CN106989703A - 一种全范围润滑膜厚度超声检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全范围润滑膜厚度超声检测装置和方法，利用超声波在润滑层上声压反射系数的幅值谱和相位谱对不同范围润滑膜测量精度互补的特点，针对不同厚度范围的润滑膜，分别采用超声波在润滑层上声压反射系数的幅值谱和相位谱获得各范围润滑膜厚度的精确值，该方法能够通过单一中心频率的超声波传感器实现全范围润滑膜厚度的精确测量，能够为摩擦学元件润滑状态的在线监测提供便利。

Description

一种全范围润滑膜厚度超声检测装置及方法

技术领域

本发明属于润滑状态检测技术领域，具体涉及一种全范围润滑膜厚度超声检测装置及方法。

背景技术

轴承、齿轮、密封等摩擦学元件依靠润滑膜将相互运动的两个摩擦副表面隔开，避免摩擦副表面间的直接接触，其润滑状态决定了摩擦副的润滑性能、承载能力、运行平稳性和寿命等行为能力，是摩擦学元件的关键所在。摩擦学元件润滑膜厚度检测能够为润滑理论研究提供实证数据，并为摩擦学元件润滑状态监测提供定量化的信息，具有重要的理论和工程意义。

目前润滑膜厚检测方法主要有电测法、光测法和超声波法。其中，电测法需要传感器与润滑膜上下表面接触，会对摩檫学元件结构和润滑膜的形成产生破坏和干扰，是一种介入式方法；光测法则需要被测对象为透光材料或为传感器提供一个透明窗口，无法应用于实际金属材质摩擦学元件的润滑膜厚检测；超声波法由于超声波具有良好的直线传播特性和强穿透性，能够应用于实际金属材质摩檫学元件润滑膜厚的检测，是一种优良的非介入式膜厚检测手段，该膜厚检测技术近年来受到较多研究与应用。

润滑膜厚超声检测方法依据依据检测模型的不同分为超声波飞行时间法、超声波共振法、超声波弹簧模型法。不同的方法适合不同膜厚范围的检测，对于单个中心频率的传感器来说，其在超声波共振法与超声波弹簧模型法之间存在一个测不准区，在滑动轴承润滑膜厚度在线检测等应用场合，其润滑膜厚度范围从几微米到上百微米范围内变化，在传统单纯通过超声波在润滑层上声压反射系数幅值谱的检测方法中，采用单个中心频率传感器无法实现润滑膜检测范围的全覆盖精确测量。一种工程化的解决方法是在大型摩檫学元件紧邻的位置安装两个不同中心频率的超声波传感器，其中每个中心频率传感器对应不同的检测区域，两个不同中心频率传感器相互配合完成全范围润滑膜厚度的检测。然而，严格来说，该两个中心频率传感器的测量位置并不一致，将紧邻位置两测点处的膜厚作为同一测点的结果，这种方式在大型摩檫学元件应用中尚可接受，但在小型摩檫学元件润滑膜厚的在线监测中无疑会引入较大偏差。此外两个传感器配合完成全范围润滑膜厚度的检测必然会成倍地增加膜厚检测设备的成本。

因此，发展一种通过单一中心频率精确检测全范围润滑膜厚度的检测方法无论对于提高实际摩檫学元件润滑膜厚度的在线检测精度还是对于降低膜厚超声检测装置的成本都具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种全范围润滑膜厚度的超声检测装置和方法，结合超声波在润滑层上声压反射系数的幅值谱和相位谱，充分利用超声波在润滑层上声压反射系数的幅值和相位对不同厚度范围润滑膜的敏感性互补的特点，实现润滑膜厚度全范围精确测量。

为了达到上述目的，一种全范围润滑膜厚度超声检测装置，包括超声波传感器，超声波传感器通过同轴电缆连接脉冲发射接收仪，脉冲发射接收仪通过同轴电缆连接示波器，示波器通过USB连接PC。

