專(zhuān)利名稱(chēng)：利用圖像傳感器檢測(cè)潤(rùn)滑油含水率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種潤(rùn)滑油中含水率的檢測(cè)方法，特別是一種利用圖像傳感器由動(dòng)態(tài)連續(xù)視頻中提取潤(rùn)滑油的色飽和度來(lái)表征含水率的方法。

背景技術(shù)：
隨機(jī)械設(shè)備日趨大型化、復(fù)雜化、運(yùn)行高參數(shù)化，連續(xù)工作時(shí)間不斷延長(zhǎng)，盡管在設(shè)計(jì)、制造階段尋求保障減少設(shè)備的缺陷，以及使用時(shí)加強(qiáng)管理，但是設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的摩擦磨損、變形、腐蝕老化等問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備使用性能的衰退。
磨損、疲勞和腐蝕是機(jī)械零件失效的三種主要形式，其中僅磨損一項(xiàng)約占80％左右。通常，磨損會(huì)導(dǎo)致機(jī)械零部件的逐漸損耗，是個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，主要表現(xiàn)在降低設(shè)備工作效率、精度，增加其能耗，造成漏油、漏氣，發(fā)出噪音等等。如果不引起重視磨損甚至還可能誘發(fā)其他故障，甚至?xí)馂?zāi)難性的事故。這些時(shí)變的特征要求設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中配備狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。
設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)常用到振動(dòng)分析、聲發(fā)射技術(shù)、油液分析技術(shù)等。油液分析包括潤(rùn)滑油中的磨屑、污染磨粒以及潤(rùn)滑油的理化性能如黏度、含水率、降解性等。磨損時(shí)有大量帶有磨損信息的磨粒進(jìn)入潤(rùn)滑油，鐵譜技術(shù)就是利用了潤(rùn)滑油中的磨粒所帶的信息。鐵譜技術(shù)還可與光譜分析、化學(xué)分析等分析技術(shù)綜合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)判，達(dá)到在設(shè)備不解體、不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的目的。
鐵譜磨粒圖像分析可以實(shí)現(xiàn)定性和定量相結(jié)合的分析方法，但定量化程度還不夠全面，如在圖形處理方法的研究，普遍是在灰度空間上進(jìn)行，不是在彩色空間上。鐵譜磨粒圖像是彩色的，包含的信息量大，彩色本身也含有磨粒特征和磨損信息，只在灰度空間上進(jìn)行處理，顯然丟失了許多有用的信息。當(dāng)前對(duì)圖像處理主要是對(duì)獲取的彩色磨粒圖像進(jìn)行灰度化、幾何變換、增強(qiáng)、銳化清晰、分割處理、邊緣與輪廓提取等，從而得到磨粒的紋理、孔隙率等一些特性(沈如蕓，昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，鐵譜磨粒圖像預(yù)處理與磨粒識(shí)別技術(shù)研究，2008.2)。
英國(guó)Swansea大學(xué)的B.J.Roylance等人首先嘗試了圖像分析技術(shù)在磨粒分析中的應(yīng)用，試圖利用不同金屬磨粒灰度值的差別，進(jìn)行磨粒成分的鑒別，由于磨粒成分的復(fù)雜性并不能在色彩上得到充分反映，其效果必然不會(huì)明顯。
何曉昀，呂植勇，李大光等，采用主成分分析法對(duì)HSI顏色模型分析結(jié)果提取特征參數(shù)，從而給出磨粒中元素成分特征[何曉昀，呂植勇，李大光，陳濤，王虹，嚴(yán)新平，一種基于HSI色度空間的磨粒成分分析法，武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)·信息與管理工程版，27(5)(2005)1-4]。
以上這些圖像分析技術(shù)，完全是針對(duì)磨粒的。鐵譜技術(shù)本身并未考慮運(yùn)行過(guò)程的潤(rùn)滑油中水分的變化。潤(rùn)滑油中水分會(huì)導(dǎo)致接觸面油膜厚度變薄，承載能力下降，零件是腐蝕，同時(shí)也是造成磨損的重要因素。油液中水分等物理指標(biāo)可對(duì)設(shè)備和潤(rùn)滑油造成很大的危害，是不應(yīng)當(dāng)忽視的。
在鐵譜圖像處理過(guò)程中油液中含有的水分引起的顏色變化卻因灰度處理而丟失，油中水分只能進(jìn)行復(fù)雜的離線分析。OSA(美國(guó)Mennen Trust)綜合油液分析系統(tǒng)將元素分析光譜儀，紅外分析光譜儀等關(guān)鍵分析儀器與智能化的專(zhuān)家診斷軟件集成于一體。OSA中基于紅外光譜可以測(cè)量0-3％的含水范圍而準(zhǔn)確度達(dá)到±0.2％，作為離線使用的儀器，使用效果較好，但在線使用干擾很多。
