航空发动机滑油磨粒在线检测系统

本发明涉及光谱仪器，特别涉及一种航空发动机滑油磨粒在线检测系统。

背景技术：

1、航空发动机是飞机的关键部件，其内部构造复杂，在高温和高负荷的条件下容易产生部件磨损的问题，严重威胁航空发动机的运行安全。在飞机因机械原因发生的重大事故中，约40％由发动机故障所致，其中磨损引起的失效占80％以上。因此对航空发动机的额磨损状态进行实时检测，对加速航空发动机的研制及保障服役安全、避免灾难性安全事故具有重大意义。滑油在航空发动机中用以润滑、冷却和清洁发动机的轴承、齿轮等活动部件，当发动机发生磨损时，产生的磨粒会进入滑油系统，磨粒尺寸、形状及材料的成分含量等特征参数与磨损部位、磨损程度及磨损产生的方式密切相关。因此，航空发动机滑油检测是诊断和检测航空发动机磨损故障的重要手段，世界各国的研究人员研发了多种基于不同原理的滑油检测设备。

2、目前已有的油液检测仪器按照检测方式可分为在线式和离线式两类。在线式检测仪器主要是对滑油大颗粒的检测，且大多只能实现在线计数和尺寸检测功能，无法获得颗粒的三维形态信息；离线式检测仪器主要是采用以原子发射光谱法实现对滑油中小磨粒的成分检测，需要在发动机停车后方能进行取样检测，因此取样检测时间较长，仅能检测到发动机的早期故障隐患，但其体积较大且难以实现在线检测，很难及时发现故障隐患。获取信息不及时。所以，现有的滑油检测仪器功能单一，无法满足对服役中的飞行器磨损的多参数实时在线检测。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种航空发动机滑油磨粒在线检测系统，采用能实现静态相位调制的微光学元件组成的滑油磨粒三维成像模块和痕量金属分析模块实现航空滑油的多参数在线检测。其中滑油磨粒三维成像模块对滑油中大尺寸颗粒进行三维成像与重构，痕量金属分析模块分析小尺寸金属磨粒的种类和含量。本专利提出的方案减小了仪器体积，能同时实现颗粒三维尺寸和金属成分的测量，提高了检测灵敏度和设备稳定性。

2、为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

3、本发明提供一种航空发动机滑油磨粒在线检测系统，包括位于上层的三维成像模块和位于下层的痕量金属分析模块；

4、所述三维成像模块用于对油液磨粒检测区上的滑油样品进行照射并对其中的磨粒进行三维成像，所述痕量金属分析模块用于对样品池中的磨粒进行金属成分分析；

5、所述油液磨粒检测区与所述样品池为串联连接，所述航空发动机中的滑油样品被蠕动泵送入所述磨粒成像检测区，再通过连接管道流入所述样品池，完成检测后所述滑油样品从样品池的出口流出。

6、优选地，所述三维成像模块包括：光源子模块、分束器、采样子模块、第一相位调制子模块和探测子模块；

7、所述光源子模块发出的平行光束入射至所述分束器被分为第一反射光束和第一透射光束；所述第一反射光束入射至采样子模块对所述磨粒成像检测区进行线形照明后得到带有所述待测滑油样品中磨粒信息样品光束原路返回至所述分束器；所述第一透射光束入射至第一相位调制子模块经过相位调制后形成参考光束原路返回至所述分束器；

8、所述样品光束和参考光束在所述分束器的出射位置处发生干涉后形成干涉光束入射至所述探测子模块得到干涉光谱信息。

9、优选地，所述痕量金属分析模块包括：石墨盘电极、石墨棒电极、光纤、第二准直镜、第二相位调制子模块和成像子模块；

10、所述石墨盘电极垂直于所述样品池进行放置，所述石墨盘电极的底部与所述样品池中的滑油样品进行部分接触；

11、所述石墨盘电极的顶部与所述石墨棒电极之间设置有放电间隙；

12、当所述石墨盘电极进行旋转运动时，位于所述样品池中的滑油样品被所述石墨盘电极带到所述放电间隙处，通过在两个电极间施加高压交流电，使所述滑油样品中的金属磨粒被等离子化产生辐射光束；

13、所述辐射光束被所述光纤收集后传输至所述第二准直镜，经所述第二准直镜的准直后变为平行光束入射至所述第二相位调制子模块；

14、所述第二相位调制子模块用于将所述辐射光束进行相位调制后形成具有n×n个干涉通道的干涉光场；

15、所述干涉光场入射至成像子模块后得到干涉图像阵列，对所述干涉图像数据进行傅里叶变换等干涉数据处理，即可获得所述辐射光束的光谱信息，进而实现油样磨粒的成分分析。

