基于光强自动调整的在线油液监测装置的研究

基于光强自动调整的在线油液监测装置的研究 武汉理工大学硕士学位论文 摘要‘ 为解决大型连续作业设备、关键设备和高安全性要求设备的实时现场监测 与诊断问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,在线油液监测装置的研发已成为油液监测技术的研究和开发热 点 之一。本课题从在线油液监溅角度出发,利用采集光源照射的浊液 图像,通过用图像采集卡采集图像信息,并传输至计算机,继而通过图像处理 的方法,分析油液中的磨粒成份与含量,从而快速获取设备当前所处的状态。 由于光学传感器自身具有抗干扰、易调节的优点,使得利用光学传感器进 行油液状态监测成为油液监测发展的新方向,本文通过综合和分析以往研究 成 果,提出了使用光源进行监测的结构,并设计了可在在线监测使用的可调 节油池。文中分析了不同油液中悬浮颗粒对不同波长的光线的散射和透射作 用, 决定选择波长为姗的光源作为监测使用光源。在实验过程中发现,当油液 的磨粒浓度过高时,光源发出的光透过油池后照到上,光强度非常弱,导 致采集的图像不清,无法对图像进行数字化分析,达不到在线监测的目的。 为此我们设计了双光路的监测结构,其中一路光信号用于采集,另一路光 用于对系统的光强度进行调节在此基础上根据模糊控制理论,设计了调节装 置,通过在装置中设定到达后的光强度值,以保证绝大多数油样可在 上形成清晰的图像。当油样中磨粒浓度过高,超过调节装置上限时,装置发出 报警信号。 在调节装置的硬件电路设计上,采用了单片机,它通过采集光敏 二极管输出的经放大滤波后的电信号,将其转换成数字量并根据固化在单片 机 内的模糊控制规则来确定电压的输出量,以达到调节输入电压的目 的,从而调节光源的发光强度。 在本课题研究中,侧重于油液污染度检测理论分析、 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计和可行性分 析,设计了光路、电路,并进行了验证性实验。 实验结果表明:应用光强自动调节装置,胃有效的对光强度进行调节,极 大的避免人为因素带来的影响。可为分析提供较好的图像源。 关键词:油液监测;在线监测:光传感器;单片机:模糊控制 ?本文得到潮托省自然科学基金项目“集成式在线油液盗测方法与策硌研究” 的资助堕堡望兰奎堂堡主堂堡笙苎 , , , ., 订 , 嬉 ?加 讹,吐 锄 印 , “鹳, 啪, . 矗 。试 工 佃. ,. 西 恐 蛳姐 ,’?.吐 。 曲 枷 砌孤. ?, 砌 小 . 船 .掣 . 血 衄 廿 ., , ’仃 印, 协撕伽仍廿 也 , ,仃. 娩, 时 武汉理工大学硕士学位论文 , 也 , 嬲. , 甜 色 由 ,,. : ;力一】 ; 亡; 打 武汉理工大学硕士学位论文 第章绪论 工业生产离不开机械设备,也离不开设备的维修管理。机器设备的零部件 表面由于相对运动,产生磨屑微粒且由于润滑油的作用而进入到润滑系统中?。 这些磨粒在润滑系统中经过长期的积累,散布到各处,最终导致机器运作的不 正常。 设备维修在本世纪年代以来采取了以下三种策略,即故障后维修 、预防性维修 和预知性维修 ?。到现在为止,预知维修策略已成为工业维修的指导方法。 一种真正有效的方法应该能够用油液分析、振动监测和远程监测手段对设备进 行定期检测,通过监测系统状态而采取具有针对性的维修工作【。设备故障诊 断技术的全名为设备状态监测和故障诊断技术。所谓的状态监控就是对运行设 备物理参数、化学参数、机械参数、运行参数、工作参数等数据进行监测,从 而判断设备所处的状态。随着科学技术的进步,设备向大型化、复杂化、自 动 化、高精度、高生产率的方向发展,设备的意外失效和损坏都会引起巨大的经 济损失,甚至会产生灾难性的后果。因此,对设备的状态监测变得越来越重要 吼 对于机械设备而言,机械零部件的失效大约%是由磨损引起的】。 公司最新的 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 数据表明:柴油机约%的运行故障和.%的齿轮失效是由 于磨损引起的,几乎%的滚动轴承失效是由于润滑不当产生【】。根据传感器 相对于润滑系统的关系,“在线”概念可分为.和.两种,但从功能 角度理解必须包括在线取样和在线分析两个内容【。在线油液监测系统是以不 同的科学原理为基础,探测机器润滑系统中的磨粒大小、成份、分布和油品污 染及性能状况,达到实时跟踪机器设备的运行状况的目的。 随着传感器技术、微电子技术和计算机技术的不断发展,人们对信息的获 取能力以及对信息的综合分析能力和技术也不断提高,建立机器的在线监测与 数据采集、分析系统,对大型设备的状态进行适时监测和维修管理已成为可能 。在线监测技术对于设备磨损状态的监测,以及突发性事故原因的分析是一种 比较理想的方法,也是对传统的离线监测手段的重要补充,它可以及时了解 机 械潜在问题,在故障发生前适时修理,提高设备利用率和安全性能【【引。武 汉理工大学硕士学位论文 .在线油液监测技术 在线油液监测技术能够实时获取油液性能参数其中包含的磨粒信息、水 污染信息等,通过安装在油液管路旁路中的传感器,利用光、电、磁学等 手段采集设备的润滑油或工作介质的状态信息,分析样品中携带的设备摩擦 副 的磨损和污染物颗粒,定性和定量地描述设备的磨损状态包括部位、形式、 程度和油液污染指标,找出诱发因素,并预测发展趋势【们。 