基于电磁层析成像技术的滑油磨粒在线监测装置及方法

技术领域

本发明涉及滑油磨粒在线监测的技术领域，尤其涉及一种基于电磁层析成像技术的滑油磨粒在线监测装置及方法。

背景技术

发动机工作在高速、高温、重载等苛刻条件下，轴承易发生磨损，甚至剧烈磨损，其突发性剧烈磨损会在滑油中产生大量金属磨粒，磨粒尺寸和数量可以表征发动机磨损程度，对其进行有效在线监测及分析可以及时监测发动机故障，及时预警，避免灾难性事故，为故障诊断提供重要参考信息。滑油磨粒在线监测将磨粒信息参数与发动机磨损程度相对应，通过分析磨粒信息，包括磨粒数量、尺寸、材质和形貌，确定磨损的性质、程度、类别和原因，从而分析磨损机理和定位故障源。及时监测滑油磨粒动态变化趋势，对发动机机械健康状况的有效监测具有重大意义。

目前，发动机滑油磨粒监测分为离线监测与在线监测，传统的滑油磨粒离线监测技术有光谱分析、铁谱分析、磨粒计数等。离线监测主要依赖于人的主观观察和判断，技术效率低、实效性差、实用性差，容易产生误差，误报和漏报滑油磨粒，对人的经验要求较高。此外，离线监测受到取样周期、取样部位等因素的影响，导致样本不具有代表性，无法发现问题；并且由于无法对滑油连续监测，导致无法发现突发性故障，错过最佳维修时机。

滑油磨粒在线监测技术有超声检测技术、光学检测技术、电容法、电荷法、电感法、X射线法等。超声检测技术利用滑油磨粒对超声波的散射/反射作用，可检测250um以上磨粒，但是气泡、传感器安装位置、超声波频率、振动以及噪声都会严重影响监测性能。光学检测技术以激光光源或发光二极管光源为主，滑油磨粒遮挡一部分光，产生反射或散射，使到达电荷耦合元件或光电管的光衰减，但是光学检测技术受油滴、水、气泡和杂质的影响，并且无法监测不透光油液。电容法通过测量介电常数变化来实现对金属磨粒的监测，该方法敏感度高，对材料特性干扰不敏感，也不受滑油颜色影响，但是受磨粒产生速度影响，存在漏检和误检情况。电荷法利用滑油磨粒流过时，在静电感应作用下，传感器表面产生感应电荷，并转化为电压信号，实现计数，该方法不受材质影响，可检测金属和非金属材料，但是该方法无法定量检测磨粒尺寸，因此当多个磨粒同时流过时，无法确定磨粒个数，存在误检概率。电感法利用金属磨粒产生感应磁场对主磁场的调制作用来实现磨粒检测，该方法速度快，不受金属磨粒以外其他非金属的影响，但是该方法不完全满足磨粒检测分辨率的要求，多个磨粒同时通过也存在误检情况。X射线法利用X射线对磨粒进行能量激发，产生色散荧光光谱来检测金属成分含量，该方法不受环境影响，对金属元素含量敏感，但是无法用来检测磨粒的个数和尺寸，仅适合于对浓度或元素含量检测。

电磁层析成像技术(Electromagnetic Tomography,EMT)是基于电磁感应原理的过程层析成像复杂参数分布检测技术，可以同时对管道或容器内的电导率分布和磁导率分布物质进行成像，具有双模式特性。EMT具有速度快、非接触、非侵入、成本低等优势，特别适合于复杂工业现场的长期监测，已经在钢水可视化检测、多相流测量以及无损检测等领域得到应用，具有极大潜力和应用前景。

因此，为了及时准确监测滑油磨粒动态变化趋势，将电磁层析成像技术应用在滑油磨粒在线监测上，对发动机可能发生的突发性剧烈磨损进行实时监测，重建滑油磨粒分布的三维图像，并对磨粒形态进行分析，获取磨粒大小和位置信息，当超过阈值时，发出报警，避免重大事故的发生，具有重大意义和应用价值。