16、优选地，所述光源子模块包括：宽带光源和第一准直镜；所述宽带光源为近红外线光源，所述宽带光源发出的宽谱段低相干光束经所述第一准直镜的准直后变为平行光束。

17、优选地，所述采样子模块包括扫描反射镜和物镜；所述扫描反射镜用于对所述滑油样品进行扫描，所述扫描反射镜为矩形并以其对称轴为旋转中心进行转动，所述矩形中心与所述物镜的像方焦点重合，所述物镜采用物方远心光路设计；

18、所述第一反射光束经过所述扫描反射镜的反射和物镜的汇聚后对所述磨粒检测区上的滑油样品进行线形照射，产生带有待测滑油样品中磨粒信息的散射回波，即得到样品光束原路返回到所述分束器；

19、所述油液磨粒检测区采用对成像波长透明的材料制成，截面为长方形。

20、优选地，所述第一相位调制子模块包括：聚焦镜和相移微镜；

21、所述相移微镜采用moems工艺进行制作，由阶梯组成，阶梯表面镀有反射膜，每个台阶对应一个相位调制通道，每个相位调制通道的光束在相移微镜的调制作用下经过不同的光程；

22、所述聚焦镜为像方远心光路设计；

23、所述第一透射光束经过所述聚焦镜的折射后会聚到所述相移微镜，经不同空间位置的阶梯面的反射后作为参考光束原路返回至所述分束器。

24、优选地，所述探测子模块色散光栅、成像镜和第一面阵探测器；

25、所述干涉光束入射至所述色散光栅产生色散，再经所述成像镜的折射后会聚到所述第一面阵探测器得到不同通道、不同光谱波段的干涉光谱信息；

26、当所述相移微镜的阶梯数为n时：阶梯的空间排布使每个相位调制通道产生π/2的相移量，通过一次成像得到待测点n个通道的干涉光谱信号，通过求解干涉信号的振幅a和相位构建出干涉信号的复函数：

27、

28、对干涉信号的复函数i进行傅里叶变换，得到消除镜像和寄生像的干扰的滑油磨粒的深度信息。

29、优选地，所述第二相位调制子模块包括：分束镜、高阶梯多级微镜和低阶梯多级微镜；

30、所述平行光束经过所述分束镜被分为第二透射光束和第二反射光束，其中所述第二透射光束入射至所述高阶梯多级微镜，经过所述高阶梯多级微镜的反射后原路返回至所述分束镜；所述第二反射光束入射至所述低阶梯多级微镜，经过所述低阶梯多级微镜的反射后原路返回至所述分束镜。

31、优选地，所述高阶梯多级微镜和低阶梯多级微镜的阶梯数n相同，阶梯宽度相同；

32、设所述低阶梯多级微镜的子阶梯高度为d：

33、则光程差采样间隔为δ＝2d；

34、所述高阶梯多级微镜的子阶梯高度为n×d；

35、所述高阶梯多级微镜和低阶梯多级微镜正交形成n×n个光程差采样单元，用于将光场调制为具有n×n个干涉通道的干涉光场；

36、所述高阶梯多级微镜第x阶和低阶梯多级微镜第y阶正交形成的干涉通道的光程差为：

37、δ(x,y)＝2(nx-y)d。

38、优选地，所述第二反射光束和第二透射光束在所述分束镜的出射位置处发生干涉，形成具有n×n个干涉通道的干涉光场入射至所述成像子模块。

39、优选地，所述成像子模块包括：缩束系统和第二面阵探测器；

40、所述干涉光场经过所述缩束系统的缩束后会聚到所述第二面阵探测器上获得干涉图像阵列；

41、设所述辐射光束为i，则经过所述相位调制子模块干涉调制后的干涉光场分布为：

42、

43、其中，

44、ν＝1/λ为辐射光束的空间频率；

45、b(ν)为辐射光束功率谱密度分布函数。

46、优选地，对所述干涉光场i(n)进行离散傅里叶变换得到：

47、

48、根据辐射光束功率谱密度分布函数b(ν)重构出辐射光束信号的光谱信息，进而将其与标准数据库进行拟合处理，实现油样磨粒的金属元素成分分析。

49、与现有的技术相比，本发明通过能实现静态相位调制的微光学元件组成的滑油磨粒三维成像模块和痕量金属分析模块实现航空滑油的多参数在线检测。其中滑油磨粒三维成像模块对滑油中大尺寸颗粒进行三维成像与重构，痕量金属分析模块分析小尺寸金属磨粒的种类和含量。本专利提出的方案减小了仪器体积，能同时实现颗粒三维尺寸和金属成分的测量，提高了检测灵敏度和设备稳定性。