在线油液监测技术主要包括信息采集和信息处理技术。在线油液监测主要 由在线监测的核心部分传感器和分析处理单元组成。包括如下内容: 监测参数的选择:对所要监测的设备进行分析,选定具体最有价值的监 测参数,如温度、压力、湿度、污染程度等; 信号获取:通过传感器将反映油液的状态信息如光、电和声等转换 成可供采集的电信号; 信号的传输:将传感器采集到的信号弱电信号经过放大后,通过导 线或者无线传输方式,传输至监控服务器端; 信号的转换:对远程传输过来的信号进行数字化处理,主要是用/转 换器将传感器采集的模拟信号转换成数字信号; 信息的处理:将数字信号输入到计算机,通过相关的软件对所获取的信 息进行处理,在计算机上再现系统当前状态; 结果分析:将处理后的信息,交由专家或者专家系统进行分析,确 定现在机器所处的状态信息并提出参考建议等。 通过这种即时的监测方法,可以随时掌握设备现在所处的状态,从而能够 及早发现问题,有利于减少维护费用。 在线油液监测技术的工业应用表明,在线油液监测技术适用于采用液体或 半液体润滑剂且以磨损为主要失效形式的机器的状态监测与故障诊断。基于油 液的机器状态在线监测已成为现代工业界维修的手段之一,它的应用在逐步扩 大,主要有以下几个方面: 判定在用润滑油污染状况: 机械设备状态监测及故障诊断; 制定正确的润滑油换油周期; 油液监测技术的产生和应用离不开人们对磨损的认识。磨损与机器的失效 武汉理二大学硕士学位论文 紧密相关,由于磨损的复杂性,要认清现象、获得概念、进行设计和控制磨损, 首先要解决的就是磨损状态的监测技术阀题。磨粒分析技术是油液监测技术中 最主要的组成部分,而工业设备状态监测实践表明:对磨损颗粒的在线监测是 保证在不停机条件下对设备进行监测的最为有效的方法之一,是磨损监测技术 发展的方向之一。 .选题的指导思想及意义 油液分析方法是一种有效的磨损工况监测方法,目前已在各个领域的机械 设备故障诊断中应用。海湾战争期间,美国动用两千多架飞机、数万只舰艇、 成千辆坦克、装甲车等,美国军方在战地安排了近余台型油液分析仪, 累积测定飞机油样个,地面装备油样个,手工操作测试油样的工 作量非常大。所以随着技术的发展,工人在故障检测中对机械故障分析的相应 能力要求越来越高,特别是国防舰船和飞机机械故障检测中。 目前应用的主要手段是采用人工方法对铁谱图片进行分析”、对照,从而 判断设备或系统的状态,但该方法存在明显的不足:过分依赖于分析人员的知 识和经验,且分析周期长,不利于对设备进行在线监测。此外,磁性方法 】 】】【】,电学方法四和射线检测方法【】【】【】也应用较多,但是其共同的缺 点就是只能按磨粒的尺寸和数目进行分类【”,确定设备状态,无法还原油液状 态。因此,磨粒的自动识别研究就成为铁谱技术发展和应用的重要方向之一。 磨粒识别是铁谱分析的重要内容,通过磨粒表面和轮廓等形貌特征的观察,磨 粒长、宽和厚等尺寸的测定,磨粒成分的鉴别,包括金属或非金属,黑色金属 或有色金属,可以达到确定磨损型式,分析磨损原因,判别磨损程度和找出磨 损零件种类的目的。 计算机的发展为计算机图像识别提供了数字化识别方法的可能,通过现代 模式识别方法,将油液中的磨粒进行分类和统计,为在线油液分析技术提供快 捷的方法和可能。 国内外正在开发的以图像识别为基础的在线监测系统中存在共同的缺点, 就是不能即时保证采集的图像是清晰的,可供进行相关分析,需要对光源的功 率进行手动的调节。 本文选取了在线油液监测中的一个方面,即为计算机图像处理提供清晰的 武汉理工大学硕士学位论文 图像源。众所周知,不同的机械使用不同型号的润滑油,而且在设备的不同状 态下润滑油的状态有所不同,因此不同的润滑油对光的透射性也不同,为了在 任何状态下,始终能够保证采集到的图像边界清晰,故而提出本课题。 通过实验对不同的润滑油的透光性进行分析,确定出一个光强的量化参数, 然后以此参数为参照,对不同的油样进行同样量化,确保透射过足够的光以达 到形成清晰图形边界的目的。由于在实验中,采取通过单片机进行自动的强度 校核的办法,从而尽可能的避免了人为因素引起的偏差,更有利于在计算机上 通过图像识别的方法对采集的图像进行分析,更精确的确定磨粒成分及含 量, 更准确的判断设备所处的状态,制订下一步的维护修计划。 .国内外光传感技术在油液监测中的应用 光传感器按工作原理主要可分为“干涉型”和“强度型”两大类,其中, “干涉型”是一种利用被测对象对敏感元件的作用,导致光经过敏感元件时, 其相位发生变化的光传感器;“强度型”是利用被测对象对敏感元件的作用, 使 通过敏感元件的光强度发生变化的光传感器。 光传感器与传统传感器的最大差别是:用光而不用电来作为敏感信号的载 体。光的传播特性决定了其具有很好的抗干扰能力,环境适应性好,可在高电 压、高温和强腐蚀的环境中使用,另外响应速度快,易获得高灵敏度和动态范 围大,且体积小,易于对监控对象实施监测。 光学方法进行油液监测包含光学方法测量油液的污染度和光学方法测量油 液磨粒成分等几种。 光学方法测量油液污染度原理:激光入射到具有一定粒度分布的颗粒时将 出现夫琅和费衍射现象【。当光照射到悬浮液时,一部分被吸收,另一部分则 发生散射,剩下的直接穿过油液,被光敏接收元件接收。当入射光的光强一定 时,通过测量分析输出的光强可以得出油液的污染度。此方法尤其适用于煤 矿 机械液压系统油液污染状况的监测田。 是一类专门用于失效分析的光学油液磨粒监测 器他可以直接测出油液磨粒成分。