉積腔，其中的非鐵磁性污染物可能有部分被鐵磁性污染物夾帶沉積，所以根據(jù)圖像集P3計(jì)算非鐵磁性污染物的污染度(N3)各分量一般應(yīng)該小于N2各分量，可據(jù)此對非鐵磁性污染物的測量結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。
最終得到的油液的總污染物濃度，鐵磁性污染物的和非鐵磁性污染物各自具體分類下的濃度的分別是M，M3和N2。
4.圖像處理的過程介紹如下。分析時(shí)首先通過采集軟件將攝像頭拍攝的圖像傳入計(jì)算機(jī)，然后首先運(yùn)用運(yùn)動(dòng)圖像的特征進(jìn)行相鄰圖像的差值分析提取圖像目標(biāo)，然后計(jì)算圖像目標(biāo)的特征參數(shù)，進(jìn)行類型識(shí)別。特征參數(shù)的選取建立在圖像退化理論以及基于標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫的退化不變量的理論的基礎(chǔ)上。具體過程是首先選取標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫的若干圖像，運(yùn)用退化模型進(jìn)行處理，計(jì)算器各類參數(shù)的變化特性，包括各種幾何參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)，形狀參數(shù)(傅氏參數(shù))，顏色參數(shù)，灰度梯度參數(shù)，矩參數(shù)，熵與分型參數(shù)等，然后選取對圖像退化具有不變性的參數(shù)，同時(shí)考慮參數(shù)對污染物分類的敏感性、區(qū)分度和冗余度，建立污染物分類的特征參數(shù)體系。
考慮到顯微觀測系統(tǒng)中，造成圖像模糊的原因主要是污染物的運(yùn)動(dòng)和物鏡景深的限制，在此處理過程中采用的圖像退化模型如下f(x，y)＝h1(x，y)*h2(x，y)*g(x，y)+n(x，y)其中g(shù)(x，y)代表理想圖像，f(x，y)代表實(shí)際圖像，h1(x，y)和h2(x，y)代表運(yùn)動(dòng)和離焦產(chǎn)生的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，n(x，y)代表系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲。在此系統(tǒng)中h1(x，y)和h2(x，y)具有以下的形式h1(x,y)=1πR2x2+y2≤R20x2+y2>R2]]> 其中R表示離焦失真產(chǎn)生的彌散圓的半徑，a表示運(yùn)動(dòng)模糊的長度。
5.關(guān)于污染物的分類。非鐵磁性污染物可依賴于具體的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分類，通常按照磨損機(jī)理或者材質(zhì)進(jìn)行分類。鐵磁性污染物通常按照摩損機(jī)理可分為正常滑動(dòng)磨粒、嚴(yán)重滑動(dòng)磨粒、球狀磨粒、疲勞剝塊、紅色氧化物磨粒和黑色氧化物磨粒。鐵磁性污染物的分類原理如圖4所示。首先應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析方法以傅氏細(xì)長度和傅氏凹度兩個(gè)形狀參數(shù)將切削磨粒提取出來，然后依據(jù)其尺寸大小用統(tǒng)計(jì)分析方法劃分為小磨粒和大磨粒，用于劃分的尺寸閾值一般為10微米。小磨粒主要是正常滑動(dòng)磨粒和球狀磨粒，要?jiǎng)澐诌@兩類磨粒，必須綜合應(yīng)用三個(gè)幾何參數(shù)和五個(gè)傅氏參數(shù)，所以需要將統(tǒng)計(jì)分析方法和D-S證據(jù)決策方法結(jié)合起來完成這兩類磨粒的最終劃分。而大磨粒這一類別中比較復(fù)雜，首先應(yīng)用根據(jù)顏色參數(shù)劃分出紅色氧化物磨粒和黑色氧化物磨粒，然后再應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別方法，將剩余的磨粒劃分為嚴(yán)重滑動(dòng)磨粒、疲勞剝塊磨粒兩類，完成了磨粒的綜合識(shí)別流程。
權(quán)利要求
1.一種油液污染物綜合檢測系統(tǒng)，包括由微量泵(1)、毛細(xì)管(2)、傳感器(3)、回油池(4)組成的油液進(jìn)樣系統(tǒng)，由顯微鏡(5)、反射光源(6)、透射光源(7)組成的顯微系統(tǒng)，由攝像頭(8)、圖像卡(9)、計(jì)算機(jī)(10)組成的圖像采集分析系統(tǒng)，以及永磁體(11)部分，其特征在于所述傳感器(3)由基片(12)和蓋片(13)兩部分鍵合而成，且基片(12)上刻蝕有由總流道(14)、第一分流道(15)及第二分流道(16)組成的整體呈Y型的微管道，且總流道(14)、第一分流道(15)及第二分流道(16)交匯處為沉積區(qū)(17)，沉積區(qū)(17)中部鉆有小孔并粘結(jié)向下導(dǎo)通的鋼針形成清渣孔(18)，在蓋片(13)上與總流道(14)端部位置對應(yīng)處設(shè)有一個(gè)粘結(jié)有向上導(dǎo)通的鋼針的進(jìn)油孔(19)，在蓋片(13)上與第一分流道(15)端部位置，和與第二分流道(16)端部位置對應(yīng)分別鉆有小孔粘結(jié)有向上導(dǎo)通的鋼針形成第一出油孔(20)和第二出油孔(21)；永磁體(11)置于傳感器的側(cè)邊且緊貼傳感器靠近沉積區(qū)(17)，所述側(cè)邊為第二分流道(15)外側(cè)邊。
