用于监测多磨粒特征的高通量成像传感器、系统及方法

1.本公开属于机械设备磨损状态监测技术领域，尤其涉及一种用于监测多磨粒特征的高通量成像传感器、系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.润滑油中悬浮的磨损颗粒包含着许多与机械设备磨损状态相关的特征信息，如磨粒的浓度、尺寸分布、形状、材质。因此，能够实时监测磨损颗粒的传感器在能源、航空、海运、汽车等领域具有重要的价值，可以实时提供有关设备磨损状态的信息，从而避免发生重大的故障。
4.然而，发明人发现，目前的磨粒传感器在监测上述四种特征方面仍然存在着一些缺陷：
5.1)传感器的浓度监测范围有限，如专利200610041773.x类型的传感器的颗粒浓度响应范围为10-80ppm，无法适应航空飞机发动机(故障时浓度》200ppm)和传动装置(故障时浓度可超过100ppm)以及汽车发动机(故障时铁颗粒浓度可达160ppm)等机械设备的监测；
6.2)无法准确反映颗粒的尺寸分布，如专利201310104927.5类型的传感器无法有效对尺寸《50-100μm的故障早期颗粒做出响应(具体数值取决于传感器的内径)，也无法区分多个同时存在于感应区域的磨粒，进而限制了其监测尺寸分布的能力；
7.3)无法可靠监测磨粒的形状特征，如专利201310141313.4类型的动态磨粒采集设备由于磨损颗粒在润滑油中的运动导致其无法在大通量(高流速)状态下获得清晰的单个磨粒图像(磨粒边缘模糊)，从而无法识别磨粒的边缘形状；
8.4)无法同时准确的监测磨损颗粒的四种特征，如专利200610041773.x类型的传感器只能输出磨粒的浓度特征，专利201310104927.5类型的传感器仅能输出磨粒的尺寸大小、数量特征以及简单区分铁磁性和非铁磁性颗粒。


技术实现要素：

9.本公开为了解决上述问题，提供了一种用于监测多磨粒特征的高通量成像传感器、系统及方法，所述方案利用磁场沉积悬浮在润滑油中的磨损颗粒，并利用图像采集模块来采集沉积的磨屑环图像，从中获取磨粒浓度信息；同时，沉积的磨粒被流场分散后利用另外的图像采集模块采集分散的磨粒图像，从中获取磨粒的尺寸分布、形状以及颜色等信息，进而实现对润滑油内磨粒的多个特征进行快速准确的同步测量。
10.根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种用于监测多磨粒特征的高通量成像传感器，包括底座，所述底座上设置有电磁铁，其中，所述电磁铁从内到外包括内铁芯、轭铁、外铁芯及缠绕于内外铁芯上的线圈；所述电磁铁上部设置有流道，所述流道包括第一流道和第二流道，所述第一流道与第二流道之间设置有光学玻璃，且所述第一流道、光学玻璃
及第二流道之间形成流场；所述流道上方设置有屏蔽罩，所述屏蔽罩上设置有第一图像采集模块和第二图像采集模块。
11.进一步的，所述流道设置有连接外部油路的入口和出口。
12.进一步的，所述第一图像采集模块及第二图像采集模块位置处分别设置有照明单元，且所述第一图像采集模块及第二图像采集模块均采用cmos摄像头。
13.进一步的，所述照明单元采用led灯带或环形led灯。
14.根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种用于监测多磨粒特征的高通量成像系统，包括上述的一种用于监测多磨粒特征的高通量成像传感器、片上系统以及远程计算机；其中：
15.所述片上系统与所述传感器中的电磁铁、照明单元、第一图像采集模块及第二图像采集模块连接，通过控制命令的下发进行控制电磁铁的供电以及图像采集模块的拍摄，并对采集的图像实时进行特征的提取；
16.所述片上系统与所述远程计算机连接，将采集的图像和提取的特征传输到远程计算机。
17.进一步的，所述传感器的流道入口与外部待测油路的出口连接，所述传感器的流道出口与外部待测油路的入口连接；所述流道入口与外部待测油路的出口之间设置有蠕动泵。
18.根据本公开实施例的第三个方面，提供了一种用于监测多磨粒特征的高通量成像方法，其基于上述的一种用于监测多磨粒特征的高通量成像系统，包括：
19.启动蠕动泵，使润滑油进入所述传感器的流道中；
20.对所述电磁铁施加激励，所述内铁芯、轭铁以及外铁芯之间的区域产生磁场，使所述电磁铁上方流经该区域的润滑油中的铁磁性磨粒沉积；
21.经预设时间后，控制所述第一图像采集模块拍摄沉积的磨粒环图像；
22.对所述电磁铁停止施加激励，所述第一流道、光学玻璃及第二流道之间形成的流场驱使磨粒分散；
23.经预设时间后，关闭蠕动泵，流道中的磨粒处于静止状态，控制所述第二图像采集模块拍摄静止磨粒的图像。
