白亞洲，郭瑞宇，盧繼霞，黃俊凱，程 煉，朱成現(xiàn)

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083； 2.紫光云技術(shù)有限公司，天津 300450)

引言

在液壓系統(tǒng)中，液壓油的清潔度直接關(guān)系到設(shè)備的可靠性和使用情況。有資料表明，液壓油污染引起的液壓系統(tǒng)故障占比高達(dá)七成，而其中80%的故障由液壓油中的固體顆粒污染物引起，所以對液壓油中固體顆粒污染物進(jìn)行檢測，對于延長液壓系統(tǒng)的使用壽命、了解液壓設(shè)備的磨損情況等具有非常重要的意義[1-4]。

油液中固體顆粒污染度的檢測方法包括重量分析法、顆粒計(jì)數(shù)器分析法以及半定量分析法等[5]。重量分析法是把被測油液中的污染物通過含有微孔濾膜的過濾元件過濾出來，通過計(jì)算過濾元件的重量變化來獲得單位體積油液中固體顆粒污染物的含量。這種方法原理簡單，但不能體現(xiàn)出被測油液中固體顆粒物的尺寸大小和分布，不便于進(jìn)行污染分析。顆粒計(jì)數(shù)器分析法是利用顆粒對光的遮擋引起的輸出電壓的變化來測量被測油液內(nèi)顆粒的尺寸及分布，該方法測試精度高，是目前應(yīng)用最廣泛的油液污染度檢測方法，但該方法容易受油液中氣泡和水份的影響。半定量分析法主要有濾膜阻塞法和電容法等，其中濾膜阻塞法又稱淤積法。測試時，保持濾膜兩端壓差恒定或通過濾膜的流量恒定，當(dāng)被測油液流經(jīng)微孔濾膜時，油液中的固體顆粒物會慢慢阻塞濾膜上的微孔，從而引起濾膜兩端流量或壓力變化，通過分析流量或者壓力的變化得出被測油液污染度。濾膜阻塞法不易受油液中氣泡和水份的干擾，檢測結(jié)果比較可靠。目前以濾膜阻塞法為工作原理的污染度檢測儀主要有美國Diagnetic公司生產(chǎn)的DCA便攜式油液污染度檢測儀、UCC公司生產(chǎn)的便攜式推裝型污染度分析儀、中國礦業(yè)大學(xué)(北京)研制的PCC型便攜式油液污染度檢測儀和DW1 型油液污染度檢測儀、Coulter公司生產(chǎn)的LCMⅡ型便攜式污染度檢測儀和美國PALL公司開發(fā)的PCM400 便攜式清潔度檢測儀等[6-7]。其中前4種儀器采用的是恒壓阻塞法，后2種儀器采用了恒流量阻塞法。此外，姚成玉等[8]以恒功率測量法研究了淤積堵塞型在線污染度檢測系統(tǒng)。由于濾膜阻塞技術(shù)不僅適合于對單相液體的顆粒污染度檢測，也適用于對含氣泡或水分的多相液體的固體顆粒污染度檢測，因此基于濾膜阻塞技術(shù)的儀器的開發(fā)必將具有很好的應(yīng)用前景。

隨著圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，很多人將其運(yùn)用到油液污染度檢測中，以提高油液污染度檢測的智能化。如2005年，李川等[9]使用掃描標(biāo)號算法對試片中的固體顆粒進(jìn)行檢測，通過CCD攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)數(shù)控顯微鏡載物臺，將顯微放大的圖像采集進(jìn)計(jì)算機(jī)，得出污染顆粒物的尺寸大小與分布情況。2014年，杜葉挺[10]采用模式識別對油液進(jìn)行磨粒分析，利用鐵譜儀獲取油液的鐵譜圖，采用支持向量機(jī)(SVM)分類器訓(xùn)練樣本，對磨粒進(jìn)行識別，從而獲得油液污染度?？梢钥闯鲭m然很多人將圖像處理技術(shù)運(yùn)用到油液污染檢測中，但尚未有人將液位檢測技術(shù)與濾膜阻塞技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行油液污染檢測。因此，本研究提出一種基于濾膜阻塞技術(shù)和圖像液位檢測技術(shù)結(jié)合的方法，通過圖像處理得出被測油液經(jīng)過微孔濾膜后流量變化情況，從而得出被測油液的污染度等級。

