CN112033315B - 一种面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法，根据基体A‑润滑油‑基体B结构的弹性形变及声速的温度相关性计算参考信号时移因子Δt，通过监测膜厚测量过程中始波信号伸缩的比例得到参考信号的波形伸缩因子b，通过波形伸缩因子b得到幅值衰减因子a，进而由初始参考信号补偿得到实测温度下的参考信号。本发明无需前期繁复的校准工作，同时考虑时移、波形伸缩及幅值衰减，能够在测量过程中对参考信号实现完全补偿，保证反射系数幅值谱和相位谱的准确计算，从而实现实际工况下的润滑油膜厚度的精确测量。

Description

一种面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法

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，具体涉及一种面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法。

背景技术

生产中润滑不良造成的零部件摩擦磨损是导致设备故障的关键原因之一，因此对机械设备润滑性能的监测尤为重要。润滑油膜厚度是表征机械设备润滑性能的一个关键参数，目前已经开发出不同的超声模型用于工业应用中润滑油膜厚度的测量，包括飞行时间法、弹簧模型法、共振法以及相位法。但是这些模型尚未充分考虑温度的影响，这种影响在机械设备的连续运行中变得更为显著，可能导致超声模型无法忽略的误差，因此，对于超声膜厚测量技术的温度补偿尤为重要。

由于超声波压电元件的输出以及金属介质的物理特性等受温度影响，时域参考信号会随温度的变化呈现信号时移、波形伸缩、幅值衰减的变化。反射系数定义为油膜信号与参考信号的比值，弹簧模型法、共振法以及相位法在膜厚测量过程中依赖于准确的反射系数幅值谱和相位谱，尤其是弹簧模型法和相位法，反射系数的微小变化可能会引起膜厚的较大误差。因此，参考信号的温度补偿是保证膜厚测量准确性的关键因素之一。

目前，对参考信号的补偿主要有拟合校准法、比例法和在线参考法。其中，拟合校准法需要在测量前期采集多组不同温度下的参考信号，工作繁复、耗时长、难以实际应用。比例法需要通过附加延迟端或制造缺口的方式获得其他界面的反射信号，对于典型的三层结构，在不宜改变机械结构的情况下，该方法不再适用。在线参考法利用被测对象的特性，比如轴颈轴承的空化现象，选择合适的参考信号，通过实时采集、更新参考信号，进而消除温度的影响，但是该方法应用对象受限，且补偿效果并未验证。另外，在目前的工作中，拟合校准法和比例法仅仅对参考信号的幅值衰减进行了补偿，忽略了信号时移和波形伸缩的影响，补偿效果受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法，实现实际工况下的润滑油膜厚度的精确测量。

本发明采用以下技术方案：

一种面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法，根据基体A-润滑油-基体B结构的弹性形变及声速的温度相关性计算参考信号时移因子Δt，通过监测膜厚测量过程中超声始波信号伸缩的比例得到参考信号的波形伸缩因子b，通过波形伸缩因子b得到幅值衰减因子a，同时考虑信号时移、波形伸缩及幅值衰减，进而由初始参考信号补偿得到实测温度下的参考信号。

具体的，膜厚测量前，向基体A-空气界面发射超声波，记录初始温度T₀，采集、存储始波信号，并将基体A-空气界面的反射信号作为初始参考信号；膜厚测量过程中，向基体A-润滑膜-基体B发射超声波，记录温度T及相应温度下的始波信号。

具体的，根据基体A的尺寸及超声波在基体A中的传播速度计算参考信号的时移因子Δt如下：

其中，l_T、

分别为温度为T、T₀时超声波在基体A中的传播距离，即基体A的长度，c_T、

为温度为T、T₀时超声波在基体A中的传播速度。

具体的，参考信号的波形伸缩因子b和幅值衰减因子a计算如下：

其中，t_T、

分别为温度为T、T₀时始波信号的持续时间。

具体的，根据温度T₀下的初始参考信号构造温度T下的参考信号x_T(t)，实现参考信号的温度补偿。

进一步的，补偿参考信号x_T(t)为：

其中，

为初始参考信号。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法，同时考虑信号时移、波形伸缩和幅值衰减：首先，通过结构的弹性形变及声速的温度相关性计算参考信号时移因子；其次，通过监测不同温度下的始波信号伸缩比例得到参考信号波形的伸缩因子及幅值衰减因子；最后，利用初始参考信号构造实测温度下的参考信号，与现有的仅考虑幅值衰减的补偿方法相比，补偿效果更好。