一种全范围润滑膜厚度超声检测方法，包括以下步骤：

步骤一，选择中心频率为10MHz的超声波压电元件作为超声波传感器，将其粘帖在摩檫学元件的背面；

步骤二，通过润滑膜厚度超声检测装置获得超声波在润滑层上声压反射系数幅值谱和相位谱。

步骤三，利用超声波在润滑层上的声压反射系数的幅值谱和相位谱，对于膜厚范围为0-10μm的润滑膜，利用超声波在润滑层上声压反射系数幅值谱，通过超声波弹簧模型法获得其精确膜厚值；对于膜厚范围为45μm～+∞的润滑膜，利用超声波在润滑层上声压反射系数幅值谱，通过超声波共振法获得其精确润滑膜厚值；

步骤四，对于膜厚范围为10μm～45μm的润滑膜，利用超声波在润滑层上声压反射系数相位谱，利用声压反射系数的相位值获得其精确膜厚值。

所述步骤二中，润滑层上声压反射系数的幅值谱的获得方式为：首先测量超声波在待测摩檫学元件与空气界面的时域反射信号作为参考信号，经过高精度傅里叶变换转化成频域信号，通过该频域反射信号分别获得参考信号的幅值谱和相位谱；然后测量超声波在润滑层上的时域反射信号，通过同样的方式获得该反射信号的频域幅值谱和相位谱；最后将超声波在润滑层上反射信号的幅值谱除以参考反射信号的幅值谱获得声压反射系数幅值谱；将参考信号的相位谱减去超声波在润滑层上反射信号的相位谱获得超声波在润滑层上声压反射系数的相位谱。

所述步骤三中，超声波在润滑层上声压反射系数的幅值谱和相位谱，当润滑层两侧材料不同时，超声波在润滑层上声压反射系数的幅值谱和相位谱解析表达式分别为：

其中，|R(f)|为声压反射系数幅值谱；R₁₂为超声波在入射层与润滑层界面的反射系数；R₂₃为超声波在润滑层与透射层界面的反射系数；f为超声波频率；h为润滑层厚度；c₂为超声波在润滑层中的声速；Φ_R(f)为声压反射系数相位谱。

所述步骤三中，对于膜厚范围为0-10μm的润滑膜，利用超声波在润滑层上声压反射系数的幅值谱，通过超声波弹簧模型法获得其精确膜厚值，其求解公式为：

其中，Z₁为超声波入射层介质的声阻抗；Z₃为超声波透射层介质的声阻抗；ρ₂为润滑层介质的密度；ω为超声波角频率。

所述步骤三中，对于膜厚范围为45μm～+∞的润滑膜，利用超声波在润滑层上声压反射系数幅值谱，通过超声波共振法获得其精确润滑膜厚值，其求解公式为：

其中，Δf为声压反射系数相邻极小值间的频率间隔。

所述步骤四中，对于膜厚范围为10μm～45μm的润滑膜，利用超声波在润滑层上声压反射系数相位谱，通过声压反射系数相位谱与膜厚的关系获得其精确膜厚值，润滑膜厚度与声压反射系数的相位和超声波频率的解析函数关系为：

与现有技术相比，本发明通过将10MHz超声波压电元件粘贴在待测摩擦学元件的背面，在脉冲发射接收仪的激励下，获得超声波在润滑层上的反射信号，反射信号经示波器采集后传输到PC中进行处理，本装置通过同时获得声压反射系数的幅值谱和相位谱，可实现单个中心频率传感器全范围润滑膜厚度的精确测量。

本发明利用超声波在润滑层上声压反射系数的幅值谱和相位谱对不同范围膜厚测量精度的敏感性互补的特点，根据不同的润滑膜厚度范围，分别采用超声波在润滑层上的幅值谱和相位谱获得润滑膜厚度的精确值，结合声压反射系数的幅值谱和相位谱实现全范围润滑膜厚度的检测，该方法能够为摩檫学元件润滑状态的在线监测提供一种优良的非介入式检测手段。