1 基于濾膜阻塞技術(shù)和液位圖像處理的油液污染度檢測系統(tǒng)工作原理

濾膜阻塞式油液污染度檢測系統(tǒng)總體方案如圖1所示。其工作過程分為取樣和測試兩步，具體為：

(1) 取樣：電動機(jī)4通過鋼絲繩5牽引帶動配重塊3和活塞桿7上升，待測液通過閥SV1進(jìn)入取樣缸2，完成取樣；

(2) 測試：電機(jī)4反轉(zhuǎn)，松開配重塊3的離合6，活塞桿7在配重塊3的自重作用下下降，待測液在恒壓作用下經(jīng)閥SV2和微孔濾膜8后進(jìn)入測試杯10，攝像機(jī)9進(jìn)行動態(tài)采樣，獲取測試杯10內(nèi)液位變化的實(shí)時信息。測試完畢，清洗微孔濾膜及測試杯，準(zhǔn)備下次測試。

1.待測液 2.取樣缸 3.配重塊 4.電機(jī) 5.鋼絲繩 6.離合7.活塞桿 8.微孔濾膜 9.相機(jī) 10.測試杯 11.背光板圖1 檢測系統(tǒng)的總體方案

電動機(jī)4選用ASLONGJGB37-545直流減速電機(jī)，工作電壓6～18 V；鋼絲繩5選用1×7單股繩類結(jié)構(gòu)304不銹鋼鋼絲繩；閥SV1、閥SV2為普通單向閥。微孔濾膜8由實(shí)驗(yàn)室采用化學(xué)鍍鎳的方法制備而成[11]；取樣缸2及配重裝置為自行設(shè)計(jì)，取樣容積可達(dá)到80 mL，配重裝置可以在測試時提供0.2～0.4 MPa的可調(diào)節(jié)恒定壓力。測試杯材質(zhì)要求透明，以便攝像頭對杯內(nèi)的液位拍攝，此處選用規(guī)格為30 mm×200 mm的玻璃試管；相機(jī)選用200萬像素的1080P工業(yè)USB攝像頭，1/2.7CMOS傳感器拍攝，圖像分辨率為1920×1080，拍攝的幀率為30 fps，拍攝周期為0.033 s；背景板為顏色較淺的白色紙板，光源選用LED燈。待測液由潔凈的10#航空液壓油和ACFTD標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)粉塵配置而成，呈棕紅色；選用15 μm微孔濾膜進(jìn)行檢測。

根據(jù)該檢測系統(tǒng)的工作原理可知，要想利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對油液污染度的定量檢測，首先要基于圖像處理獲得待測液通過微孔濾膜后的流量變化信息，其次要將該流量變化信息和油液中的固體污染顆粒尺寸分布建立聯(lián)系。

2 基于液位圖像處理的濾膜流量衰減曲線

基于濾膜阻塞技術(shù)在恒壓下對油液污染度進(jìn)行檢測時，通過濾膜的流量衰減與油液的污染度直接相關(guān)。由圖1可知，在測試杯橫截面積和測試時間已知的情況下，通過攝像頭實(shí)時采集測試杯內(nèi)液位上升的高度信息，便可以獲得待測液通過濾膜的流量變化信息。

攝像頭拍攝的液位上升視頻，其實(shí)是由一幀幀圖像組成的，而圖像的清晰度與污染度檢測精度息息相關(guān)。為了獲得高質(zhì)量的液位圖像，除了攝像頭及背光板、光源等物理裝置的選擇外，還需要經(jīng)過相機(jī)標(biāo)定、圖像去噪等圖像處理流程以消除干擾，便于液位線的準(zhǔn)確提取[12]。

