CN108362237B - 利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的方法及系统。当反射系数相位谱中出现突变的过零点时，通过提取过零点的频率作为共振频率计算油膜厚度值；当反射系数相位谱中没有突变的过零点时，则根据超声波传感器中心频率处的相位计算油膜厚度值。本发明的特点是解决了原有超声检测中弹簧模型法和共振法之间的盲区识别问题，并能够覆盖现有超声检测模型的全部测量范围，从而实现了对大尺度范围变化油膜厚度的连续监测。

Description

利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的方法及 系统

技术领域

本发明属于机器系统摩擦副润滑状态检测技术领域，涉及一种面向大尺度变化的润滑膜厚的超声检测方法。

背景技术

摩擦副在运行过程中，润滑不良常常会导致润滑膜破裂，相对运动的表面会发生接触，摩擦、磨损、咬合。因此润滑膜厚度是反映润滑状态的关键参数。当机器在启停阶段或者受到冲击载荷时，摩擦副之间的润滑膜厚会在大范围内变化。因此为了保证机器稳定安全的运行，需要对摩擦副之间的润滑膜厚进行在线全尺度的连续监测。

摩擦副之间的润滑膜厚度一般是在微米级别。目前润滑膜厚的检测方法主要有电学法、光学法、超声法。电学法是通过测量液体层的电阻和电容来获得润滑膜厚。但是电学法需要绝缘的表面来安装传感器或接触元件完全的电隔离。光学法是精度很高的油膜厚度测量方法，由于需要为传感器提供光路，必须要在轴承上开窗户或采用透明材料，显然无法满足可用于实际工况中的要求。相比于电学法和光学法，超声法并不需要电隔离和透明的窗口，具有非介入性的特点。因此超声法在实际工业中油膜厚度测量上具有广阔的前景。

超声波在摩擦副润滑膜中的传播可以简化为典型的三层结构(基体A-润滑膜-基体B)传统的超声测量方法是利用回波之间的时间间隔(即飞行时间法)与超声波在润滑膜中传播的声速的乘积来测量油膜厚度。飞行时间法适用测量较厚的油膜(几百微米以上)。然而工业机械摩擦副的润滑膜厚度，多处于一百微米以下，因此两种新的检测模型被提出来测量薄润滑膜的厚度(参考文献1)：弹簧模型法和共振法。共振法是通过测量反射系数幅值谱中极值点处的频率来计算油膜厚度。弹簧模型法是通过测量幅值谱中反射系数幅值来计算油膜厚度。这两种方法被广泛的应用到了滑动轴承、滚动轴承、内燃机活塞环等摩擦副之间的油膜厚度测量中。国内，关于弹簧模型法和共振法已经形成专利(参考文献2)。

对于单一中心频率的超声波传感器来说，在弹簧模型法能够测量的最大油膜厚度值和共振法能够测量的最小油膜厚度值之间，目前仍然存在一个测量盲区(参考文献3)。例如，采用中心频率为10MHz的传感器，利用弹簧模型法可以测量10微米以下的油膜厚度，利用共振法可以测量50微米以上的油膜厚度，其盲区范围为10～50微米。因此当摩擦副润滑膜厚度在大尺度连续变化时，目前利用单一中心频率传感器无法实现全尺度油膜厚度的连续监测。

参考文献：

[1]R.S.Dwyer-Joyce,B.W.Drinkwater,C.J.Donohoe.The Measurement ofLubricant-Film Thickness Using Ultrasound[J].Proceedings:Mathematical,Physical and Engineering Sciences,2003,459(2032):957-976.

[2]马希直唐伟坤一种油膜厚度的超声测量方法[P].专利号：CN 102183228

[3]Hunter A,Dwyerjoyce R,Harper P.Calibration and validation ofultrasonic reflection methods for thin-film measurement in tribology[J].Measurement Science&Technology,2012,23(10):105605.

