基于图像传感器的在线铁谱仪的实验研究

　　一般的在线铁谱仪[1～3]只能探测润滑油中磨粒的浓度及其尺寸分布.由于润滑油中磨粒浓度受机器的负载和速度、滤油器和油液品质等诸多因素的影响,单纯依靠润滑油中的特定范围内的磨粒浓度及尺寸分布很难反映机器的真实摩擦学状态[1,4].本文作者通过引入CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)图像传感器,利用异常磨损特有的铁磁性与顺磁性金属特征大磨粒和遮光面积百分比数据共同判断被监测机器的磨损状态,研制了一种新型在线铁谱仪,并采用新型的铁谱仪进行在线监测分析.

　　1　在线铁谱仪原理

　　在线铁谱仪系统主要由磨粒检测单元、油路控制单元、数字信号处理器(DSP)、单片机控制系统和上位计算机等组成,其中的电路部分采用主从式硬件系统方案,以89C51单片机为主机,完成在线铁谱仪的时序控制、键盘输入以及液晶显示等功能;DSP为从机,通过FPGA完成图像采集、遮光面积百分比和磨

　　损指数计算、特征大磨粒分类、磨损状态识别及故障预报等功能.主机和从机之间通过双端口RAM进行数据交换.油路控制单元在单片机的控制下完成切换油源和起停油流等功能.

　　图1所示为在线铁谱仪磨粒检测单元原理图,其沉淀磨粒的原理同OLF-1型在线铁谱仪[5].在磨粒检测探头内,沿着油流方向有18个检测点,其中12个用来检测尺寸大于10μm磨粒的浓度及尺寸分1.透明材料1; 2.透明材料2; 3.棒透镜; 4.磨粒; 5.光纤;6.光纤固定板; 7.图像传感器; 8.出油口;9.探头体; 10.光源; 11.进油口布,剩余的6个用来检测铁磁性与顺磁性特征大磨粒图像.

　　调节润滑油流动速度,使尺寸大于10μm的磨粒沉积在离油液入口55 mm以内.再调整前3根传像光纤位置,使其检测的铁磁性的颗粒尺寸范围分别处于>100μm,50～100μm及25～50μm范围之内.同样,调整后3根光纤位置,使其能够检测到顺磁性金属特征大磨粒.其它传光光纤等距分布在传感器探头的其余位置.

　　OV7120型图像传感器参数为1/3"、640×480像素、分辨率为7.6μm×7.6μm、有效图像面积为4.86 mm×3.64 mm.本仪器采用2个OV7120图像传感器,一个用来测量12根直径为1 mm的传光光纤的光强度,另一个检测6根直径为1 mm的传像光纤中的特征大磨粒图像.

　　采用光纤将光信号传至离强磁场较远的图像传感器处作光电转换,新型铁谱仪具有较强的抗电磁干扰能力;因光纤柔软,机械强度较高,新型铁谱仪的可靠性较高;通过选择具有较强运算能力的DSP来完成图像信号采集、处理,新型铁谱仪不但具有原铁谱仪的计算磨粒遮光面积百分比的能力,而且增加了磨粒识别功能;且与其它光电转换元件相比,CMOS图像传感器转换精度较高,价格相对便宜.