數(shù)字同軸全息油液磨粒形貌檢測技術(shù)的研究

王玉榮，徐元強，賈學東，林關(guān)海，劉濤，杜延龍，孟祥鋒

(1.山東大學 信息科學與工程學院，山東 濟南250100;2.72690 部隊，山東 泰安271000)

油液磨粒形貌檢測對于機械設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷及維護極為重要，常用技術(shù)包括鐵譜分析、顆粒計數(shù)等［1-2］。鐵譜分析技術(shù)操作復雜、只能進行定性分析;顆粒計數(shù)技術(shù)對磨粒數(shù)目及大小分布進行定量分析，但不能有效觀測磨粒的形貌特征。20 世紀90年代后期由美國開發(fā)的油液磨粒自動識別儀(LNF)［3］近年來得到廣泛應(yīng)用。LNF 同時具有顆粒計數(shù)、顆粒成像及形狀識別分類等功能，但其成像系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的二維光學成像技術(shù)，不能進行磨粒三維形貌成像。磨粒的三維形貌信息如面形及紋理等對機械設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷及維護具有重要意義。目前，還沒有能夠同時具有顆粒計數(shù)、顆粒形狀識別及三維形貌分析功能的成熟的油液磨粒檢測技術(shù)，研究開發(fā)能夠同時具有上述功能的油液監(jiān)測技術(shù)是十分必要的。

數(shù)字全息具有能夠三維成像的固有特點［4］，Gabor 同軸全息［5］具有光路結(jié)構(gòu)簡單、抗環(huán)境震動能力強等優(yōu)點，基于Gabor 同軸全息的粒子場全息成像技術(shù)，已被成功地應(yīng)用到流體分析、霧場測量、燃料燃燒、微生物識別等諸多領(lǐng)域［6-8］。本文將數(shù)字同軸全息成像技術(shù)用于油液磨粒形貌檢測，在介紹數(shù)字同軸全息顆粒成像原理的基礎(chǔ)上，給出數(shù)字同軸全息油液磨粒形貌檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及組成，進行了初步的實驗研究并對實驗結(jié)果進行分析。最后指出需要進一步研究的問題及可以采取的方法。

1 數(shù)字同軸全息記錄光路結(jié)構(gòu)及成像原理

數(shù)字全息顆粒場成像所采用的記錄光路有多種結(jié)構(gòu)形式［9］，其中最簡單、最常用的是采用準直平面光波照明的同軸全息記錄光路，如圖1(a)所示，激光器出射的激光束經(jīng)擴束準直和空間濾波變成平面光波，該平面光波垂直照射放置在物面上的待測顆粒場，直接透射的光波(作為參考光波)與顆粒衍射光波(作為物光波)在CCD 記錄面上干涉形成全息圖，并由CCD 記錄存儲在微機中;對記錄的全息圖根據(jù)衍射傳播理論采用數(shù)值方法處理，可再現(xiàn)包含振幅與相位信息的完整物光波場，從而可獲得顆粒尺寸大小、數(shù)目、形態(tài)形貌等方面的定量信息。

圖1(b)為物面與記錄面的位置坐標示意圖，圖1(c)為一幅典型的顆粒場數(shù)字同軸全息圖及其再現(xiàn)像。全息圖的數(shù)值再現(xiàn)通常采用卷積運算或傅里葉變換2 種算法［10］，在傅里葉變換算法中再現(xiàn)像的像元大小(Δx，Δy)與全息記錄面CCD 像元大小(Δξ，Δη)的關(guān)系為

圖1 平行光照射數(shù)字同軸全息記錄光路Fig.1 Digital in-line holographic recording of particle fields with plane wave

式中:λ 為激光波長;d 為再現(xiàn)成像面與全息記錄面的距離;M 和N 為CCD 像元數(shù)目，再現(xiàn)像的像元大小隨著再現(xiàn)成像距離d 的變化而變化。在卷積算法中再現(xiàn)像的像元大小與記錄面CCD 像元大小相同，不隨再現(xiàn)成像距離d 的變化而變化。因此在數(shù)字全息顆粒場成像與檢測中通常采用卷積再現(xiàn)算法。下面介紹基于卷積再現(xiàn)算法的數(shù)字同軸全息顆粒場成像原理。

如圖1(b)所示，物面(顆粒場所在位置)與全息記錄面(CCD 靶面)的距離為z0，設(shè)物面光場分布為O(x，y)，則經(jīng)衍射后在記錄面上的物光場分布Od(x，y)可以表示為