其基本工作原理:从样品瓶中或从主油路中 吸取少量油液作为代表性样品送至在线处理器。使油液通过一个合适的观察池, 在观察池的背面用一个脉冲激光二极管进行照射,透过油液的光在一架电子照 武汉理工大学硕士学位论文 相机上成像。分析所得图像可以获得磨粒信息,对数以千计的图像进行分析可 以确定油样的特性。对于尺寸界于岬和?以上的磨粒能够测出磨粒浓 度。对于每个磨粒,可以计算出最大和当量直径。仪器通常用最大直径表 征磨粒尺寸。对于岍以上的磨粒,还可以算出形状特性并把按磨损类型分 类 。磨损分类是根据专门为系统开发的人工神经网络做出的【“。图? 表示的基本工作原理。光学磨粒监测器通过分析润滑油和液压油中的 良性和活性磨粒,可以提供关于机器失效类型、严重程度和发生速度的信息。 图? 的基本工作原理图 基于 的间歇式处理器已由洛克希得.马丁公司战术防务系统 部开发成功并安装在舰上。现阶段洛克希得.马丁公司进行的工作有: 对船用使用程序进行基准化,促使甲板过程设施,颗粒浓度与磨损关联, 以及通过分析这些信息,建立机器状态评价程序,用于支持维修诊断和设备的 集成到专家系统中,通 状态检测,并且公司将 过网络对不同检测方法发射光谱、红外光谱、铁谱等仪器进行信息融合分析 】。 目前国内没有现成的仪器,主要有南京航空航天大学发动机故障研究所正 在研制的基于计算机视觉原理的油液污染在线检测系统,它由大部分组成: 流体取样通道、光学成像系统、图像采集、处理等。其工作原理是:在流体通 道中,通过微量泵将油液从取样瓶或系统在线取样引出,缓慢通过样品池器件 中的狭缝流体通道,在垂直样品池狭缝方向,放置光学显微成像系统,对流过 样品池狭缝的油液中颗粒进行实时成像。流体中颗粒物经放大成像后,通过高 速唱 获取图像信号,经图像采集卡,转换后, 武汉理工大学硕士学位论文 送入计算机进行处理。计算系统将采集的颗粒图像通过软件分析,对颗粒的形 貌特征进行识别,判断机器系统磨损类别、磨损程度和确定油液污染度,确定 机器的磨损机理,从而实现系统的磨损状态监控、故障趋势分析和诊断四五。 其原理如图.所示。 图.基于计算机视觉原理的油液污染在线检测系统原理 对于润滑油污染度进行检测是了解设备工况的重要方法之一,仪器的设计 要遵循信噪比高,测量动态范围大和线性度好的原则,而且满足使用方便,价 格低,具有高的分辨率和高的光学效率的要求。在众多测试方法中,光传感技 术具有非接触、粒径范围大,实时在线测量等优点,是颗粒测量中最具生命力 和应用前景的方法。由于其自身具有高的抗电磁干扰能力,不受温度等的影响, 因而在油液监测领域具有极好的应用前景。 目前,光传感技术在油液监测中主要应用在温度、流量、流速、液位和压 力等物理量的测量。 .课题来源及本文主要工作 本文的研究内容得到湖北省自然科学基金项目“集成式在线油液监测方法 与策略研究”的资助。论文的主要内容是在分析基于在线磨粒监 测技术和光功率自动调节技术的监测方法和实现技术基础上完成的,同时论文 各章节的内容均是围绕基于激光传感的在线监测传感器的研制为中心而逐步展 开和深入的。主要研究内容包括: 武汉理工大学硕士学位论文 第一章,绪论。分析和总结了在线油液监测技术的特点,详细论述了国内 外关于在线磨粒检测技术的原理,同时描述了磨粒数字化分析方法的发展状况。 第二章,在线油液监测的设计原理与系统分析。主要说明了在线油液监测 传感器的设计原理及对应的系统分析,并进一步说明了磨粒图像采集及数 字化图像分析的可行性。 第三章,在线油液监测装置的设计。在本章阐述了传感器部分的设计,包 括油样采集装置的重要组成部分??油池的设计、此外还有光源的选型原则, 光路的结构设计等,并从磨粒采集的过程简述了磨粒参数采集方法和工作流 程。 第四章,单片机。着重介绍了单片机的选用原则和所选的模块的 接口信息及相关的电路。 第五章,系统设计与测试。在这部分内容里,主要讲述了实际设计中 单片机的接口电路,具体分析了模糊控制器的具体的结构设计,规则设计和 论 域、量化因子的选择等,并制定了模糊控制的模糊控制表,进行相关实验,确 定传感器设计的整体效果。 第六章,总结与展望。对全文进行了总结,对该实验方法提出了展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第章在线油液监测的设计原理与相关分析 在本章叙述了课题用到的在线油液监测的设计原理及相关的分析,确定了 所采用的方法的可行性。分析了针对不同的油样可采取同样的传感器的可行 性, 设计了监测系统的总体结构,进一步阐述了本课题的研究的意义。 .系统基本原理 摩擦副在运动过程中,存在着力的作用,由于机械零件表面的不平整,加 上机器所处的工况不同,会产生磨损颗粒,如果摩擦副位于机器设备的内腔, 磨损颗粒将掉入润滑油中。在机械润滑系统中,磨损颗粒可以表征设备的磨 损 状态。磨粒形成机理的研究表明:不同的磨损形式会产生不同种类的磨粒,不 同种类的磨粒具有其自身的特征。磨损颗粒作为磨损过程中的产物,直接反映 了发生磨损的微观机制;磨损颗粒携带着有关磨损的大量而丰富的信息如数 量、形状等;通过对这些信息的数据处理,可以得到相应的表征磨损的参数。 正常磨损状态仅有微小磨损颗粒存在,设备发生异常磨损则会伴随有大的 磨损颗粒如滑落碎片、烧蚀磨粒等出现,一旦大的磨损颗粒出现,则会在 短时间内会造成设备的严重损坏。因此通过对润滑油中的磨粒浓度和尺寸分布 的在线监测可有效地预防故障的发生【。 目前,有关润滑油的品质常用污染度等级来表示。