在线图像可视铁谱反射光成像装置与方法与流程

本发明涉及一种设备磨损颗粒在线监测显微成像装置与方法，具体涉及一种在线图像可视铁谱反射光成像装置与方法。

背景技术：

现有在线铁谱技术能够在不停机状态下实时扑捉装备磨损信息，根据磨粒浓度及视觉特征信息判断装备摩擦副的磨损严重程度，监测分析运行状态与磨损趋势，磨损数据可信度高，可指导视情维修，实现装备早期故障预防。

近年来，图像可视在线铁谱磨粒监测技术发展迅速。例如，专利“短沉积距离图像型在线铁谱装置与方法(200610041773.X)”公开了一种小体积在线图像可视铁谱探头，采用电磁铁吸附铁磁性颗粒实现采集区域内大小磨粒的有序沉积，并可以采集磨粒沉积谱图像信息，采用磨粒覆盖面积指数(Indexes of Particle Coverage Area,IPCA)反映磨粒浓度变化。专利201310141313.4及201610052551.1提出一种视频获取方式的磨粒在线监测探头，采用磨粒视频替代磨粒图像进行铁磁性和非铁磁性颗粒视觉特征信息获取，实现了机械磨损状态的实时性在线监测和氧化磨损状态的实时判断。专利“一种在线图像可视铁谱成像系统(201410206588.6)”公开了一种磨粒全视场成像装置，与专利200610041773.X相比，增大了磨粒图像视觉范围，反射光下能够获得磨粒形貌，颜色及纹理等特征信息量，提高了在线磨损监测结果判断之准确性。专利201510379282.5、201520459761.3及201520460619.0提出了一种能够实现油液中的磁性颗粒与镜头之间无油液遮挡的成像装置，采用反射光源进行图像获取，可避免不透明油液与气泡对磁性颗粒成像的干扰，消除光强度减弱对检测结果的影响。

然而，所述专利200610041773.X和201410206588.6中的流道及在线铁谱成像装置依次安装于磁极上方，透反射光需要透过油层参与成像，油液中的气泡、固态杂质干扰磨粒成像，影响图像清晰度及磨粒视觉特征提取，不排油状态下所涉及的铁谱成像装置难以获得较高清晰度磨粒图像，油液不透光沉积磨粒无法正常成像。所述专利201310141313.4及201610052551.1采用单一反射光照明，加之成像系统景深有限，油液中运动磨粒成像模糊，当油液与磨粒颜色相近或油液不透光情况下，反射光下该成像装置将丧失磨粒图像获取功能，严重影响磨损监测结果的准确性和可靠性。所述专利201510379282.5、201520459761.3及201520460619.0理论上可以消除油液和气泡对磁性颗粒成像的影响，但存在结构问题，例如成像模块被安装于两组励磁吸附部件上方的V型空间内，而两组励磁吸附部件之间存在夹角，且两者间距仅为0.1mm～4mm，受到安装空间与光学镜头工作距离限制，10～1000放大倍率下成像模块安装固定在励磁吸附部件上方将产生结构干涉，实际中是无法实现的，况且该装置中的成像模块与铁芯架垂直布置，且成像模块中装有棱镜，无法实现体积小型化；此外成像模块中采用单一反射光源，低透光油液中磨粒与背景的像面对比度低，不利于磨粒视觉信息获取。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述技术问题，提出了一种低透光油液的在线图像可视铁谱反射光成像装置与方法，消除油液吸收、散射对磨粒成像质量的影响，实现低透光油液的磨粒图像可靠获取；优化成像系统结构，实现在线图像可视铁谱探头结构紧促化、体积小型化；提高磨粒图像分辨率与像面对比度，实现不排油状态下磨粒视觉特征信息准确提取，本发明更适用于恶劣环境的工业现场使用。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

在线图像可视铁谱反射光成像装置，包括对焦成像机构、连接座、反射光源和透射光源，对焦成像机构和反射光源通过连接座使用螺钉固定在流道贴近玻片的一侧，透射光源通过螺纹安装在流道的另一侧，对焦成像机构与反射光源被置于励磁模块内部空间，且对焦成像机构的中心光轴与励磁模块中心轴重合。