发明内容

针对现有滑油磨粒在线监测技术易受环境影响，存在漏检和误检，无法检测磨粒大小和位置的技术问题，本发明提出一种基于电磁层析成像技术的滑油磨粒在线监测装置及方法，将小尺度双平面电磁层析成像传感器安装在被测滑油管路周围，通过向激励线圈中注入正弦交流信号，被测物场中产生交变激励磁场，当被测滑油管路中有金属磨粒存在时，将会改变交变激励磁场的分布，导致检测线圈感应电压值变化，根据电压值变化重建金属磨粒分布的三维图像，直观显示滑油磨粒的大小和位置信息，及时准确监测滑油磨粒动态变化趋势，实现滑油磨粒的快速、非接触、非侵入、低成本及可视化监测。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于电磁层析成像技术的滑油磨粒在线监测装置，包括通道切换模块和图像重建计算机，所述通道切换模块与小尺度双平面电磁层析成像传感器相连接，小尺度双平面电磁层析成像传感器包括激励线圈和检测线圈，激励线圈和检测线圈均设置在滑油管路上，检测线圈实时检测滑油管路在激励线圈产生的交变激励磁场作用下的感应电压信号；所述通道切换模块与信号处理电路相连接，信号处理电路与图像重建计算机相连接，图像重建计算机与单片机相连接，单片机与通道切换模块相连接，所述信号处理电路用于处理检测线圈检测的感应电压信号得到感应电压幅值信息并传送至图像重建计算机，图像重建计算机接收感应电压幅值信息并重建出滑油磨粒分布的三维图像后显示，同时将图像重建计算机控制指令通过单片机传送至通道切换模块，单片机接收图像重建计算机的控制指令并控制通道切换模块完成对小尺度双平面电磁层析成像传感器的激励线圈和检测线圈的切换。

所述信号处理电路包括锁相放大器、信号调理模块和功率放大模块，锁相放大器分别与信号调理模块和功率放大模块相连接，信号调理模块和功率放大模块均与通道切换模块相连接，锁相放大器与图像重建计算机相连接；所述图像重建计算机控制锁相放大器产生激励信号，功率放大模块用于对激励信号进行功率放大，增大激励线圈产生的磁场强度；所述信号调理模块对检测线圈测量的微弱信号进行放大和滤波处理，锁相放大器采集检测线圈的测量信号，进行数据解调，获取测量感应电压信号的幅值信息。

所述小尺度双平面电磁层析成像传感器包括筒体，筒体套设在滑油管路上，激励线圈和检测线圈均匀固定在筒体的外壁上。

所述激励线圈和检测线圈均由电磁线圈组成，所述电磁线圈是双平面、O型结构。

所述电磁线圈由0.4mm线径的漆包铜线均匀绕制而成，并且在同一激励频率下有相同的电感值；所述电磁线圈包括两层线圈、每层线圈呈封闭式O型结构，且每层线圈的物场半径和层间距可调；所述电磁线圈的每层有6个、8、12、16或20个线圈，并且线圈层数和每层线圈数量均可调。

所述单片机为Stm32单片机；所述通道切换模块由网络继电器或型号为ADG406的多路复用器组成的切换电路实现；所述功率放大模块采用型号为LT1210的电流反馈放大器；所述锁相放大器为MFLI锁相放大器。

基于电磁层析成像技术的滑油磨粒在线监测装置的监测方法的步骤为：

步骤一：所述图像重建计算机发送信号控制锁相放大器产生几十至几百kHz的交流正弦信号，经过功率放大模块输出至通道切换模块选定的激励线圈上并在激励线圈中注入正弦信号，激励线圈在被测滑油管路的空间中产生交变激励磁场，在该交变激励磁场的作用下，滑油管路中的金属磨粒表面产生涡流，涡流诱导出二次磁场，二次磁场影响交变激励磁场的分布，形成复合磁场，导致检测线圈的感应电压和阻抗发生变化；

步骤二：单片机控制通道切换模块依次选定检测线圈，将感应电压信号经过信号调理模块输出至锁相放大器，完成微弱测量信号的采集和数据解调，获取感应电压信号的幅值，并传输至图像重建计算机；

步骤三：单片机接收图像重建计算机信号控制通道切换模块依次选定激励线圈，其余作为检测线圈，完成各个投影方向下感应电压信号的测量，并将感应电压信号的幅值传输至图像重建计算机；