式中:*為卷積運算;h(x，y;z0)為衍射傳播點擴散函數(shù)。設(shè)顆粒場中的顆粒是不透明的，且不考慮每個顆粒的軸向厚度，只考慮垂軸方向的截面，用a(x，y)表示顆粒截面所占據(jù)的區(qū)域，當(x，y)位于顆粒所占據(jù)區(qū)域時a(x，y)=1，當(x，y)位于顆粒所占據(jù)區(qū)域之外時a(x，y)=0.用單位振幅平面光波照射物面，則物面上的光場分布O(x，y)和記錄面上的光場分布Od(x，y)可以分別表示為

在得出(3)式時用到h(x，y;z0)* 1=1.(3)式表明到達記錄面的光波場由2 項組成:第1 項為直透光波，第2 項為由顆粒形成的衍射光波。2 者相互干涉在記錄面上形成全息圖，其強度分布為

式中:上標*表示復共軛。

該強度分布由CCD 記錄、并用計算機進行處理和數(shù)值再現(xiàn)。(4)式中，第1 項為直透平面光波的強度分布;第2、3 項為直透平面光波與顆粒衍射光波的干涉，均含有粒子場的分布a(x，y)，是再現(xiàn)顆粒場所需要的;第4 項為顆粒衍射光波自身的強度分布，當滿足衍射近似條件時，該項是較弱的慢變化的強度分布，對再現(xiàn)的影響較小。在進行數(shù)值再現(xiàn)前，減去直透光的強度分布并略去第4 項，可以得到

數(shù)值再現(xiàn)相當于模擬全息圖在單位振幅平面光波照射下的衍射過程，再現(xiàn)的光場分布為

式中:zR為再現(xiàn)時的距離。因為有h(x，y;z)* h(x，y;z)=h(x，y;2z)和h(x，y;z)* h*(x，y;z)=δ(x，y)成立，所以當zR=z0時由(5)式和(6)式可得

式中:第1 項是共軛像，它相當于顆粒場在更遠距離2z0處的衍射光場分布，在再現(xiàn)像面處的強度分布比較弱且是慢變化的，對于再現(xiàn)不透明的顆粒場分布來說，可以通過取適當?shù)拈撝祵⑵淙サ?第2 項是再現(xiàn)的顆粒場的像。由(7)式可知，對于存在于一定三維立體空間的顆粒場分布，當再現(xiàn)距離在z0附近取不同值時可以再現(xiàn)不同層面上的顆粒分布。獲得同軸數(shù)字全息圖后，在計算機數(shù)值再現(xiàn)過程中可以很方便地改變再現(xiàn)距離(數(shù)字調(diào)焦)，從而獲得三維顆粒場的分布。

2 數(shù)字同軸全息磨粒形貌檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

完備的數(shù)字同軸全息油液磨粒形貌檢測系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示，包括硬件與軟件2 部分。

圖2 數(shù)字同軸全息磨粒形貌檢測系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成Fig.2 Hardware and software

系統(tǒng)硬件主要包括:1)油液循環(huán)系統(tǒng)及液體池，液體池與蠕動泵相連，液體池窗口置于全息記錄光路的物面上;2)數(shù)字同軸全息記錄光路，主要由激光器、光衰減器、空間濾波器與擴束準直鏡及CCD 相機組成，各光學元件的參數(shù)根據(jù)激光波長、CCD 像元參數(shù)及待測顆粒場參量來確定;3)圖像采集、存儲及處理系統(tǒng)，包括CCD 相機、圖像采集卡及計算機等，用于全息圖的采集、存儲和處理分析。

系統(tǒng)軟件主要包括:1)全息圖預處理及再現(xiàn)成像程序，可根據(jù)不同算法和具體實驗參數(shù)自行編寫，目前還沒有通用的軟件程序;2)磨粒圖像處理、識別與分類統(tǒng)計程序，可以依據(jù)數(shù)字圖像處理算法自編程序，也可采用現(xiàn)有的顯微圖像處理程序，如由美國Media Cybernetics 公司所推出的Image-Pro Plus圖像分析軟件，它可以給出顆粒的幾乎所有幾何參數(shù)如顆粒面積、周長、長短軸長、形狀因子、平均灰度等，最后將其以表格形式存儲，該數(shù)據(jù)對下一步的機械磨損故障分析十分重要;3)機械故障分析軟件，它是基于磨粒形貌判別與分類統(tǒng)計的數(shù)據(jù)結(jié)果、磨損顆粒圖譜、并與機械油液監(jiān)測工程師修理經(jīng)驗相結(jié)合的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫需要在實踐中不斷豐富、完善。

3 實驗結(jié)果分析

實驗光路如圖1(a)所示，激光波長為0.532 μm，CCD 相機像元大小4.4 μm、像元總數(shù)1 024 ×1 024(北京大恒SV2000FM)，玻璃液體池通光方向的內(nèi)部厚度約為200 μm，記錄距離z0約為70 mm.