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的方法及系统。本发明能够覆盖弹簧模型法、共振法测量的油膜厚度范围以及前两者之间的测量盲区，实现全尺度摩擦副润滑膜厚度的连续检测。

本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

一种利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的方法，该连续检测全尺度润滑膜厚的方法，包括以下步骤：

基于基体A-润滑膜-基体B的超声波传播模型，采用超声反射系数相位谱计算润滑膜厚，当反射系数相位谱中出现突变的过零点时，则根据突变过零点的频率计算油膜厚度；当反射系数相位谱中没有出现突变的过零点时，则根据超声波有效带宽内某频率处的相位计算润滑膜厚。

所述连续检测全尺度润滑膜厚的方法具体包括以下步骤：

1)向基体A-空气界面发射超声波，采集并存储反射信号作为参考信号；

2)向基体A-润滑膜-基体B发射超声波，采集并存储反射信号作为待测信号；

3)对步骤1)和2)采集到的参考信号和待测信号分别进行快速傅里叶变换，得到各自的相位谱；将参考信号和待测信号的相位谱相减得到反射系数相位谱；

4)对反射系数相位谱进行分析，判断相位是否过零点，并且在零点附近相位存在突变，若存在则进入步骤5)，否则进入步骤6)；

5)通过提取突变过零点的频率来获得共振频率的方法，计算润滑膜厚；

6)通过提取超声波有效带宽内对应频率处的反射系数相位并进行数值求解的方法，计算润滑膜厚。

所述突变的过零点选自偶数阶过零点。

所述步骤5)具体包括以下步骤：

提取突变过零点的频率作为润滑膜共振频率，根据以下表达式计算润滑膜厚：

其中，d为润滑油膜厚度，c₂为润滑油中的声速，f_n为润滑膜共振频率，n为共振频率的阶数。

所述步骤6)具体包括以下步骤：

将超声波中心频率处的反射系数相位值和对应的超声波中心频率值代入下式(代入φ和f)，通过数值求解获得润滑膜厚：

其中，d为润滑油膜厚度，R₁₂为基体B-润滑膜界面的位移反射系数，R₂₃为润滑膜-基体A界面的位移反射系数；c₂为润滑油中的声速；β为超声波在润滑油中的衰减因子；f为超声波频率。

一种利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的系统，包括参考信号采集模块、待测信号采集模块、反射系数相位谱计算模块以及润滑膜厚计算模块；

所述参考信号采集模块用于采集并存储向基体A-空气界面发射超声波的反射信号(作为参考信号)；

所述待测信号采集模块用于采集并存储向基体A-润滑膜-基体B发射超声波的反射信号(作为待测信号)；

所述反射系数相位谱计算模块用于将参考信号和待测信号进行快速傅里叶变换，以及通过将变换得到的对应相位谱相减(得到反射系数相位谱)；

所述润滑膜厚计算模块采用超声反射系数相位谱计算润滑膜厚，在反射系数相位谱中出现突变的过零点时，根据突变过零点的频率计算润滑膜厚；在反射系数相位谱中没有出现突变的过零点时，根据超声波有效带宽内某频率处的相位计算润滑膜厚。

所述突变的过零点选自偶数阶过零点。

所述润滑膜厚计算模块提取突变过零点的频率作为润滑膜共振频率，根据以下表达式计算润滑膜厚：

其中，d为润滑油膜厚度，c₂为润滑油中的声速，f_n为润滑膜共振频率，n为共振频率的阶数。

所述润滑膜厚计算模块将超声波中心频率处的反射系数相位值和对应的超声波中心频率值代入下式(代入φ和f)，通过数值求解获得润滑膜厚：

其中，d为润滑油膜厚度，R₁₂为基体B-润滑膜界面的位移反射系数，R₂₃为润滑膜-基体A界面的位移反射系数；c₂为润滑油中的声速；β为超声波在润滑油中的衰减因子；f为超声波频率。

本发明的有益效果体现在：

本发明利用超声反射系数相位谱进行润滑膜厚测量，测量结果覆盖反射系数幅值谱中弹簧模型法和共振法之间测量盲区的位置，并将弹簧模型法和共振法统一到相位谱中，可实现摩擦副的全尺度润滑膜厚的连续测量。

附图说明

图1是反射系数相位随频率和厚度乘积的变化。

图2是利用反射系数相位谱连续测量全尺度润滑膜厚的超声检测方法流程图。

图3是润滑膜厚标定试验台及超声测量系统示意图，其中：1为粗调旋钮，2为压电促动器，3为夹持装置，4为移动钢柱，5为润滑油膜，6为固定钢柱。

图4是共振法范围内不同润滑膜厚下的反射系数相位。

图5是盲区范围内不同润滑膜厚下的反射系数相位。

图6是弹簧模型法范围内不同润滑膜厚下的反射系数相位。

图7是实测膜厚与设置膜厚对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

超声波在三层介质中(基体A-润滑膜-基体B)传播时，中间层反射系数的相位表达式为：

其中，R₁₂、R₂₃分别为基体B-润滑膜界面、润滑膜-基体A界面的位移反射系数，基体A为超声入射侧基体；c₂为润滑油中的声速；β为超声波在润滑油中的衰减因子，φ为反射系数相位角，f为超声波(传感器)频率；d是油膜厚度；R₁₂和R₂₃表达为：

