基于相移微镜的滑油磨粒三维检测系统

本发明涉及成像仪器，特别涉及一种基于相移微镜的滑油磨粒三维检测系统。

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，对航空发动机的磨损状态进行检测，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，零部件表面产生的磨粒会进入滑油系统，导致油液中含有因各种类型磨损产生的不同形状的磨粒。当磨粒的生成速率突然增加，说明发动机出现异常磨损；磨粒形态和成分可以判断发动机的磨损部位；磨粒数量、形貌和尺寸则可以判断磨损类型和磨损程度。因此，对滑油中的磨粒数量、尺寸和形状等特征参数进行检测，能够有效评估航空发动机设备磨损状态。

2、目前现有的磨粒检测方法是通过采用光学、电磁学、化学等方法获取滑油磨粒的各项指标，从而判断航空发动机的磨损状态。按检测方式可以分为离线和在线检测，离线检测通常先对油样进行采集，然后采用铁谱法、扫描电镜或原子发射光谱等方法分析油液样本，虽然检测精度较高，但耗费较大的人力物力，且无法及时获得发动机的磨损状态信息。而现有的在线检测方法则主要采用以电磁感应为基本原理的检测器，大都局限于滑油的颗粒大小和数量的检测，无法获取形状信息。目前，磨粒检测技术检测灵敏度和计数可靠度越来越高，同时磨粒信息从简单的原始信号特征提取向图形图像分析和精细特征提取分类的方向发展。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种基于相移微镜的滑油磨粒三维检测系统，基于光的干涉原理提取磨粒的三维信息，解决了传统检测方法难以实现磨粒三维成像的问题，利用迈克尔逊干涉结构，获取样品光束和参考光束的干涉光谱，进行傅里叶变换等处理实现磨粒的三维成像。同时，采用相移微镜结构实现多通道静态相位调制，解决了单通道干涉成像的镜像和寄生像问题，具有成像速度快、清晰度高、稳定性好，结构紧凑的优点。

2、为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

3、本发明提供一种基于相移微镜的滑油磨粒三维检测系统，包括：光源系统、分束器、磨粒成像系统、相位调制系统和探测系统；

4、光源系统用于发出一束平行光束入射至分束器；

5、分束器将平行光束分为两束相同的透射光束和反射光束分别入射至相位调制系统和磨粒成像系统；

6、磨粒成像系统用于对油液磨粒检测区上不同位置处的滑油样品进行成像，油液磨粒检测区用于承载从航空发动机中提取的滑油样品；

7、磨粒成像系统包括：扫描反射镜和物镜；

8、反射光束经过扫描反射镜的反射和物镜的汇聚后入射至油液磨粒检测区，对油液磨粒检测区进行照明，并与滑油样品中的磨粒产生相互作用后产生带有滑油样品信息的散射光束原路返回至分束器；

9、通过扫描反射镜的旋转运动和油液磨粒检测区平移运动实现对滑油样品在不同位置处的成像；

10、透射光束在相位调制系统的调制作用下经过不同的光程，作为参考光束原路返回至分束器；

11、参考光束和散射光束在分束器的出射位置处发生干涉，形成干涉光束后入射至探测系统得到干涉光束的干涉光谱信息；

12、从干涉光谱信息中提取出干涉光强表达式中的互相关项的振幅和相位信息构建干涉光束信号的复函数，然后对复函数进行傅里叶变换，最终得到清晰的滑油磨粒三维重建图像。

13、优选地，光源系统包括：光源和准直镜；

14、光源为近红外宽带光源，光源发出的低相干光入射至准直镜，经过准直镜的准直后变为平行光束入射至分束器。

15、优选地，分束器与光轴呈45°角进行放置，分光比为1:1。

16、优选地，相位调制系统包括相移微镜；

17、相移微镜由台阶组成，每个台阶对应一个相位调制通道，每个相位调制通道中的光束在相移微镜的调制作用下经过不同的光程；

18、相移微镜可采用moems工艺制作，每个台阶表面均镀有反射膜。

19、优选地，探测系统包括：色散光栅、柱面镜和面阵探测器；

20、干涉光束经色散光栅产生色散，再经柱面镜的折射后会聚到面阵探测器得到不同相位调制通道的干涉光束的干涉光谱信息。

21、优选地，通过扫描反射镜的旋转运动对滑油样品进行扫描，扫描反射镜设置为矩形并以其对称轴为旋转中心进行转动，矩形中心与物镜的像方焦点重合。

22、优选地，通过高精度步进电机实现油液磨粒检测区的平移运动，扫描反射镜的扫描方向垂直于油液磨粒检测区的移动方向。

23、优选地，对于任一相位调制通道中经过静态相位调制的光束：

24、设参考光束信号为：

25、ir(k)＝sr(k)ei2kr

26、其中，sr(k)为参考光束的光谱功率分布函数，ei2kr为相位，2r为参考光束的光程长度，k为波数；

27、设散射光束信号为：

28、

29、其中，ss(k，z)为来自滑油样品不同深度层的反射光的谱功率密度函数，n为滑油样品折射率，r+nz为滑油样品中深度为z的反射光的光程；

30、则参考光束和散射光束干涉后产生的干涉光谱信号i(k)为：

31、

32、实际面阵探测器探测到的为干涉光谱信号i(k)的实部部分i′(k)，则实际干涉光谱信号i′(k)的表达式为：

33、

34、对实际干涉光谱信号i′(k)中的中间项进行傅里叶变换就能得到该通道下的滑油样品深度信息fft{i(k)}，即：

35、

36、单通道的滑油样品深度信息采集存在直流项和各深度层反射的互相关项干扰，另外由于面阵探测器只能采集到干涉光谱信号的实部信息，无法采集虚部信息，还导致共轭镜像干扰；

37、则波长为λ的干涉信号i(k)简化为：

38、

39、其中，

40、i0为直流项和自相干项；

41、a和φ分别为干涉信号的振幅和相位；

42、面阵探测器上得到的为波长为λ的干涉信号的实部i′：

43、

44、优选地，当相移微镜的台阶数为n时：台阶的空间排布可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：求解干涉信号的振幅a和相位构建出干涉信号的复函数，并对干涉信号的复函数进行傅里叶变换，即可得到滑油磨粒的深度信息。

45、与现有的技术相比，本发明基于光的干涉原理提取滑油磨粒的三维信息，解决了传统检测方法难以实现磨粒三维成像的问题，利用迈克尔逊干涉结构，获取散射光束和参考光束的干涉光谱，进行傅里叶变换等处理实现磨粒的三维成像。同时，采用相移微镜结构实现了一次对同一待测点进行多个通道的静态相位调制，大幅提高了系统的成像效率。解决了单通道成像的镜像和寄生像等问题，具有成像速度快、清晰度高、稳定性好，结构紧凑的优点。