附图说明：

图1为一种全范围润滑膜厚度超声检测装置示意图

图2为所用超声波压电元件结构示意图

图3为超声波在润滑层上的时域反射信号

图4超声波在润滑层上声压反射系数幅值谱和相位谱与超声波频率和润滑层厚度乘积的关系

图5为高精度润滑膜厚模拟实验台

图6为本发明方法测量值与设定膜厚值对比结果

图中，1、超声波传感器；2、超声波脉冲发射接收仪；3、示波器；4、PC；5、压电控制器；6、螺旋测微仪；7、压电促动器；8、装夹装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1，一种全范围润滑膜厚度超声检测装置包括超声波传感器1，超声波传感器通过同轴电缆连接脉冲发射接收仪2，脉冲发射接收仪2通过同轴电缆连接示波器3，示波器3通过USB接口连接PC4。

选择中心频率为10MHz的超声波压电元件作为超声波传感器，其外形结构如图2所示。将超声波压电元件通过粘合剂粘帖在待测摩檫学元件的背面。将同轴电缆的正负极焊接在超声波压电元件的正负极上，通过环氧树脂对超声波压电元件和同轴电缆进行封装。

通过润滑膜厚超声检测装置获得超声波在润滑层上的时域反射信号，如图3所示。通过高精度傅里叶变换分别获得频域信号的幅值谱和相位谱，将超声波在润滑层上反射信号的幅值谱除以参考信号的幅值谱获得超声波在润滑层上声压反射系数的幅值谱；将参考信号的相位谱减去超声波在润滑层上反射信号的相位谱获得超声波在润滑层上声压反射系数的相位谱。

图4展示了超声波在润滑层上声压反射系数的幅值谱和相位谱与润滑层厚度和超声波频率乘积的关系。对于厚度为1-10μm的润滑膜，通过声压反射系数幅值谱利用弹簧模型法公式获得润滑膜厚度的精确值：

对于厚度为45μm以上的润滑膜，通过超声波在润滑层上声压反射系数幅值谱利用超声波共振法公式获得润滑膜厚度的精确值：

对于厚度为10μm～45μm的润滑膜，通过超声波在润滑层上声压反射系数相位谱利用以下公式获得润滑膜厚度的精确值：

实施例：

以图5所示的高精度润滑膜厚度模拟实验台构造一系列已知厚度润滑膜厚度进行实际测量为例，说明了本发明测试方法的有效性。通过螺旋测微仪6、压电控制器5、压电促动器7、装夹装置8以及PC4构建一台高精度润滑膜厚模拟实验台，通过该实验台构建一系列已知厚度的润滑膜，通过本发明提供的膜厚检测装置和方法，测量了厚度从0.1μm-200μm的润滑膜，实验测量结果与设定值吻合很好，对比结果如图6所示。

Claims (8)

1.一种全范围润滑膜厚度的超声检测装置，其特征在于，包括超声波传感器(1)，超声波传感器(1)通过同轴电缆连接超声波脉冲接收仪(2)，超声波脉冲接收仪(2)通过同轴电缆同时与示波器(3)连接，示波器(3)通过USB接口连接工业PC(4)。

2.一种全范围润滑膜厚度的超声检测装置，其特征在于，所述超声波传感器(1)的中心频率为10MHz。

3.一种全范围润滑膜厚度的超声检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，选择中心频率为10MHz的超声波压电元件作为超声波传感器(1)，将其粘帖在摩檫学元件的背面；

步骤二，通过润滑膜厚度超声检测装置获得超声波在润滑层上声压反射系数幅值谱和相位谱；

步骤三，利用超声波在润滑层上的声压反射系数的幅值谱和相位谱，对于膜厚范围为0-10μm的润滑膜，利用超声波在润滑层上声压反射系数幅值谱，通过超声波弹簧模型法获得其精确膜厚值；对于膜厚范围为45μm～+∞的润滑膜，利用超声波在润滑层上声压反射系数幅值谱，通过超声波共振法获得其精确润滑膜厚值；