步骤四：图像重建计算机根据感应电压信号的幅值和灵敏度矩阵，利用图像重建算法重建出滑油磨粒分布的三维图像，从而获得滑油磨粒的大小和位置信息。

所述图像重建算法的实现方法为：

(1)灵敏度矩阵利用模型扰动法求解，利用实验法求解电磁层析成像正问题，获取边界测量电压值和灵敏度矩阵；

(2)采用线性近似的方法描述测量电压值和电导率分布之间的非线性关系，简化电磁层析成像非线性模型，得到测量值和电导率分布之间的归一化线性方程：U＝Sg；其中，U为M×1维的归一化测量电压值向量；S为M×Ν维的归一化灵敏度矩阵；g为N×1维的归一化电导率分布向量，代表图像灰度值；M为测量电压值个数；N为被测物场剖分的单元格个数；

(3)利用压缩感知理论对稀疏信号低维采样，并利用优化方法实现电导率分布向量的重构；

(4)根据求解得到的电导率分布重建滑油磨粒分布的三维图像，获得滑油磨粒的大小和位置信息，实现对滑油磨粒动态变化趋势的监测。

所述电磁层析成像正问题是典型的初边值问题：

其中，μ是磁导率，A是矢量磁位，ω是角频率，σ是电导率，J

所述步骤(3)中利用压缩感知理论对稀疏信号低维采样构造的基于压缩感知理论的数学模型为：U＝Sg＝SΨ

对电导率分布向量S进行高斯随机排列，即将向量S各行的顺序打乱，生成新的随机观测矩阵S

将约束凸优化问题转化为无约束的凸优化问题，使用l

采用快速迭代阈值收缩算法对求解模型中l

所述快速迭代阈值收缩算法求解l

输入：L＝2λ

步骤0：取初始值

步骤k，且k≥1：计算：

s

其中

P

T

求解得到了最优的稀疏系数向量s；

其中，L表示利普希茨常数，λ

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明利用交流信号注入激励线圈产生的激励磁场作为主磁场，该磁场仅对滑油管路内的金属磨粒敏感，不受水、气泡等非金属杂质的影响，并且不受滑油颜色影响。

(2)本发明可以实现滑油磨粒的快速、非接触、非侵入、低成本及可视化监测，重建滑油磨粒分布的三维图像，并对磨粒形态进行分析，获取磨粒大小和位置信息，当超过阈值时，发出报警。

(3)本发明可以同时对滑油管路内的导电和导磁物质进行成像，具有双模式特性。

(4)本发明可以应用在高温、高速、重载等复杂滑油管路工业现场，进行长期的在线监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明监测装置的原理框图。

图2为本发明小尺度双平面电磁层析成像传感器的结构示意图。

图3为图2中电磁线圈的结构示意图。

图4为本发明监测方法的流程图。

图中，1为小尺度双平面电磁层析成像传感器，11为筒体，12为电磁线圈，2为通道切换模块，3为信号调理模块，4为功率放大模块，5为锁相放大器，6为图像重建计算机，7为单片机，8为滑油管路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，如图1所示，一种基于电磁层析成像技术的滑油磨粒在线监测装置，包括通道切换模块2和图像重建计算机6，所述通道切换模块2与小尺度双平面电磁层析成像传感器1相连接，小尺度双平面电磁层析成像传感器1包括激励线圈和检测线圈，激励线圈和检测线圈均设置在滑油管路8上，检测线圈实时检测滑油管路8在激励线圈产生的交变激励磁场作用下的感应电压信号；所述通道切换模块2与信号处理电路相连接，信号处理电路与图像重建计算机6相连接，图像重建计算机6与单片机7相连接，单片机7与通道切换模块2相连接，所述信号处理电路用于处理检测线圈检测的感应电压信号得到感应电压幅值信息并传送至图像重建计算机6，图像重建计算机6接收测量感应电压幅值信息并重建出滑油磨粒分布的三维图像后显示，同时将图像重建计算机6控制指令通过单片机7传送至通道切换模块2，单片机7接收图像重建计算机6的控制指令并控制通道切换模块2完成对小尺度双平面电磁层析成像传感器1的激励线圈和检测线圈的切换。所述单片机7为Stm32单片机，是一个高性能、低成本、低功耗、可配置性强的微控制器。所述通道切换模块2由网络继电器或型号为ADG406的多路复用器组成，实现对被测物场各个角度的激励，并获取各个投影方向下的感应电压信号；通道切换模块2在单片机7指令控制下完成激励线圈和检测线圈的切换，检测线圈与信号处理电路相连接，将检测线圈检测的感应电压信号传输至信号处理电路。

