唐 語(yǔ)，朱永凱，陳曉暉，李海斌

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106)

隨著現(xiàn)代飛機(jī)各方面的快速發(fā)展，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能逐步提高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)要求也越來越高。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高速重載應(yīng)用場(chǎng)合，其軸承容易突發(fā)劇烈磨損，磨損率會(huì)突然急劇增加，從而產(chǎn)生大量磨屑導(dǎo)致結(jié)構(gòu)迅速失效，突發(fā)失效的傳播速度很快，甚至可能在發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部位產(chǎn)生二次破壞，甚至迅速發(fā)展為災(zāi)難性事故。航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承磨損的失效原因很多，與材料、設(shè)計(jì)、工作環(huán)境和工作載荷等各方面因素相關(guān)[1]。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑油中磨屑的動(dòng)態(tài)特征變化情況具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油磨屑的檢測(cè)方式有離線式和在線式兩類[2]。離線檢測(cè)具有檢測(cè)精度高，能夠精確測(cè)定磨屑種類和形態(tài)特征等優(yōu)點(diǎn)，但是需要耗費(fèi)大量時(shí)間；在線檢測(cè)則具有實(shí)時(shí)、快速、連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，能夠及時(shí)對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷[3]?，F(xiàn)階段在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有超聲、電磁、光學(xué)檢測(cè)等方法[4]。超聲能夠檢測(cè)不透明油液中250 μm(長(zhǎng)短軸長(zhǎng)度)以上磨屑的形狀和材料。電磁檢測(cè)方法在油液的檢測(cè)中應(yīng)用廣泛，如美國(guó)MA-COM Technology公司研發(fā)的TechAlert10型和TechAlert20型在線油液傳感器，可檢測(cè)長(zhǎng)度超過50 μm的鐵磁性磨屑和超過150 μm的非鐵磁性磨屑[5]；加拿大GasTops公司研發(fā)了專用于大顆粒的Metal-SCAN顆粒傳感器，直接安裝在油路中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)累計(jì)并報(bào)警，現(xiàn)已用在美軍五代猛禽戰(zhàn)機(jī)上[6]；美國(guó)EATON公司研制出Smart Zapper和QDM智能電子磨屑監(jiān)測(cè)器，能夠檢測(cè)長(zhǎng)度小于250 μm的磨屑，且可長(zhǎng)期工作于200 ℃環(huán)境中[7]。光學(xué)檢測(cè)方法目前使用也較多，日本Takuso Sato和美國(guó)Liner M利用激光對(duì)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)的散射作用，實(shí)現(xiàn)了油液磨屑尺寸和形狀的檢測(cè)[8]；美國(guó)先進(jìn)技術(shù)材料研究院研制了嵌入式X射線熒光傳感器(XFS)，利用不同物質(zhì)受到激發(fā)后輻射不同能量的X射線原理進(jìn)行元素定量分析和檢測(cè)[9]。

同時(shí)，人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的精密度和性能要求越來越高，對(duì)油液的監(jiān)測(cè)要求也越來越高，傳統(tǒng)的離線式檢測(cè)不利于設(shè)備故障的早期診斷和預(yù)防。在線式檢測(cè)存在實(shí)時(shí)性不好，對(duì)大顆粒滑油磨屑檢測(cè)靈敏度不高等問題[10]。筆者提出了一種采用光學(xué)低相干成像技術(shù)對(duì)滑油磨屑進(jìn)行在線檢測(cè)的方法，利用光學(xué)低相干技術(shù)對(duì)通過成像區(qū)域的滑油進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，再通過圖像處理分析出磨屑信息，可實(shí)時(shí)檢測(cè)出滑油磨屑的形貌和數(shù)量。

1 滑油磨屑檢測(cè)原理

掃頻光學(xué)低相干使用的光源為掃頻光源。光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器分為兩束，一束是經(jīng)透鏡準(zhǔn)直并從平面反射鏡返回的參考光，另一束是經(jīng)透鏡聚焦到被測(cè)樣品的采樣光束。由反射鏡返回的參考光與被測(cè)樣品的后向散射光匯合并被探測(cè)器接收，當(dāng)兩者之間的光程差在光源相干長(zhǎng)度之內(nèi)時(shí)發(fā)生干涉，記錄聚焦點(diǎn)在樣品內(nèi)部不同深度的空間位置，使參考光與來自樣品內(nèi)部不同深度的后向散射光發(fā)生干涉。由于掃頻光學(xué)低相干系統(tǒng)的光源為掃頻光源，所以其干涉信號(hào)為不同時(shí)間點(diǎn)的不同波長(zhǎng)的干涉信號(hào)，在樣品的深度方向上，假設(shè)樣品的反射系數(shù)幅度為h(z)，反射系數(shù)的相位為φ(z)，那么從樣品中返回的光就是樣品所有不同深度方向上的返回光的疊加，所以其干涉光譜信號(hào)可以表示為