2.1 相機(jī)標(biāo)定

在圖像測量和建模的過程中，相機(jī)拍攝的圖像屬于二維空間，我們真實(shí)的世界處在三維空間，為了確定二維圖像中的某一點(diǎn)與該點(diǎn)所在的三維世界之間的對應(yīng)關(guān)系，需要進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定。本研究采用經(jīng)典的張正友標(biāo)定法[13]，這種方法需要使用已知的標(biāo)定物來建立標(biāo)定物上已知的點(diǎn)在三維世界中的坐標(biāo)P(X，Y，Z)與該點(diǎn)在二維圖像空間上的坐標(biāo)p(μ,v)之間的對應(yīng)關(guān)系，該對應(yīng)關(guān)系可由下式來描述：

(1)

(2)

式中，s—— 尺度因子

α，β—— 圖像中單位距離上像素的個數(shù)

cx，cy——P在相機(jī)坐標(biāo)系下的點(diǎn)通過透視投影變換到相機(jī)的成像平面上的像點(diǎn)

R—— 旋轉(zhuǎn)矩陣

t—— 平移向量

f—— 相機(jī)的焦距

fx,fy—— 將相機(jī)的焦距變換為在x，y方向上的像素度量表示,fx=αf，fy=βf

k—— 相機(jī)的內(nèi)參數(shù)

根據(jù)上述的標(biāo)定方法，對本系統(tǒng)所用相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，可以得到相機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣k為：

2.2 圖像處理

相機(jī)采集到液位圖像后，需要對圖像進(jìn)行處理，包括灰度化、降噪、邊緣檢測[14]。

1) 灰度化

圖像處理的第一步就是把相機(jī)拍到的彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰色圖像。自然界的所有色彩都可以分解成比例不同的綠色、紅色和藍(lán)色3種顏色?？梢詫?種顏色的等級分別劃分為0～255共256個級別，每個級別代表這種顏色的程度，而將彩色圖像灰度化就是將這3種顏色中的每個等級值加權(quán)合并為一個值，只含有從白到黑的255個等級，不含有色彩信息?；叶然墓饺缡?3)，其中Ixy表示(X，Y)點(diǎn)處的灰度值，RGB表示(X，Y)點(diǎn)處的RGB等級。圖2為相機(jī)拍攝的裝有10#航空液壓油的測試杯的彩色圖像經(jīng)灰度化處理后的灰色圖像。

圖2 10#航空液壓油測試杯灰色圖像

Ixy=0.31R+0.59G+0.1B

(3)

2) 圖像去噪

圖像在拍攝、發(fā)送的過程中，總是會無法避免各種干擾和噪聲，使得圖像質(zhì)量變差，增大圖像處理的誤差。為了抑制圖像中的噪聲、消除圖像中的干擾，需要對圖像進(jìn)行平滑模糊去噪。本研究使用的USB相機(jī)拍攝的圖像有較多黑白相間的椒鹽噪聲，適用于中值濾波的方法對圖像進(jìn)行平滑模糊去噪，去噪處理后的圖像見圖3。與圖2相比，去除了大量的黑白相間的椒鹽噪聲。

圖3 圖像濾波 圖4 邊緣檢測

3) 邊緣檢測

為便于提取液位變化的特征信息，需要利用邊緣檢測的方法將圖像變?yōu)楹诎走吘増D。Canny算子屬于一階微分算子，是目前應(yīng)用最普遍的邊緣檢測算子[15]。本研究使用的10#航空液壓油為紅棕色，相對于白色背景板較為明顯，因此經(jīng)過濾波去噪后，可直接采用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測。邊緣檢測結(jié)果見圖4，可以看出Canny算子很大程度的保留了測試杯和液位的邊緣。

2.3 液位讀取

1) 確定ROI區(qū)域

經(jīng)過處理的圖像消除了大量干擾，液位圖像變?yōu)榱撕诎走吘増D，為便于液位讀取需先確定一個ROI(Region of Interest)區(qū)域，即液位線存在的大概范圍。對于本研究的檢測系統(tǒng)來說，液位只在測試杯的杯壁內(nèi)上下移動，因此這個ROI區(qū)域就是測試杯的杯壁。杯壁在液位圖像中是2條垂直的直線，可以采用圖像處理的方法進(jìn)行檢測，為滿足實(shí)時性的需求，采用形態(tài)學(xué)法來檢測2條杯壁[16]。圖5為獲得的測試杯的ROI區(qū)域。