分光光度法，測(cè)量被測(cè)液的吸光度值，帶入公式換算成以E、B、C為單位的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)色度值，公式為 色度(E、B、C)＝10×1.27×A430×1.25-1.2，其中A430為吸光度值。該方法測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，適合離線測(cè)量。色度法也用來(lái)評(píng)定啤酒等清亮度較高的液體的顏色。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種利用圖像傳感器檢測(cè)潤(rùn)滑油含水率的方法，該方法抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好，便于推廣。可以單獨(dú)使用，也可與圖像型鐵譜傳感器聯(lián)用，而不增加圖像型鐵譜傳感器的零部件。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案 首先，拍攝存儲(chǔ)的潤(rùn)滑油的彩色圖片進(jìn)行灰度化，然后轉(zhuǎn)化為灰度圖片，若灰度圖片的灰度值全部小于30，則圖片為無(wú)效圖片，否則，在灰度圖片中確定灰度值最小像素點(diǎn)，選取最小像素點(diǎn)周?chē)?0×50的區(qū)域內(nèi)作為坐標(biāo)范圍； 然后，在灰度圖片所對(duì)應(yīng)的彩色圖片上選取此范圍，利用Matlab程序讀取選定范圍的RGB值，將彩色圖片的紅、綠、蘭RGB值轉(zhuǎn)化為色調(diào)，色飽和度，亮度HSI模型，RGB值轉(zhuǎn)換到HIS模型由如下公式得到 其中H表示色調(diào)，B為蘭色分量值，G為綠色分量值，R為紅色分量值， 色飽和度分量由下式得出 強(qiáng)度分量由下式得出 S為色飽和度分量值，I為強(qiáng)度分量值； 最后，根據(jù)標(biāo)定公式y(tǒng)V＝kxS+yb，即測(cè)得潤(rùn)滑油的含水量，其中xS為色飽和度S分量的值，yV為潤(rùn)滑油中含有的水的體積百分比含量，k為直線的斜率，yb為含水量為0時(shí)潤(rùn)滑油的初始色飽和度值。
本發(fā)明采用CMOS攝像頭或CCD攝像頭攝取潤(rùn)滑油的彩色圖片，從彩色圖片的色飽和度分析得到潤(rùn)滑油的含水率。適用于潤(rùn)滑油的含水率在0～5％范圍內(nèi)的檢測(cè)，優(yōu)于當(dāng)前的基于介電常數(shù)和電導(dǎo)率的傳感器檢測(cè)方法，傳感器成本低，性能穩(wěn)定，量程寬可達(dá)到2v/v％甚至可達(dá)4v/v％，完全滿足工業(yè)監(jiān)測(cè)的需要。所得結(jié)果可靠，信號(hào)為數(shù)字化，易于計(jì)算機(jī)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸。無(wú)論是遠(yuǎn)程或近程、有線或無(wú)線傳輸，具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。



圖1為色飽和度S的平均值隨著含水量的變化曲線圖； 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明即利用色飽和度S作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。
參照?qǐng)D1所示，隨著含水量的增加，色飽和度S的平均值變減少，且含水量與色飽和度的單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系很好。
彩色圖片是基于RGB描述的。RGB色度空間是最常見(jiàn)的色系坐標(biāo)系，由R(紅)、G(綠)、B(藍(lán))三個(gè)分量組成，三維空間中的三個(gè)軸分別與紅、綠、藍(lán)三基色相對(duì)應(yīng)，原點(diǎn)對(duì)應(yīng)于黑色，離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)于白色，而其他顏色則落在三維空間中由紅、綠、藍(lán)三基色組成的彩色立方體中。通常情況下以RGB色系坐標(biāo)系為基礎(chǔ)描述其它色系坐標(biāo)系，將其它色系坐標(biāo)系的基色描述為RGB三色的線性或者非線性函數(shù)。
HSI色度空間是以色彩的色調(diào)(Hue)、飽和度(Saturation)、亮度(Intensity)為三要素來(lái)表示的。它同人對(duì)色彩的感知相一致，是適合人的視覺(jué)特性的色彩空間。線性色彩表示系統(tǒng)如RGB色彩空間，其三個(gè)色彩分量沒(méi)有很好地和人對(duì)色彩判斷的因素相聯(lián)系，冗余信息多，對(duì)三個(gè)分量分別處理將造成顏色信息的丟失和錯(cuò)亂。將RGB空間轉(zhuǎn)換為HSI空間后，它將亮度(I)與反映色彩本質(zhì)特性的兩個(gè)參數(shù)-色調(diào)(H)和飽和度(S)分開(kāi)。光照明暗給物體顏色帶來(lái)的直接影響就是亮度分量(I)，所以將亮度分量從色彩中分離出去，而只用反映色彩本質(zhì)特性的色度、飽和度，可獲得比較好的效果。