(1)

式中：Pr為從參考臂返回到探測(cè)器的光功率;P0為照射到樣品上的光功率;h(z)和φ(z)分別為樣品深度方向上反射系數(shù)的幅度和相位；Γ(z)為光源相干函數(shù)；k(t)為隨時(shí)間變化的波數(shù);z為樣品的深度坐標(biāo)。

式(1)中右邊第一項(xiàng)為系統(tǒng)參考臂的反射光功率，即直流項(xiàng)；第二項(xiàng)為深度方向各深度的返回光功率的累加，即自相關(guān)項(xiàng)；第三項(xiàng)為樣品各深度返回光與參考光發(fā)生干涉的光功率的積分，即互相關(guān)項(xiàng)，前兩項(xiàng)是干擾，第三項(xiàng)才是需要的信號(hào)。對(duì)表示光譜信號(hào)的式(1)進(jìn)行傅里葉變換(FFT)，結(jié)果為

(2)

式中：A為式(1)中第二項(xiàng)即自相關(guān)項(xiàng)的FFT結(jié)果;S(k)為掃頻光源的功率譜密度函數(shù);δ(z)為零光程差附近的直流項(xiàng);a(z)為樣品深度方向z處返回的光的幅度，其與a(-z)互為對(duì)稱項(xiàng)。

根據(jù)維納辛欽定理，信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)與功率譜密度是一對(duì)傅里葉變換，因此對(duì)采集到的干涉光譜信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換就可以完成從波束空間到深度坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，從而得到樣品深度結(jié)構(gòu)成像。

掃頻光學(xué)低相干成像的信息來源于樣品不同深度的反射率的分布，如果參考鏡的反射率一定，那么由于樣品結(jié)構(gòu)的不均勻性，從樣品不同深度散射回來的光的強(qiáng)度就不同，所以兩臂光相遇時(shí)產(chǎn)生的干涉信號(hào)里就帶有樣品不同深度的光反射率的信息。因此，當(dāng)滑油不包含磨屑時(shí)，其相當(dāng)于均勻介質(zhì)，光在不同深度的反射率信息是一樣的，所以不會(huì)有成像；而當(dāng)滑油中包含磨屑時(shí)，其整體就相當(dāng)于不均勻介質(zhì)，磨屑表面的反射率就與滑油的反射率不同，因此能夠?qū)δバ歼M(jìn)行成像。

2 基于光學(xué)低相干的滑油磨屑檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為兩部分：由低相干成像系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件組成的檢測(cè)系統(tǒng)，由油液樣品和微流泵等組成的滑油回路。低相干成像系統(tǒng)主要對(duì)油液進(jìn)行成像，然后由計(jì)算機(jī)對(duì)成像進(jìn)行處理，得到油液樣品當(dāng)前的數(shù)據(jù)；滑油回路則主要是對(duì)油液進(jìn)行采樣和循環(huán)。

2.1 滑油回路設(shè)計(jì)

在發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油系統(tǒng)中，存在著一條主油路和多條支油路。因此,檢測(cè)系統(tǒng)滑油回路可從主油路分支出來，相當(dāng)于對(duì)油液進(jìn)行采樣檢測(cè)，然后對(duì)采樣油液建立如圖1所示的滑油回路。

圖1 滑油回路組成示意

油池內(nèi)裝有從發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)中采樣出來的油液，在實(shí)際情況下，油池可以從滑油主回路外接出來，也可以是油池本身；整個(gè)回路依靠微流泵提供循環(huán)動(dòng)力；限流閥可以調(diào)節(jié)油液流速，當(dāng)流速較快時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)成像減少，重構(gòu)后的磨屑表面信息減少，重構(gòu)精度較低，當(dāng)流速較慢時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)成像增多，重構(gòu)出的磨屑表面信息增多，重構(gòu)精度較高；穩(wěn)流器的作用是讓油液平緩穩(wěn)定流過透明窗口，這樣可以使得低相干成像質(zhì)量更高，讓檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確；透明窗的作用是讓掃頻低相干成像系統(tǒng)樣品臂的光能透過油液，以實(shí)現(xiàn)油液的成像，顯示出當(dāng)前時(shí)刻流過透明窗油液中的磨屑情況。