所述的在线图像可视铁谱反射光成像装置，对焦成像机构和反射光源使用螺钉固定于连接座中，连接座的底部开有矩形凹槽，用于安装磁极。

所述的反射光源与对焦成像机构中的镜头套筒下端固定连接。

所述的对焦成像机构中有紧定螺钉、镜头套筒及限位螺套，镜头套筒上端开设有若干个卡槽，限位螺套通过下端加工的凸台安装于所述的卡槽中，对焦成像机构通过限位螺套两端的紧定螺钉与连接座固定连接。

所述的在线图像可视铁谱反射光成像装置，透射光源是由两个单色光A和B组成的双色环形或平面光源，A光源位于透射光源的中心位置，B光源布置于其边缘位置。

本发明在线图像可视铁谱反射光成像方法，通过调节透射光源和反射光源的发光强度，提高磨粒成像的像面对比度，包括以下步骤：

步骤一、流道通油，透射光源中的B光源发光强度调至最大值IB max，获取B光背景图像，计算B光作用下的油液透光率TB为：

其中，M、N分别是图像传感器像素阵列的行数和列数，GB max(xi,yj)是B光背景图像在(xi,yj)处的像素灰度值，bB是B光作用下图像传感器感光灵敏度所决定的常数，aB是B光作用下图像传感器像面光强与灰度值的比值；

步骤二、利用TB判断并选取透射光颜色，调节发光强度。

所述的步骤二具体步骤如下：

(1)、如果TB大于50％，B光源作为背景光源，将反射光源发光强度调至其最大值IF max的二分之一，B光源发光强度IB调至

(2)、如果TB小于或等于50％，B光源关断，A光源打开，并将其发光强度调至最大值IA max，获取A光背景图像，计算A光作用下的油液透光率TA为：

其中，GA max(xi,yj)是A光背景图像在(xi,yj)处的像素灰度值，bA是A光作用下图像传感器感光灵敏度所决定的常数，aA是A光作用下图像传感器像面光强与灰度值的比值；

然后，A光源作为背景光源，将反射光源的发光强度调至IF max/2，当时，将A光源的发光强度IA调至

当时，A光源发光强度保持最大值，以油腔上玻片磨粒沉积处的透反射光强度之差值为调光基准，将反射光源的发光强度IF调至IF＝IF max-IA maxTA。

与现有技术相比，本发明提出的技术方案具有如下优点与有益效果：

1、在结构上，对焦成像机构和反射光源通过连接座安装于励磁模块内部空间，且对焦成像机构的中心光轴与励磁模块中心轴重合，减小了在线图像可视铁谱探头体积，实现短光路结构下的磨粒显微成像；

2、对焦成像机构和反射光源使用螺钉固定于连接座中，磁极安装于连接座底部的矩形凹槽内，可实现对反射光成像装置的光路密封，消除杂光干扰对磨粒图像质量的影响；

3、限位螺套下端通过凸台嵌入镜头套筒的卡槽内，可改变物距实现不同放大倍率磨粒成像，对焦成像机构通过紧定螺钉固定于连接座上，避免振动引起成像机构松动，造成像面离焦，提高了成像装置在恶劣工况下的可靠性；

4、提出采用双色环形或平面透射光源作为背景光源，实现近似均匀照明，提高图像背景均匀性以及磨粒与背景的像面对比度；

5、提出用于低透光油液磨粒成像方法，根据油液透光率大小，选择透射光颜色，并改变透射光和反射光强度，提高图像中磨粒与背景的像面对比度，减小磨粒视觉特征信息提取难度。