圖5 ROI區(qū)域

2) 液位點(diǎn)讀取

經(jīng)過圖像處理后得到的液位并不為一條直線，如圖6a所示。液位的讀取有3種不同的方式，可以選取拋物線的上頂點(diǎn)(見圖6a中b所指液位)作為液位值，也可以選取中點(diǎn)(見圖6a中c所指液位)或下頂點(diǎn)(見圖6a中d所指液位)作為液位值。針對各種液位讀取方法，利用攝像機(jī)動態(tài)拍攝液位的實(shí)時變化，得到3種情況下的液位變化曲線見圖6b～圖6d?？梢钥闯鲈谝何坏某跏甲兓A段，不管選取哪個位置作為液位讀取點(diǎn)，液位值均連續(xù)變化，易于讀取。但隨著液位的上升，上頂點(diǎn)b(圖6b)和中點(diǎn)c(圖6c)2種液位讀取方式的實(shí)時液位檢測曲線出現(xiàn)了斷線、不連續(xù)的現(xiàn)象，會導(dǎo)致液位讀取不準(zhǔn)確。而選取下頂點(diǎn)d作為液位讀取點(diǎn)時，實(shí)時液位曲線連續(xù)變化，易準(zhǔn)確讀取液位值，所以選取下頂點(diǎn)作為液位讀取點(diǎn)。

圖6 3種液位線讀取方式及液位變化曲線

2.4 油液通過濾膜的流量衰減曲線

實(shí)時讀取出檢測過程中的所有液位點(diǎn)后，利用最小二乘法對液位點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，便可以獲得圖像坐標(biāo)下的液位高度變化曲線，再由相機(jī)參數(shù)及像素與實(shí)際長度的對應(yīng)關(guān)系，得到世界坐標(biāo)系下的液位高度隨時間變化的h-t曲線圖。由液位上升的速度與高度的關(guān)系v=Δh/Δt，可以求出液面上升的速度曲線v-t。因?yàn)闇y試杯的直徑已知，因此通過測試杯橫截面積便可

以求出液位的流量變化曲線Q-t。該部分的計(jì)算公式如下：

Δh=h1-h2

(4)

(5)

(6)

式中，h1，h2—— 世界坐標(biāo)系中相鄰兩幀液位上升的高度

d—— 測試缸的直徑

3 基于濾膜阻塞技術(shù)的油液污染度定量檢測理論模型

流量的衰減與被測油液的污染情況密切相關(guān)。要想準(zhǔn)確獲得油液中固體污染顆粒的尺寸分布，即實(shí)現(xiàn)對油液污染度的定量檢測，就需要將油液通過濾膜后的流量衰減與油液中的固體顆粒尺寸分布進(jìn)行聯(lián)系，即建立基于濾膜堵塞技術(shù)的油液污染度定量檢測模型。

3.1 通過微孔濾膜的流量與油液污染度之間的關(guān)系

在任意時刻t，通過微孔濾膜的總流量Q(t)可以寫成[17-18]：

Q(t)=Q1(t)+Q2(t)+Q3(t)

(7)

式中，Q1(t) ──t時刻通過濾膜全開口(未堵)孔的流量，mL/s

Q2(t) ──t時刻通過濾膜僅被大于微孔尺寸的顆粒堵塞后的孔的流量，mL/s

Q3(t) ──t時刻通過濾膜被不同大小顆粒堵塞后的孔的流量，mL/s

為了方便計(jì)算通過完全開口的膜孔的流量衰降情況，可假設(shè)膜孔只要被大于膜孔尺寸的顆粒堵塞，則該孔完全被堵塞。則根據(jù)達(dá)西定律有：

(8)

又：

(9)