2.2 低相干成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)掃頻光學(xué)低相干成像系統(tǒng)包括掃頻光源、干涉儀、平衡探測(cè)器、采集卡和數(shù)據(jù)處理程序。由掃頻光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器分為兩束，一束進(jìn)入?yún)⒖急酆蠼?jīng)平面鏡發(fā)生反射，一束進(jìn)入樣品臂照射樣品后發(fā)生反射。這里在參考臂的中間加了一個(gè)可調(diào)光衰減器，根據(jù)相關(guān)理論可知，通過改變信號(hào)的強(qiáng)度，可以改變系統(tǒng)的靈敏度。兩路返回光分別經(jīng)過環(huán)形器轉(zhuǎn)向后全部進(jìn)入50…50的耦合器發(fā)生干涉，干涉信號(hào)再進(jìn)入平衡探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后由數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，最后由程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，顯示出樣品圖像，低相干成像系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 低相干成像系統(tǒng)原理示意

為了實(shí)現(xiàn)滑油磨屑的在線檢測(cè)需求，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)需要有較高的成像質(zhì)量和較快的成像速度，其中成像系統(tǒng)的橫向分辨率、軸向分辨率和成像速度是該油液檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.3 系統(tǒng)性能分析

2.3.1 成像速度

除“庖丁解?！蓖?還有“痀僂者承蜩”、“津人操舟若神”、“呂梁丈夫蹈水”、“梓慶削木為鐻”等故事,他們不外乎都是超脫了利害得失的考慮,通過長(zhǎng)期刻苦的實(shí)踐,物我合一,達(dá)到出神入化的技藝,即悟“道”、求“道”。

搭建的成像系統(tǒng)中掃頻光源的掃頻速率為100 kHz，每次橫向掃描采集點(diǎn)數(shù)為1 K(1 K=1 024)個(gè)點(diǎn)，所以橫向掃描的振鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率為100 K除以1 K后再取一半，為50 Hz。也就是說，每當(dāng)振鏡橫向掃描一次，就成像完一幅二維圖像，所以成像速度大約為0.02 張·s-1。

2.3.2 橫向分辨率

掃頻低相干成像系統(tǒng)橫向分辨率指的是樣品臂光束聚焦后瑞利斑的大小。其理論上可以表示為

(3)

式中：λ0為系統(tǒng)光源的中心波長(zhǎng)；f為樣品臂聚焦透鏡的焦距；d為光纖準(zhǔn)直器照射在聚焦透鏡上的光斑直徑。

根據(jù)式(3)可計(jì)算出橫向分辨率的理論值為17.1 μm。

獲得橫向分辨率的理論參考值后，還需通過試驗(yàn)標(biāo)定其實(shí)際值。使用USAF1951標(biāo)準(zhǔn)分辨率板來標(biāo)定系統(tǒng)橫向分辨率，其樣品圖像如圖3(a)所示。對(duì)該分辨率板進(jìn)行多次二維掃描成像，先從較大線寬的線組進(jìn)行成像，若當(dāng)前二維成像里能夠分辨出每組平行線，則繼續(xù)對(duì)較小線寬成像，直到系統(tǒng)無法分辨出平行線之間的間隔為止，則表明該系統(tǒng)的最大分辨率為當(dāng)前所能成像的最小線寬。對(duì)分辨率板刻線組成像，結(jié)果如圖3(b)所示。

圖3 USAF1951分辨率板及標(biāo)定成像

圖3(a)中USAF1951分辨率板上一共有6組刻線，每一組刻線包含有6個(gè)小組的不同線寬的3條平行刻線，每一種不同線寬對(duì)應(yīng)著不同的分辨率。用檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其成像，從大到小，直到對(duì)第4組第6號(hào)刻線進(jìn)行成像時(shí)，可以看出，系統(tǒng)對(duì)該組刻線的成像已經(jīng)存在有較明顯的不間斷現(xiàn)象，說明該刻線應(yīng)該已經(jīng)接近系統(tǒng)分辨的極限，系統(tǒng)能成像出的刻線寬度應(yīng)該在第4組第6號(hào)線(17.54 μm)和第5組第1號(hào)線(15.63 μm)之間，因此能夠得出系統(tǒng)的橫向分辨率為16 μm～17 μm，與前面計(jì)算出的理論值相符合。