給定一幅RGB彩色格式的圖像，從RGB轉(zhuǎn)換到HSI色彩。每個(gè)RGB像素和H分量可用如下公式得到 其中 色飽和度分量由下式得出 強(qiáng)度分量由下式得出 色調(diào)是描述純色的屬性(純黃色、橘黃或紅色)，飽和度給出一種純色被白光稀釋的程度的度量。亮度是主觀的描述因子。色飽和度體現(xiàn)了無(wú)色的強(qiáng)度概念，并且是描述彩色感覺(jué)的關(guān)鍵參數(shù)。因此本專(zhuān)利即利用了色飽和度的特性，建立色飽和度和油中含水率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用于含水率的實(shí)際測(cè)量。
配制不同體積含水量的20號(hào)透平油。取10ml的20號(hào)透平油放入20ml的試管中，用滿刻度為1ml精度為0.02ml的移液管向潤(rùn)滑油中加入表1規(guī)定量的去離子水，潤(rùn)滑油水浴加熱至30±2℃，保溫10min。然后將盛含水潤(rùn)滑油的試管放入超聲波振蕩器中超聲乳化不超過(guò)30min，水在油中分散均勻。
表1含水量配制
利用OLF在線鐵譜儀(中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，謝友柏；毛軍紅；王金濤；袁崇軍，短沉積距離圖像型在線鐵譜裝置與方法，200610041773.X，2006.02.09；謝友柏；袁崇軍；毛軍紅；王金濤；呂曉軍，在線數(shù)字圖像型電磁永磁混合勵(lì)磁鐵譜傳感器，200510041894.X，2005.04.04)的CMOS圖像傳感器拍下潤(rùn)滑油初始的彩色圖片，由RGB轉(zhuǎn)換到HSI空間提取出色飽和度S的值，針對(duì)給定的含水率得到含水的體積百分比與色飽和度S的關(guān)系(圖1)。色飽和度S分量與含水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)擬合后表現(xiàn)為一次線性關(guān)系，具有yV＝kxS+yb形式的標(biāo)定公式。其中xS為色飽和度S分量的值，yV為潤(rùn)滑油中含有的水的體積百分比含量，k為直線的斜率，yb為含水量為0時(shí)潤(rùn)滑油的初始色飽和度值。將此關(guān)系儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，供分析時(shí)調(diào)用。
取在用油，利用OLF在線鐵譜儀的CMOS圖像傳感器拍下潤(rùn)滑油的彩色圖片，由RGB轉(zhuǎn)換到HSI空間提取出色飽和度S的值，調(diào)用儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)定值。從而得其含水量為1.8v/v％。
權(quán)利要求
1.一種基于圖像傳感器檢測(cè)潤(rùn)滑油中的含水量的方法，其特征在于，
首先，拍攝存儲(chǔ)的潤(rùn)滑油的彩色圖片進(jìn)行灰度化，然后轉(zhuǎn)化為灰度圖片，若灰度圖片的灰度值全部小于30，則圖片為無(wú)效圖片，否則，在灰度圖片中確定灰度值最小像素點(diǎn)，選取最小像素點(diǎn)周?chē)?0×50的區(qū)域內(nèi)作為坐標(biāo)范圍；
然后，在灰度圖片所對(duì)應(yīng)的彩色圖片上選取此范圍，利用Matlab程序讀取選定范圍的RGB值，將彩色圖片的紅、綠、蘭RGB值轉(zhuǎn)化為色調(diào)，色飽和度，亮度HSI模型，RGB值轉(zhuǎn)換到HIS模型由如下公式得到
其中H表示色調(diào)，B為蘭色分量值，G為綠色分量值，R為紅色分量值，
色飽和度分量由下式得出
強(qiáng)度分量由下式得出
S為色飽和度分量，I為強(qiáng)度分量值；
最后，根據(jù)標(biāo)定公式y(tǒng)v＝kxS+yb，即測(cè)得潤(rùn)滑油的含水量，其中xS為色飽和度S分量的值，yv為潤(rùn)滑油中含有的水的體積百分比含量，k為直線的斜率，yb為含水量為0時(shí)潤(rùn)滑油的初始色飽和度值。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種運(yùn)用圖像傳感器檢測(cè)潤(rùn)滑油含水率的方法，具體如下運(yùn)用圖像傳感器拍攝得到流經(jīng)傳感器窗口前方的潤(rùn)滑油圖像，在后處理程序中，識(shí)別出潤(rùn)滑油當(dāng)前的色飽和度S。色飽和度S與潤(rùn)滑油的含水率或含水量之間標(biāo)定后表明存在線性關(guān)系。由標(biāo)定公式，可將色飽和度S換算成潤(rùn)滑油的含水率，此法適用于潤(rùn)滑油的含水率在0～5％范圍內(nèi)的檢測(cè)，優(yōu)于當(dāng)前的基于介電常數(shù)和電導(dǎo)率的傳感器檢測(cè)方法，擴(kuò)大含水率的測(cè)量范圍，傳感器穩(wěn)定性好。可用于船舶、海洋、航空、車(chē)輛等設(shè)備的潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)和分析。
文檔編號(hào)G01N27/72GK101539528SQ20091002214
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者謝友柏, 董光能, 華 張, 毛軍紅 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)