进一步的，本发明无需在测量前期对参考信号进行校准，无需改变机械结构，通过监测膜厚测量过程中始波信号的变化，能够实现参考信号的实时补偿，解决了目前参考信号补偿方法适用对象受限，难以实际应用的问题。

进一步的，通过设置时移因子和波形伸缩因子保证参考信号相位谱的准确获取，通过设置幅值衰减因子和波形伸缩因子保证参考信号幅值谱的准确获取，进而保证反射系数幅值谱和相位谱的准确计算，实现基于超声的油膜厚度的精确测量。

综上所述，本发明无需前期繁复的校准工作，同时考虑时移、波形伸缩及幅值衰减，能够在测量过程中对参考信号实现完全补偿，保证反射系数幅值谱和相位谱的准确计算，从而实现实际工况下的润滑油膜厚度的精确测量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿装置；

图2为基体A-空气结构和基体A-润滑油-基体B结构的时域反射信号；

图3为不同温度下的始波信号；

图4为不同温度下的参考信号；

图5为超声膜厚测量中参考信号的温度补偿方法的流程图；

图6为通过温度补偿方法构造的参考信号与实测参考信号的对比图。

其中，1.超声波传感器；2.温度传感器；3.超声波脉冲发射接收仪；4.示波器；5.计算机。

具体实施方式

本发明提供了一种面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法，以时域参考信号为对象，涉及一种同时考虑时移、波形伸缩和幅值衰减的补偿策略，能够实现参考信号的完全补偿。

请参阅图1，一种面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿装置包括超声波传感器1，温度传感器2，超声波脉冲发射接收仪3，示波器4和计算机5，超声波脉冲发射接收仪3产生发射参数可调的激励脉冲，激励超声波传感器1产生超声波并在基体、润滑油膜中传播，超声波反射信号经超声波脉冲发射接收仪3接收，并由示波器4进行采集转化为数字信号，传输到计算机5中进行后续处理，温度传感器2采集温度并传输到计算机5中。

请参阅图2，为基体A-空气结构及三层结构(基体A-润滑油-基体B)的超声波时域反射信号。脉冲Ⅰ为始波信号，脉冲Ⅱ为参考信号，脉冲Ⅲ为油膜信号。由于始波信号为压电元件自身反射信号及基体A下表面反射信号的叠加，该信号不受润滑油和基体B的影响，因此两种结构中的始波信号一致

请参阅图3，为不同温度下的始波信号，从图中可以看出，时域始波信号随着温度的变化呈现波形伸缩的变化。

请参阅图4，为不同温度下的参考信号，从图中可以看出，参考信号波形随着温度的变化呈现信号时移、波形伸缩、幅值衰减的变化。由于波形的伸缩取决于传感器，因此始波信号与参考信号具有相同的波形伸缩因子。

请参阅图5，本发明一种面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法，对于典型的三层结构：基体A-润滑油-基体B，根据结构的弹性形变及声速的温度相关性计算参考信号时移因子，通过监测膜厚测量过程中始波信号伸缩的比例得到参考信号的波形伸缩因子，通过波形伸缩因子得到幅值衰减因子，进而补偿得到实测温度下的参考信号，具体步骤如下：

S1、膜厚测量前，向基体A-空气界面发射超声波，记录初始温度T₀，采集、存储始波信号，并将基体A-空气界面的反射信号作为初始参考信号；

S2、膜厚测量过程中，向基体A-润滑膜-基体B发射超声波，记录温度T及相应温度下的始波信号；

S3、计算温度由T₀变为T时，参考信号的时移因子Δt；

根据基体A的尺寸及超声波在基体A中的传播速度计算参考信号的时移因子：

其中，l_T、

分别为温度为T、T₀时超声波在基体A中的传播距离，即基体A的长度，c_T、

为温度为T、T₀时超声波在基体A中的传播速度。

S4、根据步骤S1和步骤S2记录的始波信号，计算温度由T₀变为T时，参考信号的波形伸缩因子b和幅值衰减因子a；

根据始波信号的伸缩比例得到参考信号的波形伸缩因子b如下：

其中，t_T、

分别为温度为T、T₀时始波信号的持续时间。

压电元件的输出电压V_out与其等效电容C的关系为：

其中，Q_z为压电片表面的电荷量。

压电元件的中心频率f_c与其等效电容C的关系为：

其中，L为电感值。

压电元件的等效电容具有较强的温度相关性，温度变化时，等效电容改变，压电元件的输出电压及中心频率改变，在时域上表现为信号的幅值衰减和波形伸缩。幅值衰减因子a和波形伸缩因子b与等效电容的关系为：