2.利用權(quán)利要求1所述油液污染物綜合檢測系統(tǒng)，進(jìn)行油液污染物綜合檢測的方法，適用于檢測各尺寸段下的油液總的污染物濃度，其特征在于包括以下步驟a、檢測時(shí)利用微量泵將油樣送入所述的帶有Y型微管道結(jié)構(gòu)的傳感器中，在油樣流動(dòng)的過程中選取G1點(diǎn)為觀測點(diǎn)采集油液中污染物的圖像，其中G1點(diǎn)位于總流道中部；b、對G1點(diǎn)油液污染物的圖像進(jìn)行分析計(jì)算先計(jì)算每幀圖像包含的油液的有效體積，再根據(jù)污染物顆粒的大小、數(shù)量計(jì)算各尺寸段內(nèi)的總污染物濃度M。
3.利用權(quán)利要求1所述油液污染物綜合檢測系統(tǒng)，進(jìn)行油液污染物綜合檢測的方法，適用于檢測污染物中非鐵磁性污染物的濃度，特征在于包括以下步驟a、檢測時(shí)利用微量泵將油樣送入所述的帶有Y型微管道結(jié)構(gòu)的傳感器中，在油樣流動(dòng)的過程中選取G2為觀測點(diǎn)采集油液中污染物的圖像，其中G2點(diǎn)位于第一分流道中部；b、對G2點(diǎn)油液污染物的圖像進(jìn)行分析先計(jì)算每幀圖像包含的油液有效體積，再根據(jù)圖像特征參數(shù)將非鐵磁性污染物分為n類，最后計(jì)算各分類下的濃度，設(shè)N2＝{N21，N22，......，N2n}。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述油液污染物綜合檢測的方法，其特征在于包括以下步驟在油樣流動(dòng)的過程中選取G3點(diǎn)為觀測點(diǎn)采集油液中污染物的圖像，其中G3點(diǎn)位于第二分流道中部；對G3點(diǎn)油液污染物的圖像進(jìn)行分析計(jì)算求得非鐵磁性污染物濃度，應(yīng)小于G2點(diǎn)數(shù)據(jù)；用以上數(shù)據(jù)對第一分流道G2觀察點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。
5.利用權(quán)利要求1所述油液污染物綜合檢測系統(tǒng)，進(jìn)行油液污染物綜合檢測的方法，適用于檢測污染物中鐵磁性污染物的濃度，其特征在于包括以下步驟a、檢測時(shí)利用微量泵將油樣送入所述的帶有Y型微管道結(jié)構(gòu)的傳感器中，在油樣流動(dòng)的過程中分別選取G1、G2二點(diǎn)為觀測點(diǎn)采集油液中污染物的圖像，其中G1點(diǎn)位于總流道中部，G2點(diǎn)位于第一分流道中部；b、對G1點(diǎn)油液污染物的圖像進(jìn)行分析計(jì)算先計(jì)算每幀圖像包含的油液有效體積，再根據(jù)圖像特征參數(shù)按磨損機(jī)理將污染物分成m類計(jì)算各分類下的污染物濃度M1＝{M11，M12，.....，M1m}；c、對G2點(diǎn)油液污染物的圖像進(jìn)行分析計(jì)算先計(jì)算每幀圖像包含的油液有效體積，再根據(jù)圖像特征參數(shù)按磨損機(jī)理將污染物分成m類，計(jì)算各分類下的污染物濃度M2＝{M21，M22，......，M2m}；d、計(jì)算油液中鐵磁性污染物的濃度M3＝M1-M2＝{M11-M21，M12-M22，.......，M1m-M2m}。
全文摘要
一種油液污染物綜合檢測系統(tǒng)及檢測方法，于傳感器測量儀器領(lǐng)域。該系統(tǒng)由油液進(jìn)樣系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)、圖像采集分析系統(tǒng)組成，其特征在其傳感器(3)基片(12)上刻蝕有由總流道(14)、第一分流道(15)及第二分流道(16)組成的整體呈Y型的微管道，交匯處為沉積區(qū)(17)，永磁體(11)靠近沉積區(qū)(17)。利用這套系統(tǒng)可以檢測油液的污染度，區(qū)分鐵磁性污染物和非鐵磁性污染物，并對這兩種顆粒詳細(xì)的分類和進(jìn)行濃度計(jì)算，可以完全替代污染物計(jì)數(shù)器和鐵譜儀的功能，具有油料分析光譜儀的部分功能。
文檔編號G01N27/72GK101093191SQ200710023578
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月8日
發(fā)明者左洪福, 張艷彬, 李紹成 申請人:南京航空航天大學(xué)