2.3.3 軸向分辨率

(4)

式中:λ0為系統(tǒng)光源的中心波長(zhǎng)；ns為樣品的折射率；Δλ為系統(tǒng)光源光譜的半峰全寬。

根據(jù)式(4)和設(shè)備參數(shù)，可以計(jì)算出系統(tǒng)在玻璃中的理論軸向分辨率為10.09 μm(這里取玻璃的折射率為1.5)。不過受光源的光譜帶寬的誤差和折射率的影響，實(shí)際軸向分辨率應(yīng)低于理論值。為了測(cè)量實(shí)際的軸向分辨率，對(duì)介質(zhì)均勻的透明玻璃板進(jìn)行了成像，通過對(duì)玻璃板的上表面和下表面的層析成像，可以得到在深度方向上有兩條平行線的二維圖，其深度方向成像和光信號(hào)如圖4所示。

圖4 玻璃板深度方向成像及光信號(hào)

圖4(a)中可以看到兩條亮的平行線，分別為玻璃板的上表面和下表面；圖4(b)為玻璃板在深度方向的反射信號(hào)強(qiáng)度，因?yàn)楣庠诓煌橘|(zhì)交界面的反射較強(qiáng)，所以圖4(b)中兩個(gè)較高點(diǎn)分別表示光在玻璃板的上表面和下表面的反射光強(qiáng)，其橫坐標(biāo)表示深度方向的相對(duì)像素點(diǎn)坐標(biāo)，利用軟件計(jì)算一個(gè)上下表面之間占有的像素點(diǎn)數(shù)，根據(jù)玻璃板實(shí)際的厚度和圖像里上下表面所包含的像素點(diǎn)數(shù)，可以得出每個(gè)像素點(diǎn)表示的距離大小，試驗(yàn)測(cè)量表明實(shí)際的軸向分辨率約為10.35 μm，與前面計(jì)算的理論值相符。

3 滑油磨屑檢測(cè)

根據(jù)上面所述原理和試驗(yàn)設(shè)備，搭建了基于光學(xué)低相干成像的在線滑油磨屑檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)滑油進(jìn)行了在線成像，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 滑油磨屑掃描成像

試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)自制油液樣品進(jìn)行掃描成像，油液樣品內(nèi)的磨屑尺寸為50 μ m～500 μ m。掃頻低相干成像系統(tǒng)的鏡頭對(duì)準(zhǔn)滑油循環(huán)回路的透明窗，對(duì)流動(dòng)過的滑油實(shí)時(shí)掃描成像。當(dāng)流過的滑油沒有磨屑時(shí)，掃頻低相干成像系統(tǒng)就只對(duì)背景進(jìn)行成像。系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前流過的油液進(jìn)行成像，結(jié)果如圖5所示。

圖5 油液成像結(jié)果

當(dāng)流過油液中沒有磨屑時(shí)，成像只有背景圖像，如圖5(a)所示。背景圖像有兩條平行線，分別代表透明窗底部薄壁的內(nèi)表面和外表面，兩條平行線的距離就是透明窗底部薄壁的厚度。而當(dāng)流過油液含有磨屑時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)對(duì)磨屑表面輪廓進(jìn)行成像，如圖5(b)所示。從圖5可以看出，輪廓線有多條且不連續(xù)，磨屑在當(dāng)前油路中所處空間位置也不相同；而且當(dāng)有磨屑成像時(shí)，磨屑的輪廓就會(huì)掩蓋透明窗底部，從而去掉無用成像。

3.2 磨屑尺寸形態(tài)分析

系統(tǒng)除了對(duì)磨屑實(shí)時(shí)成像之外，還會(huì)對(duì)成像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。包括對(duì)成像進(jìn)行灰度化、二值化處理、泛紅填充，去掉無用點(diǎn)噪聲和輪廓識(shí)別等，磨屑圖像處理效果如圖6所示。

圖6 磨屑圖像處理效果

在獲得磨屑圖像時(shí)，先對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理和二值化處理。接著對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行泛紅填充，泛紅填充對(duì)圖像中的對(duì)象識(shí)別與提取有很大作用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)二值圖像內(nèi)部區(qū)域的填充，使得填充圖像飽滿，從而為后面的輪廓檢測(cè)提供充實(shí)圖像。填充完畢后，進(jìn)行輪廓檢測(cè)識(shí)別，為了方便觀察，將檢測(cè)到的輪廓描繪出來。這里只給出了連續(xù)成像中的一些輪廓圖，可以看出，從圖6(a)到6(f)，左邊的磨屑由寬變窄，右邊的磨屑寬度變化不大，但是在中間存在不連續(xù)部分，有分岔。