24.进一步的，所述片上系统基于内置的图像处理算法从采集的图像中提取磨粒浓度、尺寸分布、形状以及颜色信息；并经所述片上系统的无线传输模块，将获得的磨粒环图像、静止磨粒的图像、以及提取的特征传输至远程计算机。
25.进一步的，在监测开始前和监测结束后，预先通过控制所述蠕动泵，利用待测润滑油对所述流道进行冲刷。
26.与现有技术相比，本公开的有益效果是：
27.(1)本公开所述方案提供了一种用于监测多磨粒特征的高通量成像传感器、系统及方法，所述方案通过磁场和流场控制磨粒的沉积和分散，使用两个cmos摄像头拍摄磨屑环和分散磨粒的图像，能够同时获取磨损颗粒的浓度、尺寸分布、形状、颜色特征，从而能够实时对设备的磨损状态进行可靠评估。
28.(2)本公开所述方案通过采用的环形气隙大大增加了磁场区域，从而改善了传感器对于磨粒浓度的监测性能(2-200ppm)，通过将沉积的磨粒进行分散，解决了因磨屑链的
阻碍而无法对单个颗粒进行成像的问题，使得传感器能够获取单个颗粒的尺寸、形状和颜色等特征。同时，将传感器主体与片上系统集成，能够对获取的磨粒图像进行实时处理和评估，真正实现了设备运行过程中的磨损颗粒的实时智能监测。
29.本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
30.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
31.图1为本公开实施例中所述的一种用于监测多磨粒特征的高通量成像系统的整体监测示意图；
32.图2为本公开实施例中所述的传感器主体示意图；
33.图3为本公开实施例中所述的传感器主体剖视图；
34.图4为本公开实施例中所述的传感器流道剖视图；
35.图5(a)为本公开实施例中所述的磨屑环图像；
36.图5(b)为本公开实施例中所述的分散的铁颗粒图像；
37.图5(c)为本公开实施例中所述的分散fe/fe2o3/fe3o4/cu颗粒图像；
38.图1中：1.成像传感器主体，2.蠕动泵，3.阀门，4.三通，5.片上系统，6.远程计算机；
39.图2中：1-1.底座，1-2.电磁铁，1-3.流道，1-4.成像模块；
40.图3中：1-1.底座，1-2-1.内铁芯，1-2-2.轭铁，1-2-3.外铁芯，1-2-4.线圈，1-3-1.第一流道，1-3-2.光学玻璃，1-3-3.第二流道，1-4-1.led灯带，1-4-2.第一图像采集模块，1-4-3.屏蔽，1-4-4.环形led，1-4-5.第二图像采集模块；
具体实施方式
41.下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
42.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
43.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
44.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
45.实施例一：
46.本实施例的目的是提供一种用于监测多磨粒特征的高通量成像传感器。
47.如图2和图3所示，本实施例提供了一种用于监测多磨粒特征的高通量成像传感器，包括底座1-1，所述底座上设置有电磁铁1-2，其中，所述电磁铁1-2从内到外包括内铁芯1-2-1、轭铁1-2-2、外铁芯1-2-3及缠绕于内外铁芯上的线圈1-2-4；所述电磁铁上部设置有
流道1-3，所述流道1-3包括第一流道1-3-1和第二流道1-3-3，所述第一流道1-3-1与第二流道1-3-3之间设置有光学玻璃1-3-2，且所述第一流道1-3-1、光学玻璃1-3-2及第二流道1-3-3之间形成流场；所述流道1-3上方设置有屏蔽罩1-4-3，所述屏蔽罩上设置有第一图像采集模块1-4-2和第二图像采集模块1-4-5。
48.进一步的，所述流道设置有连接外部油路的入口和出口。
49.进一步的，所第一图像采集模块及第二图像采集模块位置处分别设置有照明单元，且所述第一图像采集模块及第二图像采集模块均采用cmos摄像头。
50.进一步的，所述照明单元包括采用led灯带的第一照明单元1-4-1和采用环形led灯的第二照明单元1-4-4。
51.实施例二：
52.本实施例的目的是提供一种用于监测多磨粒特征的高通量成像系统。
53.本实施例提供了一种用于监测多磨粒特征的高通量成像系统，包括上述的一种用于监测多磨粒特征的高通量成像传感器、片上系统以及远程计算机；其中：