當(dāng)t=0時，A1(0)=N×Am，積分后，上式可變?yōu)椋?/p>

(10)

聯(lián)立式(8)和式(10)得：

其中，

(12)

式中，Q0──t=0時通過濾膜的流量

A1(t) —— 全部微孔的總面積，cm2

Am── 每個膜孔的面積

Cd── 每毫升被測油液中不小于膜孔尺寸的顆粒數(shù)，個/mL

fd── 膜孔的一級堵塞系數(shù)

N── 膜孔的總個數(shù)

R1── 全開口的膜孔阻力，1/cm

μ── 流體的黏性系數(shù)，Pa·s

Δp── 膜兩側(cè)的壓力降，Pa

式(11)即為通過完全開口膜孔的流量衰減表達(dá)式。由該式可見，隨著膜孔的堵塞，通過全開口孔的流量以指數(shù)形式迅速衰減。若以T1來表示其衰減時間常數(shù)，則有：

(13)

同理，可計(jì)算出通過僅被大于等于膜孔尺寸顆粒堵塞后的流量：

(14)

其中，

(15)

對于經(jīng)第二階段堵塞后的膜孔的流量，有：

(16)

式中，C1── 每毫升被測油液中不小于1 μm的顆粒數(shù)，個/mL

f0── 濾膜的次級堵塞系數(shù)

k1── 第一階段流量衰減系數(shù)

k2── 總流量衰減系數(shù)

T1── 第一階段時間衰減常數(shù)

T2── 第二階段時間衰減常數(shù)

綜上，可得任意t時刻時，通過微孔濾膜的總流量表達(dá)式為：

Q(t)=Q1(t)+Q2(t)+Q3(t)

(17)

式(17)中y0，A1，T1，A2，T2均為擬合參數(shù)，可通過濾膜的流量變化數(shù)據(jù)直接擬合獲取，進(jìn)而便可求取出k1和k2。當(dāng)微孔濾膜規(guī)格選定時，其堵塞系數(shù)fd和f0為確定的值，可通過標(biāo)定獲取。對于本研究使用的15 μm 微孔濾膜，總膜孔數(shù)N為1856，堵塞系數(shù)值分別為0.1267和0.0158。將上述參數(shù)值代入式(13)和式(15)便可以得到待測油液中不小于1 μm和不小于d(膜孔尺寸)的顆粒數(shù)C1和Cd。

3.2 油液污染度的定量檢測

國內(nèi)外的研究表明，油液中的顆粒尺寸分布符合對數(shù)正態(tài)分布，每毫升油液中尺寸D與累計(jì)顆粒數(shù)N之間的關(guān)系可表示為[1]：

lgND=lgNt-2.303Blg2D

(18)

式中，D── 顆粒直徑

ND── 大于尺寸D的顆?？倲?shù)

Nt── 大于1 μm顆?？倲?shù)

B── lg-lg2坐標(biāo)上顆粒尺寸分布直線的斜率

式(18)給出了被測油液中任一尺寸的顆粒數(shù)分布表達(dá)式。欲求ND，需要知道Nt和B的值。由前面模型推導(dǎo)知，Nt即為C1，當(dāng)D=d時，可以由式(19)求出斜率B，斜率B確定后，便可由式(18)求出被測油液中大于任意尺寸的顆粒數(shù)ND。令D分別取5，15，25，50和100，便可以計(jì)算出5～15 μm，15～25 μm，25～50 μm，50～100 μm以及大于100 μm各尺寸區(qū)段的顆粒數(shù)，然后根據(jù)NAS 1638國際污染度等級標(biāo)準(zhǔn)便可確定出被測油液的污染度等級。

(19)

4 結(jié)果及分析

為了解本研究所述方法對油液污染度檢測的情況，將1瓶待測油液分為2份，分別由顆粒計(jì)數(shù)器分析法和本研究所提出的基于濾膜阻塞技術(shù)和液位圖像處理相結(jié)合的方法進(jìn)行污染顆粒尺寸分布的分析。