對(duì)磨屑進(jìn)行輪廓識(shí)別的目的之一就是為了計(jì)算磨屑數(shù)量。當(dāng)前成像里有兩個(gè)輪廓，且形狀大小不一樣。輪廓識(shí)別的另一個(gè)目的就是為后續(xù)的磨屑三維重構(gòu)提供輪廓數(shù)據(jù)，根據(jù)連續(xù)的磨屑輪廓，重構(gòu)出當(dāng)前經(jīng)過的磨屑表面輪廓形貌，如圖7所示。

圖7 當(dāng)前重構(gòu)磨屑三維形貌

從圖7(b)可以看出，三維圖的前端輪廓和圖6(a)中的輪廓圖一樣；在圖7(c), (d)中，隨著磨屑勻速流動(dòng)，左邊的磨屑寬度逐漸變小，右邊的磨屑寬度逐漸變寬；從圖7(a)可以看出，右邊磨屑中間部分不連續(xù)有分岔，與圖6(b)，6(c)，6(d)的輪廓圖變化相對(duì)應(yīng)?？梢缘贸鼋Y(jié)果：當(dāng)前有兩個(gè)磨屑同時(shí)流過，其中一個(gè)磨屑前端較寬，為30 μm左右，尾端較窄，為10 μm左右，呈長(zhǎng)條形，且長(zhǎng)度為90 μm左右；另一個(gè)磨屑的前端較窄，中間不規(guī)整，有分岔，尾端較寬，呈塊狀。

3.3 磨屑檢測(cè)效率分析

成像系統(tǒng)對(duì)油液成像后，系統(tǒng)的軟件部分就會(huì)立即讀取成像，對(duì)成像進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理，圖像處理分為圖像預(yù)處理、圖像分割、圖像三維重構(gòu)等過程。圖像預(yù)處理包括圖像增強(qiáng)；圖像分割包括圖像灰度化、二值化、輪廓檢測(cè)；圖像三維重構(gòu)包括磨屑輪廓選擇排序、數(shù)據(jù)提取等。通過試驗(yàn)將每張圖像的處理時(shí)間和一定數(shù)量的重構(gòu)磨屑三維形貌的時(shí)間進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)，最后計(jì)算其平均值(見表1)。

表1 軟件功能運(yùn)行時(shí)間對(duì)比 ms

表1中每個(gè)模塊都是在大小相同,但是圖像內(nèi)容不同的成像上進(jìn)行計(jì)時(shí)統(tǒng)計(jì)的，最后采用平均值得出其每部分的耗時(shí)。從表1可以看出，圖像預(yù)處理、圖像分割和圖像重構(gòu)數(shù)據(jù)處理部分(一張圖像)耗時(shí)不多，3部分耗時(shí)加上成像用時(shí)一共不超過100 ms。耗時(shí)最多的部分在三維重構(gòu)圖像可視化部分，其用時(shí)接近1 s，但是一次三維重構(gòu)可視化包含了15張成像的數(shù)據(jù)，檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行設(shè)定是每次成像到15張時(shí)，就進(jìn)行一次三維重構(gòu)(也可以設(shè)定其他數(shù)量)，將這段時(shí)間內(nèi)經(jīng)過的磨屑全部可視化出來?？梢钥闯?，該檢測(cè)系統(tǒng)的處理速度快，能夠滿足油液的在線檢測(cè)需求。

4 結(jié)語(yǔ)

基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油磨屑在線檢測(cè)的需求，提出了一種利用光學(xué)低相干技術(shù)對(duì)滑油磨屑實(shí)時(shí)成像及處理的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑油磨屑的在線檢測(cè)。研究了光學(xué)層析系統(tǒng)對(duì)滑油磨屑的成像原理；設(shè)計(jì)搭建了磨屑在線檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算和試驗(yàn)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了隨滑油流動(dòng)磨屑的實(shí)時(shí)成像；通過圖像處理,對(duì)當(dāng)前經(jīng)過的磨屑表面形貌進(jìn)行了分析和計(jì)算，獲得了磨屑的相關(guān)信息，驗(yàn)證了該方法的可行性，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油磨屑檢測(cè)提供了一種實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方法。