有五种污染等级分类体 系可供使用,它们是,,,,“.. 标准。 污染度等级是由油液中含有某一确定尺寸的颗粒数来表示。它通常 由污染颗粒的大小系列及其颗粒的数目来确定。可用显微镜或者用电子颗粒计 数器来获得污染度等级结果。对于污染物浓度大于/,或者非常混浊的油 液,其污染度只能由污染物重量来决定重量分析法,无法对单个的污染物颗 粒进行分级【 】【”。因此,可以通过对其量度的测量或者是重度的测量,从而确 定其污染等级。 在本课题所设计的系统中,采用了计算辅助图像处理的方法计算污染颗粒 的大小系列及其颗粒的数蟊方法来确定其污染等级的。 目前有几种光学检测方法如光学干涉、光密度调制、光学偏振调制、波长 武汉理工大学硕士学位论文 调制等方法应用于油液监测技术中,但现场监测中使用的仪器还很少,且 现有仪器主要应用于温度、流量、流速、液位和压力等的监测。 在众多测试方法中,光散射法具有非接触、粒径范围大,在线实时测量等 优点,是颗粒测量中最具生命力和应用前景的方法。利用激光作为传导介质的 光传感器技术以其抗干扰,不受温度、电磁等影响而具有极好的应用前景。基 于激光传感技术,结合计算机图像处理技术,本文提出了计算机辅助图像识别 的激光技术监测污染物状态的传感器设计,以即使检测润滑油的污染状况,并 进行相关试验分析。 油液的光学特性在很大程度上受其内部悬浮颗粒污染物的影响,用浑浊度 可描述油液中颗粒对油液透光性的影响程度。由于油液的浑浊度与其中的颗粒 污染物总量有关,因而,通过测定油液的浑浊度可以半定量地评定油液的污染 度。 .系统分析 。.基本光学理论一反射、折射 光是一种频率极高的电磁波。一束光在空间传播,在某一点观察时,光波 的电场和磁场都随时间作交替的变化,电场或磁场变化中的最大值岛或凰,称 为电场或磁场的振幅,也称为光波的振幅。振幅愈大光波愈强,或者说光强度 愈大。振幅是表示光波强弱的物理量【”。光强度正比于振幅的平方。其表示式 为,露。 光可以在许多物质中传播。这些光学介质或材料各处的性质主要是指光的 速度相同时称它们为均匀介质.如空气、真空、光学玻璃、洁净的水等等。光 在均匀介质中沿真线路径行进,这就是光的直线传播定律。古代用烽火台传递 信号,就是利用光直线传播的原理。 ...光的反射定律 光线在两种介质构成的分界面上会发生反射,如镜子,平静的水面等。反 射定律的内容为:反射光线和入射光线与法线位于同一平面内,分列于法线两 。 侧,入射角等于反射角【【 武汉理工大学硕士学位论文 ...光的折射定律 光在真空中传播速度为×州,在其他透明介质中的速度都比小。 将光在介质传播速度与真空光速的比值称为该介质的折射率, 疗, . 按照以往的实验得出的结果胛/,.。 光在两种透明介质组成的界面上,一部分光发生反射,服从反射定律;另 一部分光折射进入第二种介质,服从折射定律。光线入射到折射率为和 啦的两种介质的分界面上,光线发生了如下的变化:其中一部分在竹与 的交界面发生了反射变成’,另一部分折射进介质月?,?,为分界面的法线方 向,变成了光线,如图.所示】。入射角和折射角存在着如下的关 系: 坠:旦 . ‘ 月 ”,,地为物质对应的折射率。 龟\/芑。 太氇 一 图一光线的反射与折射 图. 实验系统的透光分析 ..实验系统的光学分析 如图.所示,光在经过油池时,一部分在金属磨粒表面经过了反射,另 一部分又在半透明污染物的折射,反射或折射回的光又进行了若干次的反射 和 折射直至穿透油池。因此,其机理相对较复杂,但是按照光强度理论,光的能 量减少是由于振幅的减小,且正比于振幅。所以有,油液的浑浊度与其中的颗 武汉理工大学硕士学位论文 粒污染物总量有关,通过测定油液的浑浊度可以半定量地评定油液的污染 度。 . ?踟定律 图?所示光强为厶的平行光柱,入射 厚度为的吸收物质设材料是均匀的、线 性的,故光强的减少与厚度成正比,与入射 光强厶成正比后,透射光的光强减弱为西, 设入射到物质内部元层上的光强为,由 掣址 它透射后的光强为,以,这一元层所吸收的 光强应与』成正比,即: 一或口一瓦 式.、.中岱为吸收物质的吸收率奶均匀介质中口是常 数。它表示吸收介质的单位厚度所吸收的入射光强的分数。式.、,中负 号表明通过吸收层厚,光强是减弱的。为测量光程,最大光程长为,。 将式.积分,并考虑到在均匀介质中口是常数,可得 ?, ,孚一肛 或,,』护刮 . 这就是.吸收定律四。式.、.表明当吸收层厚度按算 术级增加时,光的功率密度按几何级数减弱。物质的吸收率取决于该物质的 性 质,并与波长有关,而与入射光的强度及物质的厚度无关。 当光线通过浑浊液体时,光被浑浊液体中的悬浮物质的吸收量与液体中单 位长度光波路程上的吸收分子数目成正比。因为单位长度上吸收分子的数目 与 浑浊液体的浊度成正比,所以吸收率口也就与浊度成正比。 吸收率口的数值的大小,可以说明光波通过物质时光强损失的多少; :.?仃:互? .武汉理工大学硕士学位论文 吸收率口的数值的大小,可以说明光波通过物质时光强损失的多少; 口?盯兰? 但. 式.中世为消光系数,表征每个颗粒对入射光的散射量,是粒径、波长 及颗粒相对于介质的折射率的函数;?为颗粒个数浓度:为颗粒直径;一为 颗粒迎光面积。 对于多分散颗粒系统,式.可写作求和形式。对式.求对数并用求和 形式表示具有一定粒径分布的多颗粒系统,则可写作: . 三”争:三兰研?世五,, 其中:州为颗粒相对于周围介质的折射率,表示直径为,的颗粒个数, 当用表示颗粒的比重,则颗粒重量频度与颗粒数目尺寸分布关系表示为: . 