其中Z_i(Z_i＝ρ_ic_i)分别为介质i的声阻抗，i＝1,2,3分别对应基体B、润滑膜、基体A，ρ_i为介质i的密度，c_i为介质i中声速。

忽略衰减因子，如图1所示，可以看到反射系数相位随频率和厚度乘积周期性地变化。

从图1中还可以看到在共振法范围内，相位谱中会周期性地出现过零点。在偶数阶过零点处附近，相位会发生突变，同时从反射系数相位表达式中可以看到，该偶数阶过零点的频率正好为润滑膜共振频率，因此可以通过提取偶数阶过零点的频率来获得共振频率，再通过下式计算油膜厚度：

其中，d为油膜厚度，c₂为润滑油中的声速，f_n为润滑(油)膜共振频率，n为共振频率的阶数；

在弹簧模型法和盲区范围内，相位随着油膜厚度的增大而增大，因此可以利用超声波有效带宽内某频率处的反射系数的相位值和对应的频率来计算油膜厚度，其中，有效带宽内的中心频率信噪比最高，可以提高油膜厚度计算的准确性。相位的表达式为非线性方程，考虑到相位随油膜厚度周期性地变化，和衰减因子β的影响，所以采用数值法求解计算油膜厚度。

基于以上分析，本发明提出一种利用超声反射系数相位谱的油膜厚度连续测量方法，如图2所示，包括以下步骤：

(1)向基体A-空气界面发射超声波，采集并存储反射回来的信号作为参考信号；

(2)向基体A-润滑膜-基体B发射超声波，采集并存储反射回来的信号作为待测信号；

(3)对步骤(1)和(2)采集到的参考信号和待测信号分别进行快速傅里叶变换，得到相位谱数据；将参考信号和待测信号的相位谱相减得到反射系数相位谱；

(4)对反射系数相位谱进行分析，判断相位是否出现偶数阶过零点，若有进入步骤(5)，否则进入步骤(6)；

(5)根据以下表达式来计算油膜厚度：

其中，d为油膜厚度，c₂为润滑油中的声速，f_n为油膜共振频率，n为共振频率的阶数；

(6)将超声波中心频率以及从上述反射系数相位谱中识别得到的该频率对应的反射系数相位值代入下式，采用数值求解计算油膜厚度：

实验验证例：

采用精密润滑膜厚标定试验台验证方法的有效性，如图3所示，实验装置由两部分组成：标定试验台和超声测量系统。标定试验台主要包括数字压电促动控制器、压电促动器2(0～120μm)、用于调节压电促动器高度位置的粗调机构(含粗调旋钮1，高度调节范围0～18mm)、用于连接粗调机构与压电促动器的夹持装置3、与压电促动器2连接的移动钢柱4以及位于移动钢柱4下方的固定钢柱6，两个钢柱之间的间隙用于形成润滑油膜5。利用粗调旋钮1粗略的调节油膜厚度，调节精度为10微米，压电促动器2由与电脑连接的压电促动控制器控制，能够精密的调节油膜厚度值，调节精度为2纳米。中心频率为6.5MHz的超声波传感器(直径为7mm，厚为0.2mm厚的超声波压电元件)用高温胶安装在固定钢柱6的背面的凹槽内。超声波脉冲发射接收仪发射脉冲激发压电元件共振产生超声波，超声波通过钢介质进入油膜层中，在油膜层中发生反射和透射，反射回来的信号用PCI采集卡送至电脑，由电脑按照以上步骤(3)-(6)进行后处理。图4、图5、图6分别为在共振法、盲区、弹簧模型法范围内，超声波传感器有效带宽内的反射系数相位随不同油膜厚度的变化，可以看出在共振法范围内，不同润滑膜厚下，有效带宽内的反射系数相位会出现不同的偶数阶过零点；在弹簧模型法和盲区范围内，有效带宽内的反射系数相位会随着油膜厚度增大而逐渐增大。图7展示了利用反射系数幅值谱和相位谱测量油膜厚度的结果，可以看出利用反射系数相位谱可以实现全尺度的润滑膜测量结果。