附图说明

图1为本发明的成像装置与磁极、流道及励磁模块的装配图；

图2为本发明的局部安装示意图；

图3为本发明的透射光源结构示意图；

图4为本发明的透反射光强度调节工作流程图；

图5(a)为本发明的齿轮箱油谱片图；

图5(b)为现有技术的齿轮箱油谱片图；

图5(c)为本发明的汽油机油谱片图；

图5(d)为现有技术的汽油机油谱片图；

图5(e)为本发明的柴油机油谱片图；

图5(f)为现有技术的柴油机油谱片图。

附图中各部件如下：1为对焦成像机构、2为连接座、3为励磁模块、4为流道、5为反射光源、6为透射光源、7为光学透镜、8为油腔、9为紧定螺钉、10为镜头套筒、11为限位螺套、12为镜头、13为图像传感器、14为调焦螺筒、3-1为磁极、3-2为励磁线圈、3-3为铁芯、6-1为A光源、6-2为B光源、8-1为下玻片、8-2为上玻片、10-1为卡槽、11-1为凸台、11-2为通孔。(注：A和B代表两种不同颜色的单色光)

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及工作原理做进一步详细说明：

参考图1，在线图像可视铁谱反射光成像装置包括对焦成像机构1、连接座2、反射光源5和透射光源6，本发明成像装置与励磁模块3及流道4装配固定，形成反射光成像的在线图像可视铁谱探头，其中励磁模块3是由磁极3-1、励磁线圈3-2和铁芯3-3构成，流道4固定于磁极3-1的正下方，对焦成像机构1和反射光源5通过连接座2使用螺钉固定在流道4贴近玻片的一侧，透射光源6通过螺纹安装在流道4的另一侧，对焦成像机构1和反射光源5通过连接座2被安装于两组励磁线圈3-2之间的励磁模块3内部空间，两组磁极3-1关于励磁模块3中心轴对称，且对焦成像机构1的中心光轴与励磁模块3中心轴重合，具有结构紧促，体积小的特点。

所述的对焦成像机构1由镜头套筒10、紧定螺钉9、限位螺套11、镜头12、调焦螺筒14及图像传感器13共同组成，对焦成像机构1通过限位螺套11两端的紧定螺钉9固定于连接座2中，反射光源5通过螺钉固定连接在对焦成像机构1中的镜头套筒10下方，反射光源5与镜头套筒10之间相贴合，其贴合面均匀涂有散热用导热硅胶；连接座2的底部开有矩形凹槽，用于安装磁极3-1，连接座2与流道4固定连接，将磁极3-1夹装于这两个部件之间，这样可以实现成像系统的光路密封，消除外界杂光对磨粒成像的干扰；励磁模块3中的铁芯3-3上绕制有两组励磁线圈3-2，N和S两组磁极3-1通过螺钉与铁芯3-3以及流道4固定在一起。

所述的流道4内开有螺纹孔，透射光源6被安装固定于流道4底部的螺纹孔内，透射光源6正上方固定有光学透镜7，用于校正透射光源6的出射光传播方向，光学透镜7上方设有油腔8，透射光穿过油腔8的下玻片8-1进入油液，实现透射光近似均匀照明，提高磨粒图像中背景的像面均匀性。另外，为了确保磁极3-1产生的高梯度磁场能够有效获取油液中的铁磁性磨粒，将油腔8上玻片8-2的上表面与两组磁极3-1紧密贴合，在磁极3-1间隙的高梯度磁场作用下，油液中的铁磁性颗粒有序沉积于油腔8上玻片8-2的下表面位置，使得反射光无需透过油液即可进行磨粒成像，与现有在线图像可视铁谱技术相比，避免了低透光油液以及油液中固态、液态及气态污染物对磨粒成像的干扰，可提高磨粒在图像中的像面清晰度。此外，油腔8的下玻片8-1与上玻片8-2均为透光率大于95％的光学玻片。

