快速全场扫描成像技术用于量化液体中的颗粒污染物

液态污染物快速检测方法研究 | 颗粒-YOLO模型 | 全场扫描成像 | 颗粒浓度与尺寸分析 | 在线监测技术

　　

吴周|林胜楠|蔡天翼|蔡晓书|杨振宇|徐立新

上海科技大学能源与动力工程学院，上海，200093，中国

摘要

准确表征润滑油和喷气燃料等液体中的颗粒污染物对于评估污染程度和诊断污染源至关重要。这需要精确测量从系统中提取的液体样本中颗粒的大小分布、数量浓度和类型（例如金属碎片、灰尘）。本文提出了一种快速的内容器检测方法来检测颗粒污染物。该方法采用高精度光学成像系统和电动平移平台，对透明平底容器内的液体样本进行逐层扫描，从而捕捉悬浮在样本中的颗粒图像。然后使用Particle-YOLO目标检测模型来识别和跟踪图像中的颗粒，实现对颗粒数量、浓度和大小分布的定量分析。所提出的Particle-YOLO模型表现出强大的检测性能，mAP@0.5值为0.915，F1分数为0.932。验证实验表明，对于颗粒浓度在30到460个/毫升之间的样本，颗粒浓度和颗粒大小的测量误差均低于10%。这使得能够快速准确地获取油污染程度和污染物类型信息，为系统故障诊断提供依据。此外，该方法具有通用性，适用于液体溶液中颗粒的在线测量，例如监测晶体生长过程。

引言

颗粒污染物在液体系统中的普遍存在对运行可靠性和组件寿命构成重大风险。例如，在燃油中，固体颗粒污染物会导致精密部件异常磨损和喷射系统堵塞，影响发动机性能和服务寿命[1]。根据《喷气燃料国防标准规范》[2]，最终产品必须在环境燃油温度下清澈、明亮且无固体物质和未溶解的水。在可注射医疗制剂中，颗粒污染物的存在可能导致静脉炎、肉芽肿或血管栓塞等不良反应，对患者构成重大健康风险[3]、[4]、[5]、[6]。多个国家的药典[7]、[8]规定，每种可注射产品应在上市前通过适当的方法进行单独检查，并移除任何不合格的单元。在给药前，产品应在自然光下进行目视检查，如果观察到任何可见的异物，则不得使用。

目前，在燃油测试和药品质量控制中，颗粒污染物的检测仍主要依赖于在光照下的手动目视检查[9]。然而，手动检查效率低、重复性差且主观性强，越来越不适用于需要高精度和高通量的应用。因此，迫切需要开发自动化、准确且可重复的颗粒检测技术，这些技术在工程应用中具有巨大潜力。

对于溶液中颗粒污染物的表征，常用的仪器如激光粒度分析仪[10]和超声波粒度分析仪[11]无法测量颗粒的数量浓度、颜色和形态；因此，它们无法追踪工业生产过程中的污染源。像颗粒计数器[12]和库尔特计数器[13]这样的仪器需要将样品引入流式腔室，并与管道系统相互作用，这可能在样品清洁度和完整性要求严格的领域引入外源性污染。基于动态成像方法的检测设备[14]（如颗粒图像分析仪[15]）无法正确处理失焦的不规则颗粒，只能测量视野内的颗粒（如图1所示），因此无法实现颗粒污染的全面检测。因此，迫切需要开发非接触式的原位测量技术。

为了填补这一空白，本研究提出了一种非侵入式的、基于全场扫描成像（FSI）的方法。当前的扫描成像技术大致可分为两类。第一类应用于静态物体或静止场，扫描用于形态表征或三维重建[16]、[17]、[18]。第二类针对移动颗粒或示踪颗粒进行三维速度场测量，扫描用于扩展测量体积——典型示例包括2D-3C扫描和tomo-PIV扫描[19]。在第二类方法中，不同扫描平面获取的图像是独立处理的，代表不同时间点的不相关流场。相比之下，FSI利用扫描成像来测量动态颗粒场中的颗粒浓度和大小。FSI通过扫描定制设计的平底容器内不同高度的横截面平面来获取悬浮在液体样本中的颗粒图像序列。随后，使用基于深度学习的检测和跟踪算法来识别和关联颗粒轨迹，从而能够计数样本中的颗粒，并在颗粒处于最佳焦点时提取颗粒特征。

本文的其余部分组织如下：第2节详细介绍了FSI系统的测量原理和实验设置。第3节描述了图像处理算法。第4节展示了结果和相应的讨论，第5节给出了结论。

部分内容摘录

全场扫描成像原理

全场扫描成像（FSI）是一种基于扫描或堆叠成像的颗粒成像技术，通常沿着容器的高度进行，每次捕获的图像覆盖其整个横截面。在这种方法中，通过调整相机移动速度和帧率，在一系列堆叠的图像中多次记录所有颗粒。这些图像聚焦在容器内的不同深度平面上。通过应用专门的图像处理算法，

整体工作流程

本研究开发的图像处理工作流程如图3(a)所示。通过FSI获取一系列图像后，使用Particle-YOLO模型识别颗粒图像，以获得每帧中每个颗粒图像的边界框坐标。随后，应用BoT-SORT[22]跟踪器来匹配和跟踪跨帧检测到的颗粒，为每个颗粒分配唯一的ID，从而确定总颗粒数量和数量浓度。

结果与讨论

验证实验使用了来自中国国家计量院的标准样品溶液，序列号为GBW(E)120031。固体颗粒为聚苯乙烯颗粒，中位粒径为$102\mu m$，数量浓度为800个/毫升。该样品被稀释成9个不同数量浓度的样本，范围从30到460个/毫升。样品容器是一个定制的圆柱形密封石英玻璃容器，内径为8毫米

结论

本研究开发了一种用于表征液体中颗粒污染物大小、数量浓度和类型的表征技术，称为全场扫描成像（FSI）。所提出的方法克服了将液体转移到狭窄管道进行检测时可能出现的堵塞问题。它还解决了由于视野深度有限而在动态成像方法中导致的漏检问题。

CRediT作者贡献声明

吴周：撰写——原始草稿、资源准备、方法论、调查、数据整理、概念化。林胜楠：撰写——原始草稿。蔡天翼：撰写——审稿与编辑。蔡晓书：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、调查。杨振宇：验证、撰写——原始草稿。徐立新：撰写——原始草稿、数据整理。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：作者声明以下利益冲突：与本手稿中描述的核心技术相关的中国国家发明专利已向中国国家知识产权局提交（申请号：202511457960.5；提交日期：2025.10.13）。该专利的申请人是上海科技大学

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52376163）和上海帆船计划（编号：22YF1429600）的资助。