3.1 標準顆粒的實驗結(jié)果

為了驗證數(shù)字同軸全息用于磨粒形貌檢測的可行性，首先采用北京海岸鴻蒙標準物質(zhì)技術(shù)有限責任公司生產(chǎn)的乳膠微粒標準物質(zhì)［11］進行實驗，該標準物質(zhì)的粒徑為(39 ±1.7)μm，圖3為通過數(shù)字顯微鏡拍攝的該標準物質(zhì)。

圖3 標準微粒顯微圖像Fig.3 Image of standard particles

將乳膠微粒標準物質(zhì)通過酒精稀釋，滴入液體池中，放在同軸全息光路中進行全息記錄。圖4(a)為由CCD 記錄的全息圖，圖4(b)為通過計算機數(shù)值再現(xiàn)的微粒圖像，圖4(c)為對再現(xiàn)圖像進行邊緣分割、顆粒識別后的圖像，圖4(d)為顆粒圖像的局部放大。全息圖的預處理、再現(xiàn)成像、邊緣分割及顆粒聚焦識別等采用MATLAB 編程實現(xiàn)。

通過顯微圖像處理軟件Image Pro Plus 對再現(xiàn)像中標準微粒進行顆粒計數(shù)、編號、形狀測量，統(tǒng)計顆?？倲?shù)為98 個，平均等效圓直徑39.9 μm，平均周長125.0 μm，平均長42.4 μm，平均寬36.8 μm，平均長短軸比1.15，該結(jié)果與標準物質(zhì)的標稱值符合得很好。

圖4 標準微粒全息記錄、再現(xiàn)Fig.4 Record and reconstruction of standard particle hologram

3.2 油液磨粒的實驗結(jié)果

實驗光路與前面的相同，所檢測油液為某主戰(zhàn)坦克變速箱處潤滑油，該坦克換油后運行時間為120 摩托小時。將被檢測油液與液體石蠟按照1∶1比例稀釋，放入液體池中。圖5(a)為記錄的全息圖，圖5(b)為在容器中心附近直接再現(xiàn)的磨粒圖像，圖5(c)為不同磨粒獨立聚焦像疊加結(jié)果，圖5(d)～(f)分別為圖5(c)中3 個所圈區(qū)域(自上而下分別為第1、2 和3 區(qū)域)的局部放大。

將再現(xiàn)的磨粒圖像導入Image Pro Plus 軟件，經(jīng)低通濾波、對比度最佳化，選擇統(tǒng)計參數(shù)及參數(shù)范圍，進行過濾和參數(shù)統(tǒng)計。磨粒幾何參數(shù)統(tǒng)計包括:磨粒等效面積圓直徑、周長、長軸長、短軸長、長短軸比，以及所統(tǒng)計磨粒粒徑的最大值、最小值、均值等。其中部分統(tǒng)計結(jié)果如下:磨粒等效面積圓直徑50 μm以上的1 個，20～50 μm 6 個，10～20 μm 15個，10 μm 以下47 個;等效面積圓直徑最大磨粒的長短軸分別為92 μm 和22 μm;磨粒像素灰度總值為654.4，該灰度值與油液磨損總體程度有關(guān)。

根據(jù)磨粒具體的形貌數(shù)據(jù)，結(jié)合磨粒圖譜及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，機械故障分析系統(tǒng)就可以判斷磨粒磨損類型及磨損嚴重程度等，從而判斷相應(yīng)機械的磨損、運行狀態(tài)，為機械設(shè)備修理、使用部門提供建議報告。

由于數(shù)字全息采用CCD 記錄全息圖、采用計算機數(shù)值再現(xiàn)成像，因此整個檢測過程可以通過計算機控制自動完成，可以大大提高檢測速度。通過對機械裝備進行改造，還有望實現(xiàn)在線實時檢測。