54.所述片上系统与所述传感器中的电磁铁、照明单元、第一图像采集模块及第二图像采集模块连接，通过控制命令的下发进行控制电磁铁的供电以及图像采集模块的拍摄，并对采集的图像实时进行特征的提取；
55.所述片上系统与所述远程计算机连接，将采集的图像和提取的特征传输到远程计算机。
56.进一步的，所述传感器的流道入口与外部待测油路的出口连接，所述传感器的流道出口与外部待测油路的入口连接；所述流道入口与外部待测油路的出口之间设置有蠕动泵。
57.具体的，为了便于理解，以下结合附图对本公开所述方案进行详细说明：
58.如图1所示，一种用于监测多磨粒特征的高通量成像系统，包括：一种用于监测多磨粒特征的高通量成像传感器1与片上系统5集成，安装在润滑油旁路循环中；其中，主路或油箱中的润滑油经过三通4和阀门3进入监测回路，片上系统5控制蠕动泵2将监测回路中的润滑油输送到成像传感器1中进行磨损颗粒的监测，而后将润滑油经阀门3和三通4输送回油路中。同时，片上系统5将拍摄的图像和提取的磨粒特征无线传输到远程设备6上，进行设备磨损状态的评估。
59.实施例三：
60.本实施例的目的是提供一种用于监测多磨粒特征的高通量成像方法。
61.一种用于监测多磨粒特征的高通量成像方法，其基于上述的一种用于监测多磨粒特征的高通量成像系统，包括：
62.启动蠕动泵，使润滑油进入所述传感器的流道中；
63.对所述电磁铁施加激励，所述内铁芯、轭铁以及外铁芯之间的区域产生磁场，使所述电磁铁上方流经该区域的润滑油中的磨粒沉积；
64.经预设时间后，控制所述第一图像采集模块拍摄沉积的磨粒环图像；
65.对所述电磁铁停止施加激励，所述第一流道、光学玻璃及第二流道之间形成的流场驱使磨粒分散；
66.经预设时间后，关闭蠕动泵，流道中的磨粒处于静止状态，控制所述第二图像采集
模块拍摄静止磨粒的图像。
67.进一步的，所述片上系统基于内置的图像处理算法从采集的图像中提取磨粒浓度、尺寸分布、形状以及颜色信息；并经所述片上系统的无线传输模块，将获得的磨粒环图像、静止磨粒的图像、以及提取的特征传输至远程计算机。
68.进一步的，在监测开始前和监测结束后，预先通过控制所述蠕动泵，利用待测润滑油对所述流道进行冲刷。
69.具体的，为了便于理解，以下结合附图对本公开所述方案进行详细说明：
70.一种用于监测多磨粒特征的高通量成像方法,具体执行如下过程：
71.片上系统5首先控制蠕动泵2将主路中的润滑油经过三通4、阀门3、进油管接头输送进流道1-3中，并持续冲刷一段时间。而后，片上系统5控制电路给线圈1-2-4施加激励使电磁铁1-2在内铁芯1-2-1、轭铁1-2-2以及外铁芯1-2-3之间形成闭合磁路，产生的磁场在内铁芯1-2-1和外铁芯1-2-3之间的环形气隙处向外发散，从而能够给流经该区域的磨粒施加磁场力，使铁磁性磨粒沉积下来。一段时间后，片上系统5控制cmos摄像头1-4-2在led灯1-4-1的照射下拍摄沉积的磨屑环图像(如图5(a)所示)。而后，电磁铁关闭磁场，第二流道1-3-3、光学玻璃1-3-2以及第一流道1-3-1之间的流场驱使沉积的磨粒分散，达到预定时间后，油泵2断电，cmos摄像头1-4-5在led灯1-4-4的照明下采集静态磨粒的图像(图5(b)或图5(c))。由于此时磨粒为静止状态，因此传感器能够捕获到单个磨粒的清晰图像，从而能够提取出准确可靠的磨粒尺寸、形状、颜色等信息。之后，片上系统5控制泵冲刷流道中的磨粒，并将润滑油通过两个出油管接头和一个出油三通返回油路中。同时，片上系统进行磨粒图像的处理并将图像和提取的磨粒浓度、尺寸分布、形状以及颜色信息无线传输到远程设备6中。而后，如需继续采集磨粒信息，则重复上述步骤，否则结束。按照上述方法使用本公开，能够实时的实现对润滑油中磨粒的监测和所述磨粒浓度、尺寸分布、形状和颜色特征的获取。而且本公开相比同类型的传感器，能够实》100ml/min的润滑油通量。环形磁场区域面积大，从而能够实现大范围的浓度监测(2-200ppm)。通过进行磨粒的分散成像，使得传感器能够获取单个颗粒的特征信息。同时，将传感器主体与片上系统集成，能够对获取的磨粒图像进行实时处理，真正意义上实现了在高通量下对润滑油中的磨损颗粒进行实时的智能监测。
72.本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开的范围。
73.上述实施例提供的一种用于监测多磨粒特征的高通量成像传感器、系统及方法可以实现，具有广阔的应用前景。
74.以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。