彤导珥脚‘ 将式,代入式.,在单一波长入射的情况下得到式. 四 昝萋争仉岫, 中变为沁即可,/表示波长个数,为常数【。 若用多波长则可将式. 本章小结 分析了磨损颗粒尺寸、形状与磨损故障的关系,磨损颗粒的粒度大小、磨 损颞粒来源及形状等基本特征。分析了磨损过程与磨损颗粒数量变化及大小 分 布的关系。利用油液中悬浮颗粒对透射光的吸收与透射作为检测机理,采用 光 透射原理对油液的污染度进行监测并对系统采用的测量方式进行了分析。 武汉理工大学硕士学位论文 第章在线油液监测装置的设计 在第二蕈里对在线油液监测的原理,做了理论上的介绍,在本章里,针对 监测的环节,包括光源的发生,油池的设计,激光的采集进行了进一步的介 绍。 .监测装置的整体设计 目前,在常规的油液监测中,一般采用离线方式进行测量,实时性差,如 何开发在线式磨粒采集装置一直是国内油液检测关注的热点。在本设计中,设 计的磨粒采集装置是在显微镜下直接观察油液中磨粒形态和运动,也可以观察 磨粒边缘形态以及磨粒表面纹理,还可以通过成像系统在计算机上再现磨 粒形貌,同时通过计算机分析磨粒的类型,进而判别磨粒在机械零件生成的部 位及其形成的原因,具体如图.所示。 \ 、 \ 一’、、 一一 【 ~。~卜 , / / // / / 简 图.在线监测装置器件总体设计图 .油样采集烧杯,.导流管,.热缩管,.光源,,聚焦镜,一油液磨粒监测油池,. 热缩 管,.导流管,蓟管采集的油液放于此容器,一放大镜,.成像系统,】.数据 线,.计算机,.单片机处理单元,.光电转换模块 :』武汉理工大学硕士学位论文 激光光源发出的光,经过分光装置,将其分成功率相等的两束光。两束光 透过油池后,一束透过显微镜,最终在上成像,被计算机采集成图像,以 供分析使用。另一束光透过油池后到达功率测量装置,根据已有的数据,确定 激光功率值的高低,如果功率不满足预定的功率,则在模糊控制系统中。按照 已经建立好的模糊控制矩阵模型对激光功率进行调整,直到满足初始设定值 为 止,并将这一功率保持下去。随着油样中磨粒成分的变化,可能出现到达激光 功率测量装置的光强再次不满足预定值,模糊控制系统则对其进行再次的调 节, 具体 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 如图.所示。 图.监测系统模块图 武汉理工大学硕士学位论文 .采集装置的总体设计 磨粒采集装置由部分组成:流体 取样油路及油池如图?所示、光 学成像系统、图像采集与处理等如图 ?所示。其工作原理是:在流体通道 中,通过微量泵将油液从取样瓶或在线 取样的旁管引出,缓慢通过样品池器件 中的狭缝流体通道,在垂直油池的上方 放置光学显微系统以及成像系统,对油 图?取样油路及油池 池中颗粒进行实时成像。流体中磨粒经 获取图像信号,经图像 放大成像后,通过高速瑁 采集卡/后,送入计算机进行处理。计算机系统将采集的颗粒图像通过 软件分析,对颗粒的形貌特征进行识别,判断机器系统磨损类别、磨损程度和 确定油液污染度,确定机器的磨损机理,从而实现系统的磨损状态监控、故障 趋势分析和诊断。并在显微镜附近安装一个流体的回收装置或是通过微量泵 将 油液重新汲取回原系统中。 ..油池的结构设计 为了实现上述目的,设计了一种用于油液磨粒监测的油池,包括下玻璃板、 上玻璃板、挡块、导管,两挡块分别相间隔位于上玻璃板与下玻璃板之间, 两 挡块分别与上玻璃板、下玻璃板相粘接,两挡块之间的间隙构成油道;两导管 分别位于油道的两端并密封粘接相互连通,其中,中间夹层玻璃厚度大约为 ,能保证大部分油液中的磨粒通过。磨粒监测油池分为两大类,固定式油 池和可调式油池。 ...固定式油池 固定式油池包括下玻璃板,夹层玻璃,上玻璃板,通过粘胶固定玻璃片, 其中夹层玻璃与上玻璃板,下玻璃板之间采用粘结剂粘连,其剖面图如图?武汉理工大学硕士学位论文 所示,实际油池如图.所示。固定玻璃片与下玻璃板之间同样采用粘结剂粘 连。导管与上玻璃板的两个端面相对齐,然后用特殊的粘胶粘连,同时使之与 左右的固定玻璃片相粘结,以确保其具有足够的塑性,以免在使用过程中将其 折断。导管与上玻璃板的端面和下玻璃板的顶面相互紧密接触的,油液中的磨 粒可以通过油路进入显微镜下的油池,能在显微镜内观察到磨粒的分布情况, 以便于使用对经过的油液进行图像的采集,对其中的磨粒成分分析。 图,固定式油池油腔剖面图 。导管。.下玻璃板,一带塑性的奉占胶,.上玻璃板,.油路通道 ...可调式油池 由于油液中的磨粒的大小有所不同,而油池的高度可能会与磨粒大小产生 冲突,使磨粒不能顺利通过浊池,导致磨粒堵塞油路,影响监测工作的正常进 行,这时需要通过人为调节油池的高度,让大的磨粒通过,或者当磨粒堵塞油 路的时候,需要调节油路的空间,让堵塞的磨粒流过油路,保证仪器正常工作。 可调式油池主要包括下压板、下玻璃板、橡胶围裙、“”形上玻璃板、粘 胶带塑性、固定玻璃片、导管、上压板、螺栓及相对应的螺母等几大部分, 如图?所示。 为了保证油池空间可调性,通过调节螺栓、螺母之间的压力让橡胶围裙能 够压缩,又由于橡胶本身的弹胀和恢复能力,保证螺栓能够调节油液通过油池 的空间大小,从而适应不同磨粒大小范围的油样。 武汉理工大学硕士学位论文 图. 可调式油腔剖面图 .导管,.带塑性的粘胶,一螺栓,一上压板,.“”形槽 .上玻璃板,.下玻璃板,.下压板,.螺母 .