参考图1和图2，所述对焦成像机构1中的镜头套筒10内侧设有内螺纹，镜头12下端通过所述内螺纹相配合的外螺纹嵌套于镜头套筒10中，镜头套筒10与镜头12的组合体通过镜头套筒10下端的外螺纹安装于连接座2内部；镜头套筒10的上端开设有若干个卡槽10-1，限位螺套11下端加工有与镜头套筒10的卡槽相配合的凸台11-1，限位螺套11通过所述的凸台10-1安装于镜头套筒10的卡槽中，并使得镜头12上端套接于限位螺套11内，转动限位螺套11可调节成像系统物距，改变铁谱显微成像装置放大倍率；限位螺套11两端设有两个通孔11-2，物距调节完毕，将通孔11-2中的紧定螺钉9装入连接座2上端相配合的紧定螺孔内，实现对焦成像机构1与连接座2的固定连接。另外，调焦螺筒14下端的外侧设有外螺纹，限位螺套11上端通过所述外螺纹相配合的内螺纹与调焦螺筒14下端相连接，调焦螺筒14的上端与图像传感器13固定连接，转动调焦螺筒14可以调节成像系统像距，实现图像传感器13的像面对焦。

参考图3，所述的透射光源6是由两个单色光A和B组成的双色环形或平面光源，A光源6-1布置于透射光源6的中心位置，B光源6-2均匀排布于透射光源6边缘位置，B光源6-2通过照度叠加可实现近似均匀照明，同一驱动电流下，A光源6-1和B光源6-2所产生的发光强度相等；实验表明，光的波长越大透过油液的光能量损耗越小，为减小光能量损耗，提高油液透光率，透射光源6中的单色光A设为红光，单色光B设为黄光；根据油液透光率选择透射光源颜色，黄光作用下，当油液透光率大于50％时，即采用B光源6-2作为透射光源；当油液透光率小于或等于50％时，则采用A光源6-1作为透射光源，以减小油液对光的吸收、散射损耗，提高磨粒图像质量。

参考图4，提出了一种在线图像可视铁谱反射光成像方法，根据油液透光率不同，分别调节透射光源6中的A光源6-1或B光源6-2发光强度，以及反射光源5的发光强度，实现油腔8中磨粒沉积处的透射光和反射光强度相等，以提高磨粒成像质量及像面对比度，确保不同油液中的磨粒图像可靠获取。瑞利和道威判据可知，反射光照射下有助于提高磨粒图像分辨率；采用A光或B光作为透射光可以减小油液中的光能量损耗，尤其适用于低透光油液的磨粒在线监测，确保不排油状态下的磨粒成像清晰度不受影响，提高在线图像可视铁谱在油液监测应用中的可靠性。反射光用于磨粒成像，提高图像分辨率，A光或B光作为铁谱图像背景色，可保证磨粒与背景之间产生较大的色彩偏差与像面对比度，减小图像中磨粒视觉特征信息提取难度。

实现透射光和反射光强度调节控制，首先在油腔8中无油状态下测试在线铁谱成像装置线性工作范围，可以确定透射光图像的像面平均灰度值与油腔8中磨粒沉积处光强度的相互关系为：

其中，M、N分别为图像传感器13像素阵列的行数和列数，M×N为图像传感器13像素大小；G(xi,yj)为图像中(xi,yj)位置的像素灰度值；a为图像传感器13像面光强与灰度值之比值，b为图像传感器13感光灵敏度所决定的常数；IT为透射光源6的发光强度，Tgls为流道4中所用光学玻片透光率，则ITTgls即为油腔8中磨粒沉积处的光强度；若A光作为透射光，则IT为IA，若B光作为透射光，则IT为IB。另外，分别以A光源6-1与B光源6-2作为透射光源，测试不同透射光强度对应的像面平均灰度值，A光和B光作用下，通过线性拟合可分别求得像面平均灰度值和油腔8中磨粒沉积处光强度的相互关系。

在光源正常工作范围内，发光强度与驱动电流大小成正比，分别测得透射光源6中的A光源6-1、B光源6-2以及反射光源5的发光强度和驱动电流之对应关系，根据这一对应关系改变电流大小，可实现透射光与反射光强度调节。

假设A光源6-1的最大发光强度为IA max，B光源6-2的最大发光强度为IB max，反射光源5的最大发光强度为IF max；本发明所涉及的一种在线图像可视铁谱反射光成像方法的工作流程及光源发光强度调节的具体步骤为：