激励线圈中通入正弦信号，会在被测物场中产生交变激励磁场，当被测物场中即滑油管路8中有金属磨粒存在时，将会改变交变激励磁场的分布，导致检测线圈的感应电压值变化，图像重建计算机6根据此种变化重建出金属磨粒分布的三维图像，反映出磨粒的大小和位置信息，从而实现滑油磨粒的快速、非接触、非侵入、低成本及可视化监测。

所述信号处理电路包括锁相放大器5、信号调理模块3和功率放大模块4，锁相放大器5分别与信号调理模块3和功率放大模块4相连接，信号调理模块3和功率放大模块4均与通道切换模块2相连接，锁相放大器5与图像重建计算机6相连接；所述图像重建计算机6与锁相放大器5相连接，并利用上位机编程控制锁相放大器5产生激励信号，功率放大模块4用于对激励信号进行功率放大，增大激励线圈产生的磁场强度；所述信号调理模块3对检测线圈测量的微弱感应电压信号进行差分放大和滤波处理，以提高信号的信噪比和抗干扰性，锁相放大器5采集检测线圈实时检测的微弱测量信号，利用数字正交解调算法对数据信号与参考信号进行相乘和累加运算，得到测量感应电压信号的幅值和相位信息。所述功率放大模块4采用型号为LT1210的电流反馈放大器，实现对激励电流的功率放大；所述锁相放大器5为采用苏黎世仪器(Zurich Instruments)的MFLI锁相放大器，实现激励信号的产生和微弱感应电压信号的采集。

如图2所示，所述小尺度双平面电磁层析成像传感器1是O型、小尺度，并且是双平面结构，可以实现对小尺度滑油管路的封闭式三维成像，包括筒体11，筒体11套设在滑油管路8上，方便进行激励磁场的产生和数据的测量，激励线圈和检测线圈均匀固定在筒体11的外壁上。综合权衡电磁线圈尺寸、电磁线圈数量和计算复杂度三方面的因素，最终确定电磁线圈个数。

如图3所示，所述激励线圈和检测线圈均由电磁线圈12组成，所述电磁线圈12是双平面、O型结构。所述电磁线圈12由0.4mm线径的漆包铜线均匀绕制而成，并且在同一激励频率下有相同的电感值，减少了电磁线圈不一致造成的干扰；所述电磁线圈12包括两层线圈、每层线圈呈封闭式O型结构，实现管路的封闭式检测，且每层线圈的物场半径和层间距可调，适合对不同口径的管路进行检测；所述电磁线圈12的每层有6个、8、12、16或20个线圈，并且线圈层数和每层线圈数量均可调。

实施例2，如图4所示，一种基于电磁层析成像技术的滑油磨粒在线监测装置的监测方法的步骤为：

步骤一：图像重建计算机6发送信号控制锁相放大器5产生几十至几百kHz的交流正弦信号，经过功率放大模块4输出至通道切换模块2的ADG406多路复用器选定的激励线圈上，并在激励线圈中注入正弦信号，激励线圈在被测滑油管路8的空间中产生交变激励磁场，在该交变激励磁场的作用下，滑油管路8中的金属磨粒表面产生涡流，涡流诱导出二次磁场，二次磁场影响交变激励磁场的分布，形成复合磁场，导致检测线圈的感应电压和阻抗发生变化。

步骤二：Stm32单片机7接收图像重建计算机6发送的控制信号，控制通道切换模块2的ADG406多路复用器引脚的高低电平，依次选定检测线圈，检测线圈将感应电压信号经过信号调理模块3输出至锁相放大器5，完成微弱测量信号的采集和数据解调，获取感应电压信号的幅值，并传输至图像重建计算机6。