光散射对油池成像的影响 光强度的减弱,即光通量的改变或透光强度的变化均可以认为是由两个因 素造成,其一是介质对光的“真正吸收”,即光能量转变为介质分子的热运动能 量,损失小部分光能量,其二是细小微粒杂质散射作用,散射的光能量占了大 部分。因此选择光源主要考虑因素:对油液固体颗粒污染物要敏感,且在所选 波段内,油液颜色对光波吸收要尽量小:考虑光的功率,选定的波长在油液中 衰减要尽可能的小】,具体的光的波长的选用方法在本章的后面部分做了详细 介绍。 ..显微镜下的油池中磨粒的运动状态 目前,油液磨粒图像的采集的仪器大部分借助于显微镜,由于显微镜是比 较精密的光学系统,放大的效果较好,但是很少设计一个油路直接通过显微镜, 而是采用一体化的设备,如在线监测仪,可以通过一些光路采集一些 武汉理工大学硕士学位论文 数据,有时需要直接观察磨粒的运动方式,但这些需要设计一个专门的针对现 有的显微镜设计独立~个浊路,以能够比较方便的安装和撤换,同时不需要对 显微镜进行很大的改造,可以直接的在显微镜下观察。通过计算机处理,可以 分析磨粒的特性:油液中的磨粒在没有磁性条件下的沉淀机理;在没有 磁铁的情况下分析在一个视野单元里磨粒的数目:分析油液粘度对磨粒运动 影响及其规律。分析光源对油样透射的影响,寻找油样光源与透射率之间的相 互关系,为研究在线仪器的提供磨粒的数字化、定量化方法。在显微镜实验室 条件下,是详细研究油液中磨粒运动状态基本条件,也为油液诊断与状态监测 的可视化观察打下基础。 在封闭腔内,流速快的部分要加速与其相接触的流速慢的部分,而流速慢 的部分要减小与其相接触的流速快的部分,流体的这种性质,称为粘性。根据 这~理论可以得出油池中正常状态下油液的受力分布。 ..水平油池中的磨粒受力分析 按照经验,在油液中,流体流速均匀,且在油池内部近似呈抛物线分布, 假设油池内的磨粒均为金属磨粒这样可以排除由于不规则受力引起对分析 的 影响, 不 怒且飓爪下删弛州又/俣型,川尉一‖ 兰?、 。爪 户, 疥 . 、 少岁.,, 二 / , 图水平油池中的磨粒受力图 油池中的磨粒受到力分解为浮力毋、重力、升力,、油液的冲击力乃, 还有油池底部对磨粒的摩擦力日,这些因素综合起来影响固体颗粒受力特 性。 当大部分的颗粒游离在油液中,即,尸,且有 伊憎 . 对于密度较大的金属磨粒,磨粒在重力的作用下附着在油池的下表面,磨 粒受力如图.所示,且有 武汉理工人学硕士学位论文 . 尸,毋斤一,增 尸尸,丫 . 其中,为摩擦系数。 从分析中我们可以看出,很多情况下,由于磨粒密度较大,会导致磨粒在 油池底部进行沉积,大量的磨粒堆积最终会导致油池的堵塞,影响系统的正 常 工作,不利于在线监测的进行。 同时,我们在相关实验中也可以看到许多大磨粒沉淀在油池中,严重阻碍 了油池的畅通,更加证明了我们的结论。 ...竖直油池中的磨粒受力分析 按照与水平放置油池做相同的假设,则在竖直油池 中磨粒的受力分析可如图.所示。 油池中的磨粒受到力由浮力丹由于上下表面的流 体的速度差,引起的、重力、升力、油液的 冲击力乃几部分组成,且存在以下关系: 挣培厅 . . 毋 由式.可知,如果,与磨粒的重心不是在同一 点,会造成磨粒在油池中的滚动,同样可能会堵塞油池。 但由于油池是竖直放置的原因,如果上面继续有磨粒去 挤推该磨粒,由于重力的原因,会促使堵塞的磨粒进一 步向下运动,最终流出油池。 实际测试中,对竖直放置的油池,进行图像 图.竖型放置油池中 的采集发现,竖直放置油池的效果要明显好于水平放置 的磨粒受力图 油池的效果。 ..油池的放置方法对磨粒运动状态的影响 在线油液采集中,根据以上的分析,不同的油路方案对磨粒的采集效果有 所不同,特别是水平放置和竖直放置油路。水平放置时,油液比磨粒运动的速 武汉理工大学硕士学位论文 度快,油池中磨粒靠油液的拖曳力运动,这时的油液的剪切力是磨粒的动力; 竖直放置时,磨粒在重力的作用下,磨粒和油液的运动的速度相当或者稍快 一 些,这时,油液的剪切力与物体的运动的方向相反,可能阻碍物体的运动。在 油液中的磨粒在各种力的作用下,会导致沉淀,如果利用这些特性也会帮助 油 样的磨粒采集。 综合上面的两方面的原因,我们总结出了利用竖直放置油池的方法对其进 行的采样,这样可明显提高监测设备的可靠程度。 .光源的选择 ..油液颜色的影响 由于光学测量受油液颜色的影响比较大,所以测定样品中颜色的不均匀性 可能导致数据的波动。造成测量误差。图.反映了采用不同波长的光源下透 光率发生变化的情况【,可以看出当油液型号不同时其透光率变化量大小不 同, 而在不同的波长范围透光率变化也很大。 ? ? ? ? ? ? ? ? 神 坩 \瓣粤润箸罂 ? ?韧?口啪’口嘲钥 / / 图.不同波长下纯净油和杂质油透光率曲线‘ ..不同玻璃对光吸收的影响 一般玻璃特别是光学玻璃在可见区域几乎没有吸收,只有小部分由于 散射产生的损失。在红外区域出现一系列由于分子振动引起的特征吸 收带。根据这些光谱带可确定分子的化学键的特性及其相互作用,因此可作 为 结构分析的有力工具之一。 图.给出了不同的玻璃在对光的透射程度】图中巧代表不同的玻璃茎堡堡三 奎堂塑主堂垡堡苎 类型,丁代表玻璃的透光率,在图中可以看出,光波波长超过之后,玻 璃对光的透射能力达到了%左右,基本上符合我们的对玻璃透射率的要求 .透光率的影晌因素 透光率的变化可认为是由 两部分产生,一部分是由于油中 添加剂浓度和杂质颗粒的影响。 任何小的颗粒与油混合后都会使 油液浊度提高而透光率降低。