步骤一、流道4通油，打开透射光源6中的B光源6-2，发光强度调至最大值IB max，图像传感器13采集B光背景图像，提取图像中光照区域的平均灰度值，可计算B光作用下的油液透光率TB为：

其中，GB max(xi,yj)是B光背景图像在(xi,yj)处的像素灰度值，bB是B光作用下图像传感器13感光灵敏度所决定的常数，aB是B光作用下图像传感器13像面光强与灰度值的比值；

步骤二、判断油液透光率TB大小，选择透射光颜色类型，调节透反射光的发光强度。

(1)、如果油液透光率TB大于50％，则B光源6-2作为背景光源，然后打开反射光源5，并将其发光强度调至其最大光强值IF max的二分之一，为保证油腔8上玻片8-2磨粒沉积处的透射光与反射光强度相等，将B光源6-2的发光强度IB调至

(2)、如果油液透光率TB小于或等于50％，则关断B光源6-2，打开透射光源6中的A光源6-1，并将A光源6-1的发光强度调至最大值IA max，图像传感器13采集A光背景图像，提取图像中光照区域的平均灰度值，可计算A光作用下的油液透光率TA为：

其中，GA max(xi,yj)是A光背景图像在(xi,yj)处的像素灰度值，bA是A光作用下图像传感器13感光灵敏度所决定的常数，aA是A光作用下图像传感器13像面光强与灰度值的比值；

然后，A光源6-1作为背景光源，将反射光源5的发光强度调至其最大光强的二分之一(即为IF max/2)。当IA maxTA>IF max/2时，为保证油腔8上玻片8-2磨粒沉积处的透射光与反射光强度相等，需要将A光源6-1的发光强度IA调至

当IA maxTA≤IF max/2时，A光源6-1的发光强度保持最大值，以油腔8上玻片8-2磨粒沉积处的透射光与反射光强度之差值为调节基准，将反射光源5的发光强度IF调至

IF＝IF max-IA maxTA；

通过上述方法调节透射光与反射光强度，使得图像传感器13感光面上获得的透射光与反射光强度存在差异，以提高磨粒图像中磨粒与背景的像面对比度。

最后，设置沉积参数进行磨粒有序沉积，沉积磁势与抽油流量分别设置为：励磁模块3工作磁动势在300安匝～1200安匝的磁场状态，以2mL/min～10mL/min的流量产生油液循环，利用图像传感器13获取A光或B光背景的磨粒图像。

参考图5，采用本发明与现有在线图像可视铁谱技术进行磨粒图像采集对比实验，分别获取油液透光率为80％、9.5％以及0.5％的齿轮箱、汽油机和柴油机油液磨粒谱片。结果显示，本发明磨粒成像清晰度并未受到油液透光率的影响，所获取的磨粒图像分辨率与像面对比度较高，油腔8中通入透光率极低的柴油机油时，尽管磨粒图像的像面对比度略有降低，但图像中大小磨粒的轮廓特征依然清晰可辨(如图5e所示)，表明本发明适用于低透光或不透光油液的磨粒视觉特征信息获取。相比之下，现有技术的磨粒成像清晰度易受到油液干扰，磨粒图像分辨率与像面对比度随着油液透光率的减小而急剧降低，当油液透光率过低或不透光时，沉积磨粒无法正常成像，造成现有在线图像可视铁谱技术丧失磨粒图像信息获取功能(如图5f所示)。

可见，采用本发明反射光成像装置与方法能够从低透光油液中获得较高成像质量的磨粒谱片，解决了由于油液遮挡造成的磨粒成像质量差问题。反射光成像提高磨粒图像分辨率，根据油液透光率选取不同波长的透射光作为磨粒图像背景，可减小透射光通过油液的能量损耗；按照上述反射光成像方法调节透射光与反射光强度，提高磨粒图像的像面对比度，能够实现不同透光油液的磨粒视觉信息可靠获取，有利于恶劣工况下的在线磨损监测。