4.1 本研究所提方法測試情況及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程如圖7所示，其中圖7a是待測油壓，圖7b是調(diào)節(jié)配重裝置提供恒定壓力，圖7c是放置微孔濾膜，圖7d是實(shí)驗(yàn)過程，其中右邊電腦進(jìn)行圖像處理，獲取液位變化信息，左邊電腦和稱重器是做膜阻力實(shí)驗(yàn)，與本研究無關(guān)。待測油液流經(jīng)微孔濾膜后進(jìn)入測試杯，攝像機(jī)采集測試杯液位變化信息輸送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理(如圖7d所示)，測試完畢后，得到世界坐標(biāo)系下的液位高度變化曲線如圖8所示，對圖示曲線進(jìn)行擬合可以得到液位高度變化的表達(dá)式見式(20)。

圖7 實(shí)驗(yàn)過程

圖8 液位高度變化曲線

h(t)=-0.001232t3+0.1118t2-3.632t+161.7

(20)

得到h-t曲線后，根據(jù)2.4所述的方法可求出Q-t曲線，對流量變化曲線的擬合結(jié)果見圖9。共需要擬合5個參數(shù)，其中a為y0，b為A1，c為T1，d為A2，e為T2，由擬合結(jié)果可以得到y(tǒng)0=0.1152，A1=1.31189，T1=10.80728，A2=1.20779，T2=14.44375，進(jìn)一步可計(jì)算出k1=0.15913，k2=0.04372，Q0=2.63488。

圖9 擬合曲線圖

將擬合出的數(shù)據(jù)代入式(13)和式(15)可以得到C15=514，C1=19396，再由式(19)得到斜率B=0.68465，進(jìn)而由式(18)可以得出大于任意尺寸D的顆粒數(shù)，相減便可得到感興趣尺寸段的顆粒數(shù)。表1為計(jì)算所得的待測油液的顆粒數(shù)分布和污染度等級，可以看出待測油液污染度為NAS10級。

表1 待測油液顆粒數(shù)分布和污染度

4.2 顆粒計(jì)數(shù)器分析法測試結(jié)果

利用顆粒計(jì)數(shù)器(HIAC-ROYCO 4100)和激光傳感器(HRLD-150)測得待測油液的顆粒尺寸分布和污染度等級如表2所示，得出待測油液污染度也為NAS10級。

表2 待測油液顆粒分布和污染度

4.3 結(jié)果比較及原因分析

由表1和表2中顆粒尺寸分布以及污染度等級結(jié)果對比可知，盡管本研究所述方法和顆粒計(jì)數(shù)器分析法測定結(jié)果在顆粒數(shù)濃度以及分布上有一定的差別，但得出的待測油液的污染度等級一致，都是NAS10級，說明本研究所提出的濾膜阻塞技術(shù)和液位圖像處理相結(jié)合的污染度定量檢測方法具有一定的測試精度，測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。分析尺寸分布出現(xiàn)誤差的原因，是由于在圖像處理過程中，被測油液由測試杯上方流入，從而導(dǎo)致視頻拍到的液位圖像存在氣泡、液位斷線等情況，并且測試杯的杯壁存在折射現(xiàn)象，使得液位線的檢測存在1～2 mm的誤差，進(jìn)而對流量的計(jì)算造成了影響，最終導(dǎo)致被測油液的顆粒數(shù)尺寸分布出現(xiàn)了誤差。

5 結(jié)論

本研究基于濾膜阻塞技術(shù)和液位圖像處理方法對油液污染度檢測方法進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1) 盡管濾膜阻塞法是一種半定量的污染度檢測方法，但通過建立恒壓下油液通過濾膜后的流量衰減情況與油液中顆粒濃度之間的數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)該檢測方法的定量化；

(2) 將濾膜阻塞技術(shù)和液位圖像處理技術(shù)相結(jié)合，可以完成對被測油液固體顆粒尺寸分布的檢測，檢測結(jié)果與顆粒計(jì)數(shù)器測定結(jié)果為同一污染度等級，可以滿足工程上的測試要求。而顆粒尺寸分布的誤差可以通過對試驗(yàn)系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)使其降低。