这 种引起变化的原因属于检测的主 要部分。不同的油的添加剂及其 添加剂浓度不同,同样可以从图 .中看出当油液型号不同时其 透光率变化量不同,且在不同的 波长范围透光率变化也很大。 图.几种光学玻璃对光的吸收 另一部分则由其他因素引 ./:/;/; ./:,:/ 起的,如光源的电压波动、外界 杂散光以及分光不均匀引起的振 动等干扰也将导致测量结果的不稳定。 ..光源波长的选择 由图.不同样品的油液的透光曲线可知,脚左右的光对油液的透射 能力摄好,而且在图.中对玻璃光线的透射能力也很好。 由于其成本和通用的原因,在非特殊要求下,发光二极管应用较 为广泛。 一发光原理 发光二极管是由.?族化合物,如砷化镓、磷化镓、 磷砷化镓等半导体制成的,其核心是结。因此它具有一般.结的 特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发 武汉理工大学硕士学位论文 光特性。在正向电压下,电子由区注入区,空穴由区注入区。进入对 方区域的少数载流子少子一部分与多数载流子多子复合而发光,如图 一所示。 假设发光是在区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光, 或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。除了这种发光复合外,还有些 电子被非发光中心这个中心介于导带、介带中间附近捕获,而后再与空穴 复合,每次释放的能量不大,不能形成可 见光。发光的复合量相对于非发光复合量 的比例越大,光量子效率越高。由于复合 是在少子扩散区内发光的,所以光仅在靠 近结面数岫以内产生。 理论和实践证明,光的峰值波长与 发光区域的半导体材料禁带宽度又称为 能隙&有关,即 . 五:誓。半圳 、 /一?一“ 图.发光原理图 其中,为普朗克常数,为光速,矿 为外加电压,的单位为电子伏特”。由于不同材料的禁带宽度不同,所以 由不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光。另外,有些材料由于组 分 和掺杂不同,例如,有的具有很复杂的能带结构,相应的还有间接跃迁辐射 等, 因此有各种各样的发光二极管。若能产生可见光波长在紫光~啪 红光,半导体材料的应在.~.之间,表.给出了不同半导体材 料所能产生的波长,图.给出了不同材料的发光二极管对应的峰值波长。 表.可见光材料分类及特性】 色光 基板 发光层 波长 光度红外光 . 红光红光 红光 红光 . 红光. .? 红橙光 . 橙光 武汉理工大学硕士学位论文 二的特性 .极限参数 主要包括允许功耗,最大正向直流电流。,最大反向电压。,工作 图. 发光管及光电管光谱分布区域图 环境温度。。,在工况条件超过了 允许的范围,将导致失效或者是 直接的物理损坏。 .电学参数 主要包括光谱分布,发光强度, 峰值波长,正向工作电流,正向工作电 压等,其中光谱分布是指某一个发光二 极管所发之光并非单一波长,其波长大 体按图.所示?为光谱半宽度。 发光管所发之光中某一波长知的光强 渤鳓瑚鞠枷啪 最大,则称该波长为峰值波长,如图 鼗撼蕾 .中的峰值波长为姗。 图.光谱分布及峰值波长图 由表.、图.,.以及不同 光在空气、油液、玻璃中传播的特征,最终选用型的光源作为传 感器的发光光源,其峰值波长为,?为,最高功率为,光斑 直径为,完全可以满足我们在显微镜下使用的要求。 武汉理上大学硕士学位论文 .. 发光二极管驱动电路 是~种自发射光源,发 光直径超过经过聚焦放大 后。的等效电路如图? 所示,其基本元件包括一个串联 ..光接收电路 光接收电路主要由光敏二极管、前置放大电路和滤波电路组成。光敏二极 管接收从油液中透射出的光信号然后将其转变成电流信号;前置放大电路将 光 电二极管传来的微弱电流信号进行放大,然后通过滤波电路后再对信号进行 二 级放大。 ...光敏二极管 光敏二极管 可以产生与光照 强度成正比的微 小电流。光电二极 书羹铂针 管的等效电路如 图?所示,其基 图?光敏二极管等效电路 本元件包括一个 并联电阻、并联 电容和具有通常电压一电流关系的理想二极管。武汉理工大学硕士学位论文 光敏二极管既可用零偏嚣工作光 加 伏模式,也可用反偏置工作光导模式。 光伏模式能实现最精确的线性工作,而光导模式则能实现较高的切换速度, 但要牺 甄盘 牲线性。根据本文的特点,光电二极管选 哇 用零偏置工作光伏模式工作。 光敏二极管基本特性: 。 光谱特性 ..在入射光照度一定时,光敏二极管 口心 的相对灵敏度随光波波长的变化而变化, 一种光敏二极管只对一定波长范围的入 图.光敏二极管的光谱特性 射光敏感,这就是光敏二极管的光谱特 性,如图?所示。 从曲线可以看出,不同材料的光敏二极管,光谱峰值波长不同。硅管的峰 值波长为.?左右,锗管的峰值波长为.左右。由于锗管的暗电流比硅 管大,因此锗管性能较差。因此在探测可见光或赤热物体时,多采用硅管,我 们在实验中所采用的硅管的对 波长的光的灵敏度为%,且周围没 有近似波长的光干扰,因此测量较为 稳定。 温度特性 温度的变化对光敏二极管的亮 电流影响较小,但是对暗电流的影响 却十分显著,如图?所示。因此, 光敏二极管在高照度下工作时,由于 亮电流比暗电流大得多,温度的影响 相对来说比较小。但在低照度下工作时,因为亮电流较小,暗电流随温度 一输出电流,.暗电流 变化就会严重影响输出信号的温度 图.光敏二极管的温度特性 稳定性。