圖5 油液磨粒全息記錄再現(xiàn)像Fig.5 Record and reconstruction of wear particles

4 結(jié)論

將數(shù)字同軸全息技術(shù)用于油液磨粒檢測，并進行了初步實驗，實驗結(jié)果表明數(shù)字同軸全息油液磨粒形貌檢測技術(shù)相對于鐵譜分析技術(shù)，其光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)集成化與自動化程度更高、操作方便，且分析時間更短;相對于顆粒計數(shù)技術(shù)，其磨粒形貌參數(shù)檢測更為全面;與油液磨粒自動識別儀相比，在油液循環(huán)系統(tǒng)、圖像采集與處理、磨粒圖像處理識別與分類統(tǒng)計及機械故障分析等方面可以采用類似的方法并具備同樣的性能，但它簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以避免由成像透鏡引入的像差，提高了測量精度。采用數(shù)字全息成像的最大的優(yōu)點是可以進行三維立體成像，獲得磨粒的三維形貌信息如面形及表面紋理結(jié)構(gòu)等，這是LNF 無法實現(xiàn)的。因此，數(shù)字同軸全息油液磨粒形貌檢測技術(shù)具有重要的研究價值和廣泛的應(yīng)用前景。

盡管數(shù)字全息成像具有可以同時數(shù)值再現(xiàn)物光場振幅分布和相位分布、從而實現(xiàn)三維立體成像的優(yōu)點，但具體應(yīng)用到油液磨粒檢測中還有待深入研究，如光路結(jié)構(gòu)改進、相位恢復與解包等。有關(guān)記錄油液磨粒的三維形貌信息，并結(jié)合油液中磨粒分布特點進行相位恢復與解包等工作，是今后著重解決的問題。此外，全息再現(xiàn)的顆粒形貌參數(shù)與機械故障的對應(yīng)關(guān)系十分復雜，需要數(shù)字全息、油液監(jiān)測及圖像處理等不同專業(yè)領(lǐng)域研究人員共同努力，其中部分工作可參考鐵譜分析技術(shù)的相關(guān)資料。

References)

［1］ 毛美娟，朱子新，王峰.機械裝備油液監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.MAO Mei-juan，ZHU Zi-xin，WANG Feng.Technologies and applications of equipment oil monitoring［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2006.(in Chinese)

［2］ 楊其明，嚴新平，賀石中.油液監(jiān)測分析現(xiàn)場實用技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.YANG Qi-ming，YAN Xin-ping，HE Shi-zhong.Technique and applications of oil monitoring［M］.Beijing:China Machine Press，2006.(in Chinese)

［3］ Tucker J E，Reintjes J，McClelland T L，et al.Laser net fines optical debris monitor［J］.Mobile AL，1998:117-124.

［4］ 劉誠，朱建強.數(shù)字全息形貌測量的基本特性分析［J］.強激光與粒子束，2002，14(3):328-330.LIU Cheng，ZHU Jian-qiang.Basic characters of digital holo-graphic profiling［J］.High Power Laser and Particle Beams，2002，14(3 ):328-330.(in Chinese)

［5］ Pedrini G，F(xiàn)roning P，F(xiàn)essler H，et al.In-line digital holographic interferometry［J］.Appl Opt，1998(37):6262-6269.

［6］ Kreis T，Adams M，Juptner W.Digital in-line holography in particle measurement［J］.Proc SPIE，1999，3744:54-64.

［7］ Xu W B，Jericho M H，Meinertzangen I A，et al.Digital in-line holography for biological applications［J］.PNAS，2001，98(20):11301 -11305.

［8］ Scherer J O，Bernal L P.In-line holographic particle image velocimetry for turbulent flows［J］.Appl Opt，1997，35:9309-9318.

［9］ Kreis T M，Adams M，Juptner W.Methods of digital holography: a comparison［J］.SPIE，1997，3098:224- 233.

［10］ 張東升.用數(shù)字全息術(shù)重現(xiàn)粒子場的研究［D］.長沙:國防科學技術(shù)大學，2004.ZHANG Dong-sheng.The research of particle fields reconstruction by digital holography［D］.Changsha:National University of Defense Technology，2004.(in Chinese)

［11］ 北京海岸鴻蒙標準物質(zhì)技術(shù)有限責任公司.GBW(E)120028，微粒標準物質(zhì)［S］.北京:國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2004.Beijing Haihongmeng Reference Materila Technology limited liability company.GBW(E)120028，Certified reference materials(CRMs)of particles［S］.Beijing:General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People's Republic of China，2004.(in Chinese)