Claims (8)

1.一种利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的方法，其特征在于：该连续检测全尺度润滑膜厚的方法，包括以下步骤：

基于基体A-润滑膜-基体B的超声波传播模型，采用超声反射系数相位谱计算润滑膜厚，当反射系数相位谱中出现突变的过零点时，则根据突变过零点的频率计算油膜厚度；当反射系数相位谱中没有出现突变的过零点时，则根据超声波有效带宽内某频率处的相位计算润滑膜厚；

所述连续检测全尺度润滑膜厚的方法具体包括以下步骤：

1)向基体A-空气界面发射超声波，采集并存储反射信号作为参考信号；

2)向基体A-润滑膜-基体B发射超声波，采集并存储反射信号作为待测信号；

3)对步骤1)和2)采集到的参考信号和待测信号分别进行快速傅里叶变换，得到各自的相位谱；将参考信号和待测信号的相位谱相减得到反射系数相位谱；

4)对反射系数相位谱进行分析，判断相位是否过零点，并且在零点附近相位存在突变，若存在则进入步骤5)，否则进入步骤6)；

5)通过提取突变过零点的频率来获得共振频率的方法，计算润滑膜厚；

6)通过提取超声波有效带宽内对应频率处的反射系数相位并进行数值求解的方法，计算润滑膜厚。

2.根据权利要求1所述一种利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的方法，其特征在于：所述突变的过零点选自偶数阶过零点。

3.根据权利要求1所述一种利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的方法，其特征在于：所述步骤5)具体包括以下步骤：

提取突变过零点的频率作为润滑膜共振频率，根据以下表达式计算润滑膜厚：

其中，d为润滑油膜厚度，c₂为润滑油中的声速，f_n为润滑膜共振频率，_n为共振频率的阶数。

4.根据权利要求1所述一种利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的方法，其特征在于：所述步骤6)具体包括以下步骤：

将超声波中心频率处的反射系数相位值和对应的超声波中心频率值代入下式，通过数值求解获得润滑膜厚：

其中，d为润滑油膜厚度，R₁₂为基体B-润滑膜界面的位移反射系数，R₂₃为润滑膜-基体A界面的位移反射系数；c₂为润滑油中的声速；β为超声波在润滑油中的衰减因子；f为超声波频率。

5.一种利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的系统，其特征在于：包括参考信号采集模块、待测信号采集模块、反射系数相位谱计算模块以及润滑膜厚计算模块；

所述参考信号采集模块用于采集并存储向基体A-空气界面发射的超声波的反射信号作为参考信号；

所述待测信号采集模块用于采集并存储向基体A-润滑膜-基体B发射的超声波的反射信号作为待测信号；

所述反射系数相位谱计算模块用于将参考信号和待测信号进行快速傅里叶变换，以及将变换得到的参考信号和待测信号的对应相位谱相减；

所述润滑膜厚计算模块对由参考信号和待测信号的相位谱相减得到的反射系数相位谱进行分析，判断相位是否过零点，并且在零点附近相位存在突变，在反射系数相位谱中出现突变的过零点时，通过提取突变过零点的频率来获得共振频率，根据突变过零点的频率计算润滑膜厚；在反射系数相位谱中没有出现突变的过零点时，根据超声波有效带宽内某频率处的的反射系数相位并通过进行数值求解，计算润滑膜厚。

6.根据权利要求5所述一种利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的系统，其特征在于：所述突变的过零点选自偶数阶过零点。

7.根据权利要求5所述一种利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的系统，其特征在于：所述润滑膜厚计算模块提取突变过零点的频率作为润滑膜共振频率，根据以下表达式计算润滑膜厚：

其中，d为润滑油膜厚度，c₂为润滑油中的声速，f_n为润滑膜共振频率，_n为共振频率的阶数。

8.根据权利要求5所述一种利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的系统，其特征在于：所述润滑膜厚计算模块将超声波中心频率处的反射系数相位值和对应的超声波中心频率值代入下式，通过数值求解获得润滑膜厚：

其中，d为润滑油膜厚度，R₁₂为基体B-润滑膜界面的位移反射系数，R₂₃为润滑膜-基体A界面的位移反射系数；c₂为润滑油中的声速；β为超声波在润滑油中的衰减因子；f为超声波频率。