在这种情况下,应当选用硅 光敏管,这是因为硅管的暗电流要比锗管小几个数量级。同时还可以在电路中武汉理工大学硕士学位论文 采取适当的温度补偿措施,或者将光信号进行调制,对输出的电信号采用 交流 第4课唐朝的中外文化交流教案班主任工作中的交流培训班交流发言材料交流低压配电柜检验标准小王子读书交流分享介绍 放大,利用电路中隔直电容的作用,就可以隔断暗电流,消除温度的影响。 在我们选型中,把温度尽可能的控制在度以内,以尽量避免暗电流带来 的损耗。 此外,衡量光敏二极管的参数还有伏安特性、光电特性和频率特性几个重 要参数,就不在此一一叙述了。 ...前置放大电路和滤波电路 透过浑浊油液的光线含有浑浊油液中悬浮颗粒的信息,从浑浊油液中透射 出的光通过光电二极管将光信号转换成电流信号。但是光线透过浑浊油液后由 光电二极管得到的电流微弱,因此需要采用微弱信号的检测技术。这里,对光 电二极管输出的电流信号需要进行放大处理。一个保证信号可靠放大的的前置 放大电路对检测信号的处理很重要,它关系到所有的后继处理过程。 根据微弱信号检测理论,前置放大器的精度、稳定度、灵敏度直接决定整 个系统的性能指标,因此,前置放大器的设计对一个系统来说极其关键,它必 须具有在强噪声条件下接收微弱有用信号的能力,并能放大有用信号,这关 系 到后面的采样处理过程。 滤波电路主要分为低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波电路四大类。 在本设计的实际电路中采用的是低通滤波电路,郊保证低频信号的正常通 过, 同时消除高频信号噪声带来的干扰,以保证系统的可靠性。 具体前置放大电路和滤波电路的设计在本文以后的章节里做了详细的介绍。 .光路结构设计 ..传统单通道测量结构武汉理工大学硕士学位论文 透镜 图.单通道测量图 传统的单通道测量结构由光源、透镜、放大镜、成像、数据处理 等部分组成如图.所示。 在图.中,由光源产生的光经过透镜聚焦将光引入测量区域,即布置于 光路上的油池。在油池的另一侧安装了放大镜,放大镜的镜头直接和采集 系统相连接,经过采集的图像被计算机上的图形采集卡采集,在计算机上 对现有油液情况再现,经过软件来分析其油液中的颗粒成分。 在单通道系统中,由于现场中油样有所不同,所以针对污染严重的油液不 能确定最终到达放大镜的光强大小,从而不能保证采集的图像的质量,进 而影响进~步的数字化分析。所以需要手动对光源的电压或者其他相关参 数进行调解,以满足测量的需要。 ..双通道测量设计原理 由卜一啪定律可知,强度为』的入射光通过厚度为三的浑浊油 液,油液中的悬浮颗粒的吸收和散射作用,穿过浑浊油液的透射光光强减弱 到 。由定律得到的光强减弱公式具体推导见第章: 厶尼“‘ . 由式.可知,光强的变化同油液中颗粒的吸收和散射有关,进~步则与 油液的污染度相联系。 假设入射光光强为,由光敏二极管转挨的测量光路和参考光路的电压信号 分别为“和圪,则: 巧玛‘一哟‘’ . 腑‖”‘’ . 式.,.中,墨、是测量光路、参考光路和与之相应的光电转换的转武汉理工大 学硕士学位论文 换系数,、【分别是与光强无关的测量光路和参考光路的比例系数,工是两 个光路的测量光程两个光路的测量光程相等。式.除以式.,则有: ,, ,一一嘞’上 . % 由式.可以看出、岛以及三都不随油液污染度改变,传感器输出的信 号仅同?、啦有关。因此输出信号不受油液的颜色与透光率的影响;不需 要测定入射光强;式.中不含光源发光强度项,表明光源的不稳定性对输出 的信号没有影响口甜。 ..光学分光的方法 入 常用的光学分光方法有几种,一种是手 射 动分光,另一种是通过仪器进行分光。 ~ 手动分光主要是通过三棱镜将光分出不 同的等分,这种方法的缺点是分光不准确, 易受人为因素的干扰,且各个分光面要求严 格稳定,不能有震动,具体原理如图.所 示。 图.手动分光原理图 一棱镜,一反光镜,?反光镜 另一种方法是通过现成产品进行分光, 常用的有多模耦合器,其基本原理与手动分 光类似,但是已经封装在一个设备里,对震动各方面的屏蔽作用比较好,在实 际中使用较多。 由于本课题的研究对象的特殊性,考虑到实际的情况,如果用单一的手动 分光,系统的稳定性不便于进行控制如果使用多模耦合器进行分光,由于分 出来的光斑的直径仅在左右,远远不能满足实验中的需求,因此本课题中 提出了使用两个相同的光源发生器的设计思想。 设计思想的利与弊:通过使用两个相同的,光源发光,可以满足光源的 发光的光斑直径在蚴,可以满足成像的要求;但是,也存在一定的问 题,那就是,即使相同的元器件,按照相同的电路连接起来,其电学性能还是 会有所不同,这样可能造成了不同的光源在自动调节时候,存在着个体的差 异。武汉理工大学硕士学位论文 但是出我们这个双通道测量的原理可知,这些差异,并不影响实验的结果,故 而得以采用此方案。 ..传感器的设计 在上面分析了油池的放置方向, 光源的产生、接收电路,分光方法之 后,在部分我们具体设计了实验用到 的传感器。 图.中具体描述了该传感器 的结构,它由发光二极管、聚 焦透镜、光敏二极管大部分组成, 其中发光二极管的两个部分 共用一个电压,发光二极管发出的光 经过聚焦透镜后穿过油池,到达对面 图.传感器总体结构图 的透镜,其中一部分连接接入显微 发光二极管,支撑物,聚焦透镜 镜,经放大,采集后在计算机 .油池,.光敏二极管 上再现油池中磨粒的形貌,另一部 分,经过光敏二极管采集,转换成电信