步骤三：Stm32单片机7接收图像重建计算机6发送的控制信号，控制通道切换模块2的ADG406多路复用器引脚的高低电平，选定激励线圈，其余作为检测线圈；待获取所有检测线圈的感应电压信号后，重新顺时针或逆时针方向选定下一个线圈作为激励线圈，其余线圈作为检测线圈，并获取所有检测线圈的感应电压信号；依次类推，完成各个投影方向下感应电压信号的测量；利用数字正交解调算法对测量感应电压信号与参考信号进行相乘和累加运算，得到信号的幅值和相位信息，并将感应电压信号的幅值传输至图像重建计算机6。

步骤四：图像重建计算机6根据感应电压信号的幅值和灵敏度矩阵，利用图像重建算法重建出滑油磨粒分布的三维图像，从而获得滑油磨粒的大小和位置信息。

所述图像重建算法的实现方法为：

(1)灵敏度矩阵利用模型扰动法求解，利用实验法求解电磁层析成像正问题，获取边界测量电压值和灵敏度矩阵；

电磁层析成像技术符合Maxwell方程组，所述电磁层析成像正问题是典型的初边值问题：

其中，μ是磁导率，A是矢量磁位，ω是角频率，σ是电导率，J

前期验证可行性时，常采用数值解法中的有限元法来求解电磁层析成像正问题，并利用模型扰动法求解系统的灵敏度矩阵。本发明利用实验法求解EMT正问题，即利用搭建的滑油磨粒在线监测实验装置对滑油管路进行监测，利用锁相放大器获取边界测量电压值，并进一步获取系统灵敏度矩阵，为EMT逆问题的求解提供重要先验信息。

(2)采用线性近似的方法描述测量电压值和电导率分布之间的非线性关系，简化电磁层析成像非线性模型，得到测量值和电导率分布之间的归一化线性方程：U＝Sg；其中，U为M×1维的归一化测量电压值向量；S为M×Ν维的归一化灵敏度矩阵；g为N×1维的归一化电导率分布向量，代表图像灰度值；M为测量电压值个数；N为被测物场剖分的单元格个数。

电磁层析成像可以定性描述为：

V

其中，V

V＝F(σ) (3)

对式(3)进行泰勒展开，得到：

其中，F(σ

为了简化EMT非线性模型，可以采用线性近似的方法来描述测量值和电导率分布之间的非线性关系。通过忽略高阶项，式(4)可以简化为：

ΔV＝S(σ)Δσ (5)

其中，

对式(5)进行归一化处理，可以得到测量值和电导率分布之间的归一化线性方程：

U＝Sg (7)

其中，U为M×1维的归一化测量电压值向量；S为M×Ν维的归一化灵敏度矩阵；g为N×1维的归一化电导率分布向量，代表图像灰度值。

EMT图像重建的本质是在已知测量电压值向量U和灵敏度矩阵S的情况下，对电导率分布向量g进行求解。针对EMT逆问题的欠定性问题，将压缩感知应用到EMT逆问题求解中，利用压缩感知理论对稀疏信号低维采样，并利用优化方法实现信号的重构。

(3)利用压缩感知理论对稀疏信号低维采样，并利用优化方法实现电导率分布向量的重构；

所述步骤(3)中利用压缩感知理论对稀疏信号低维采样构造的基于压缩感知理论的数学模型为：U＝Sg＝SΨ

其中，大小为N×N的Ψ

为使式(8)中的传感矩阵A满足有限等距性质(Restricted Isometry Property,RIP)，对电导率分布向量S进行高斯随机排列，即将向量S各行的顺序打乱，生成新的随机观测矩阵S

其中，s

为了方便求解，将约束凸优化问题转化为无约束的凸优化问题，使用l

采用快速迭代阈值收缩算法(Fast Iterative Shrinkage-ThresholdingAlgorithm,FISTA)对求解模型中l

所述快速迭代阈值收缩算法求解l

输入：L＝2λ

步骤0：取初始值

步骤k，且k≥1：计算：

s

其中

P

T

求解得到了最优的稀疏系数向量s；利用式(10)求得电导率分布向量s

其中，L表示利普希茨常数，λ

(4)将电导率分布向量归一化到0～1之间，并和RGB颜色对应起来。根据求解得到的电导率分布向量s

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。