其中，A_T、

分别为温度为T、T₀时信号的幅值，V_T、

分别为温度为T、T₀时压电元件的输出电压，C_T、

分别为温度为T、T₀时压电元件等效电容,，f_T、

分别为温度为T、T₀时压电元件中心频率。

通过参考信号的波形伸缩因子b计算幅值衰减因子a：

S5、由温度T₀下的初始参考信号构造温度T下的参考信号，实现参考信号的温度补偿。

参考信号x_T(t)为：

其中，

为初始参考信号。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

实验验证例

由于基体A-空气结构及三层结构(基体A-润滑油-基体B)的超声波时域始波信号相同，为验证简单，通过监测基体A-空气结构的始波信号来补偿参考信号，验证本发明补偿方法的有效性。

将钢-空气结构试块置于温控箱中加热，温度变化范围为25-75℃，间隔为10℃，采集的时域始波信号如图3所示，参考信号如图4所示。以25℃的参考信号为初始参考信号，通过本发明的补偿方法构造其他温度下的参考信号，并与实测参考信号进行对比，补偿结果与实测结果吻合良好，对比结果如图6所示。

请参阅图3，以25℃为初始温度，始波信号随着温度的升高呈现波形伸缩的变化，通过监测温度变化过程中始波信号的持续时间得到波形伸缩因子，进而得到幅值衰减因子，并根据钢结构的尺寸及超声波在钢中的传播速度计算参考信号的时移因子。图6所示，以25℃参考信号为初始参考信号，根据计算得到的时移因子、波形伸缩因子和幅值衰减因子构造45℃以及65℃下的参考信号，并与图4所示的相应温度下的实测参考信号进行比较，以验证本发明的有效性。从图6可以看出，由本发明补偿得到的参考信号与实测参考信号具有良好的一致性，说明本发明对参考信号具有良好的补偿效果。

综上所述，本发明一种面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法，无需前期繁复的校准工作，通过监测始波信号实现参考信号的实时补偿，同时考虑时移、波形伸缩及幅值衰减，能够在测量过程中对参考信号实现完全补偿，保证反射系数幅值谱和相位谱的准确计算，从而实现实际工况下的润滑油膜厚度的精确测量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法，其特征在于，根据基体A-润滑油-基体B结构的弹性形变及声速的温度相关性计算参考信号时移因子Δt，通过监测膜厚测量过程中始波信号伸缩的比例关系得到参考信号的波形伸缩因子b，通过波形伸缩因子b计算得到幅值衰减因子a，同时考虑信号时移、波形伸缩及幅值衰减，由初始参考信号补偿得到实测温度下的参考信号，实现温度补偿。

2.根据权利要求1所述的面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法，其特征在于，膜厚测量前，向基体A-空气界面发射超声波，记录初始温度T₀，采集、存储始波信号，并将基体A-空气界面的反射信号作为初始参考信号；膜厚测量过程中，向基体A-润滑膜-基体B发射超声波，记录温度T及相应温度下的始波信号。

3.根据权利要求1所述的面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法，其特征在于，根据基体A的尺寸及超声波在基体A中的传播速度计算参考信号的时移因子Δt如下：

其中，l_T、

分别为温度为T、T₀时超声波在基体A中的传播距离，即基体A的长度，c_T、

为温度为T、T₀时超声波在基体A中的传播速度。

4.根据权利要求1所述的面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法，其特征在于，参考信号的波形伸缩因子b和幅值衰减因子a计算如下：

其中，t_T、

分别为温度为T、T₀时始波信号的持续时间。

5.根据权利要求1所述的面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法，其特征在于，根据温度T₀下的初始参考信号构造温度T下的参考信号x_T(t)，实现参考信号的温度补偿。

6.根据权利要求5所述的面向油膜厚度超声测量的参考信号实时温度补偿方法，其特征在于，补偿参考信号x_T(t)为：

其中，

为初始参考信号。

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