材料总结磨粒显微成像系统设计及选型概述由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“建筑结构选型总结”。
磨粒显微成像系统设计及选型
1.数字显微成像系统结构原理
对微米级的油液污染和磨损颗粒实施光学成像和图像采集，必须借助于显微光学成像系统。下图为数字显微图像系统结构框图。系统主要由流体取样装置、显微光学成像系统、图像采集与分析处理等部分组成。在流体通道中，以蠕动泵为动力源将油液从取样瓶（离线）或油液管路（在线）中取出，以适当的流速通过微流场传感器；在垂直微流场方向，放置数字显微成像系统，流体中颗粒物被正对微流场的光学系统捕获，经放大成像后，通过高速 CMOS摄像机获取图像信号，经图像采集卡 A/D 转换后，数据进入计算机控制系统。在计算机内进行图像处理，特征提取和磨粒识别，实现对油液的污染分析，进而判断磨损类别、磨损程度，确定机器的磨损机理。
2.数字显微成像系统硬件设计 2.1微流场传感器
由于油液中各类污染物和磨粒一般分布在5µm-100µm，要对其进行形态分析和识别，就必须使用高放大倍数的显微成像（物镜25×～50×），此时观测视场一般在100µm×100µm 左右，物镜景深约50µm；同时为满足对流过系统的全部油液进行颗粒计数和污染度分析，要求观测流场的尺度应与显微视场和景深相符，即100µm×100µm×50µm。
传感器结构如图所示，主要由基体、镜头观察孔、微流体导流片、视场玻片、底玻片等几部分组成。基体的左右两端分别为进流口和出流口，上部中心开有直径为18mm 的镜头观察孔，供长焦距镜头伸入以贴近微流场；微流体导流片用厚度为0.1mm 的薄铜片线加工制成，其厚度决定了微流场的深度，中心狭缝的宽度即为流场的宽度，选取宽度为100μm，要求加工精度和表面光洁度较高，以保证微流场边界的光滑；在导流片的上方和下方分别是厚度为0.1mm 和1mm 的视场玻片和底玻片，与导流片的狭缝共同构成结构宽×深为100μm×100μm 的微流场。
2.2高亮LED光源
LED光源在结构上没有玻璃外壳，不需要像白炽灯或者荧光灯那样在灯管内抽真空或者冲入特定气体，因此抗震、抗冲击性良好，可免维修；体积小，重量轻，便于系统布置和设计；寿命长，响应时间快；仅需低压直流电源，可直接从计算机电源取电。由于具有以上诸多优点，成像系统选用其作为反射光和透射光源。
系统设计了由红色反射光和绿色透射光组成的双路显微光源，使颗粒的边缘和纹理都能够清晰成像。对于油液中的磨损颗粒，如果亮度太弱，会导致图像发暗，不清晰；如果亮度太强则超出图像传感器的饱和度，导致无法成像。
合适亮度下采用的LED 参数如下：
2.3成像系统
对微米级的油液污染和磨损颗粒实施光学成像和图像采集，就必须借助于显微光学成像系统。一般由由显微镜头、光源以及相应的调节与控制装置组成。如下图：
显微镜头相关参数如下表：
2.4微流量进样系统
进样系统主要由微流泵构成，选择时应考虑流量的可调性，在系统工作时能提供稳定的连续油样，流动方向可逆，且可根据需要连续调节。同时应具有较大流量的冲洗功率以便系统维护。
根据以上要求，系统选用兰格BQ50-1J 型蠕动泵，其主要功能和特点： ① 具有填充、排空功能（全速）；
② 可实现流速的高度准确控制，实现微流量自动进样功能； ③ 掉电记忆功能：重新上电后，按照上次掉电时的状态进行工作； ④ 体积小,重量轻，可靠性高；
⑤ 可镶嵌在工作面板上或安装在支架上； ⑥ 手持控制器操作灵活简便； ⑦ 可通过外控接口进行控制；
⑧ 具有RS485 通信功能，通过编写相应接口程序已实现USB 接口通信功能； ⑨ 二次开发性能好。
2.5高速运动图像采集摄像头
图像传感器是数字图像采集系统中的关键部分，一般可分为电荷耦合器件（CCD：Charge Coupled Device）、电荷注入器件（CID：Charge Injection Device）、光电二极管阵列(PDA：PhotoDiode Array)、N 沟道金属氧化物半导体(NMOS ：N-channel Metal Oxide Semiconductor)图像传感器、互补金属氧化物半导体(CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器，以及基于CCD 和CMOS 技术的混合图像传感器（BCMD：Body Charge Modulate Device）等多种。其中CCD 和CMOS 器件在如自扫描、高分辨率、高稳定、体积小、重量轻、工作电压低、功耗小、抗烧毁，以及在动态响应范围、灵敏度、可实时传输等方面也都优于其它各种面阵光电探测器。（1）CCD 图像传感器
CCD 是一种用集成电路工艺制成的成像光电器件，它以电荷包的形式贮存和传送信息，主要由光敏单元、输入结构和输出结构等部分组成。CCD 有面阵和线阵之分，光敏元排列为一行的称为线阵CCD，像元数从128、5000 至几万不等构成一个产品系列；面阵CCD 器件像元排列为一平面，包含若干行和列的结合。目前达到实用阶段的像元数由25 万至数千万个不等(绝大多数在30 万~500 万间)；按受光面积尺寸的不同有1／4 英寸、1／3 英寸、1／2 英寸、2／3英寸和1 英寸之分；按使用场合的不同有彩色和黑白CCD 之别。线阵CCD 和面阵CCD 的工作原理基本相同，都是由光电转换与贮存、电荷转移、电荷读出等三个环节组成。因此，CCD光电成像器件既具有光电转换功能，又具有信号电荷的存储、转移和读出功能，它能把一幅按空间域分布的光学图像，变换成一列按时间域分布的离散电压信号。
（2）CMOS 图像传感器
CMOS 图像传感器是20 世纪80 年代中期逐渐发展和成熟起来的，它是靠MOS 芯片上所制造的微型光电管阵列来记录图像的光强分布，并有CMOS 开关阵列控制每个像素电荷信号的读取，其中行控制电路和列控制电路分别控制一个行开关和一个列开关，并由该行开关和列开关坐标决定被选中的像素，从而通过闭合的开关输出光电信号。采用CMOS 技术可以将光电成像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模／数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片成像系统，功耗仅几十毫瓦。
为了方便图像的后期处理，应使采集的图像尽量清晰，即选择视场适合、分辨率高的物镜，像素高的彩色CCD。本在比较几种种图像传感器性能之后，考虑到降低实验成本，选取了SONY的一款CCD传感器，型号为ICX452AQ，510万像素，感光面大小为1／1.8＂。
在光路系统的选取方面，本文采用日本奥林己斯生产的透反射双光源。该显微镜具有标准的C和CS接口，可Ｗ方便地连接图像传感器CCD或CMOS，反射光源采用了6V30W的参数，其亮度可调节，足以满足亮度和色彩方面的要求。