步骤四，对于膜厚范围为10μm～45μm的润滑膜，利用超声波在润滑层上声压反射系数相位谱，利用声压反射系数的相位值获得其精确膜厚值。

4.根据权利要求3所述的一种全范围润滑膜厚度的超声检测方法，其特征在于，所述步骤二中，润滑层上声压反射系数的幅值谱的获得方式为：首先测量超声波在待测摩擦学元件与空气界面的时域反射信号作为参考信号，经过高精度傅里叶变换转化成频域信号，通过该频域反射信号分别获得参考信号的幅值谱和相位谱；然后测量超声波在润滑层上的时域反射信号，通过同样的方式获得该反射信号的频域幅值谱和相位谱；最后将超声波在润滑层上反射信号的幅值谱除以参考反射信号的幅值谱获得声压反射系数幅值谱；将参考信号的相位谱减去超声波在润滑层上反射信号的相位谱获得超声波在润滑层上声压反射系数的相位谱。

5.根据权利要求3所述的一种全范围润滑膜厚度的超声检测方法，其特征在于，所述步骤三中，超声波在润滑层上声压反射系数的幅值谱和相位谱，当润滑层两侧材料不同时，超声波在润滑层上声压反射系数的幅值谱和相位谱解析表达式分别为：

$\left|R\left(f\right)\right|={\[\frac{{\left(R_{12}+R_{23}\right)}^2-4R_{12}{R}_{23}{\sin }^2\left(2\mathrm{\π}fh/c_2\right)}{{\left(1+R_{12}{R}_{23}\right)}^2-4R_{12}{R}_{23}{\sin }^2\left(2\mathrm{\π}fh/c_2\right)}\]}^{1/2}$

${\mathrm{\Φ}}_R\left(f\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{R_{23}(1-{R_{12}}^2)\sin (4\mathrm{\π}fh/c_2)}{R_{12}+R_{23}(1+R_{12}^2)\cos (4\mathrm{\π}fh/c_2)+R_{12}{R}_{23}^2}\right)$

其中，|R(f)|为声压反射系数幅值谱；R₁₂为超声波在入射层与润滑层界面的反射系数；R₂₃为超声波在润滑层与透射层界面的反射系数；f为超声波频率；h为润滑层厚度；c₂为超声波在润滑层中的声速；Φ_R(f)为声压反射系数相位谱。

6.根据权利要求3所述的一种全范围润滑膜厚度的超声检测方法，其特征在于，所述步骤三中，对于膜厚范围为0-10μm的润滑膜，利用超声波在润滑层上声压反射系数的幅值谱，通过超声波弹簧模型法获得其精确膜厚值，其求解公式为：

$h=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2^2}{{\mathrm{\ωZ}}_3{Z}_1}\sqrt{\frac{|R\left(f\right){|}^2{(Z_3+Z_1)}^2-{(Z_3-Z_1)}^2}{1-|R\left(f\right){|}^2}}$

其中，Z₁为超声波入射层介质的声阻抗；Z₃为超声波透射层介质的声阻抗；ρ₂为润滑层介质的密度；ω为超声波角频率。

7.根据权利要求3所述的一种全范围润滑膜厚度的超声检测方法，其特征在于，所述步骤三中，对于膜厚范围为45μm～+∞的润滑膜，利用超声波在润滑层上声压反射系数幅值谱，通过超声波共振法获得其精确润滑膜厚值，其求解公式为：

$h=\frac{c_2}{2\·\mathrm{\Δ}f}$

其中，Δf为声压反射系数相邻极小值间的频率间隔。

8.根据权利要求3所述的一种全范围润滑膜厚度的超声检测方法，其特征在于，所述步骤四中，对于膜厚范围为10μm～45μm的润滑膜，利用超声波在润滑层上声压反射系数相位谱，通过声压反射系数相位谱与膜厚的关系获得其精确膜厚值，润滑膜厚度与声压反射系数的相位和超声波频率的解析函数关系为：

$h=\frac{c_2}{4\mathrm{\π}f}\arcsin \[\frac{2{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2\left({\mathrm{tan\Φ}}_R\right(f\left)\right)(Z_1^2-Z_3^2)}{Z_1{Z}_3^2\±\sqrt{{\left(Z_1{Z}_3^2\right)}^2-{\left({\mathrm{tan\Φ}}_R\right(f\left)\right)}^2(Z_1^2-Z_3^2){\left(Z_1{Z}_3\right)}^2}}\].$