申洪苗， 馬希直

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

油膜厚度超聲測(cè)量方法及實(shí)驗(yàn)研究

申洪苗， 馬希直

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

根據(jù)垂直入射超聲波在3層介質(zhì)中傳播的相關(guān)理論，給出了基于超聲波反射系數(shù)油膜厚度測(cè)量的諧振模型和彈簧模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。設(shè)計(jì)并制作了基于STC單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生控制器電路，編寫了脈沖串波形、頻率和個(gè)數(shù)控制程序，對(duì)給定油膜厚度的試件進(jìn)行了超聲測(cè)量。結(jié)果表明：通過(guò)測(cè)量超聲波反射系數(shù)可間接獲得機(jī)械結(jié)構(gòu)中油膜厚度，并且測(cè)量誤差基本保持在5%的范圍內(nèi)。

計(jì)量學(xué)；厚度測(cè)量；反射系數(shù)；諧振模型；彈簧模型；信號(hào)發(fā)生控制器

1 引 言

現(xiàn)代工業(yè)中，為了減少相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件間的摩損及表面失效，通常在零部件間加注潤(rùn)滑油。潤(rùn)滑油厚度一般在0.1～100μm之間［1］。研究發(fā)現(xiàn)，油膜過(guò)薄過(guò)厚都會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備不能正常工作。因此，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的油膜厚度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)具有重要的意義。

超聲波具有較強(qiáng)的直線傳播性和穿透力，這種特性被廣泛用于超聲探傷、測(cè)厚等技術(shù)領(lǐng)域。常規(guī)的超聲測(cè)厚是通過(guò)介質(zhì)上、下表面反射波的時(shí)間差及波速來(lái)計(jì)算，但是油膜厚度多為微米級(jí)，上下兩表面反射波的時(shí)間差相當(dāng)微小，無(wú)法直接從時(shí)域波形中區(qū)分。因此，對(duì)于實(shí)際工程中油膜厚度的測(cè)量，常規(guī)的超聲測(cè)厚方法不再適用。

超聲波在多層介質(zhì)中傳播時(shí)，在不同介質(zhì)的分界面處會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，反射系數(shù)與介質(zhì)的厚度、聲速、入射頻率等因素有關(guān)，因此可以通過(guò)測(cè)量反射系數(shù)獲得油膜厚度。國(guó)外，Tattersall H G提出利用超聲脈沖法測(cè)量粘結(jié)層厚度，提出當(dāng)粘接層為薄層時(shí)，可用輕質(zhì)彈簧代替［2］。Pialucha T研究利用垂直入射超聲波檢測(cè)和表征兩個(gè)厚介質(zhì)之間的薄層，指出聲波在理想介質(zhì)中的應(yīng)力和位移是處處連續(xù)的［3］。Drinkwater BW研究超聲波在固體與橡膠界面間的傳播，利用反射系數(shù)判斷界面的耦合性能［4］。Dwyer-Joyce R S和Drinkwater B W等人分析了反射系數(shù)與中間層厚度關(guān)系，完成了垂直入射超聲波測(cè)量動(dòng)、靜態(tài)潤(rùn)滑時(shí)的油膜厚度［5～7］。Reddyoff T等人研究了利用超聲波測(cè)量機(jī)械密封端油膜的厚度，并研究了負(fù)載和速度變化時(shí)，端面膜厚的變化［8，9］。Jie Zhang和Drinkwater BW等人研究了超聲波測(cè)量膜厚的校準(zhǔn)技術(shù)，利用基于壓電陶瓷的校準(zhǔn)系統(tǒng)控制油膜厚度變化［10］。國(guó)內(nèi)，王和順等人利用聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)機(jī)械密封端面參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，重點(diǎn)介紹了主動(dòng)式超聲波檢測(cè)原理［11］。焦敬品等人研究了垂直入射超聲波測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)流體層厚度的方法，分析了介質(zhì)聲學(xué)特性對(duì)反射系數(shù)及厚度測(cè)量的影響［12］。

本文研究了超聲波測(cè)量油膜厚度的方法，建立了膜厚超聲測(cè)量模型，同時(shí)設(shè)計(jì)了用于超聲測(cè)量的信號(hào)發(fā)生及接收系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)中取得較好效果，為解決機(jī)械結(jié)構(gòu)中油膜厚度測(cè)量問(wèn)題提供一種可行的方法及裝置。

2 超聲測(cè)量油膜厚度模型

機(jī)械潤(rùn)滑中，潤(rùn)滑油膜將兩摩擦表面分開(kāi)，油膜兩側(cè)的機(jī)構(gòu)設(shè)為介質(zhì)Ⅰ和介質(zhì)Ⅲ，中間層油膜為介質(zhì)Ⅱ。超聲波垂直入射到3層介質(zhì)中時(shí)，在不同介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射、透射，模型如圖1所示，圖中Ti和Ri分別表示入射波和反射波振幅。

圖1 垂直入射超聲波在3層介質(zhì)中傳播的原理圖

不同機(jī)械設(shè)備中油膜厚度各不相同。為了界定不同膜厚，研究中定義了薄油膜與厚油膜的概念，即當(dāng)油膜厚度遠(yuǎn)小于入射聲波波長(zhǎng)的時(shí)候，這種油膜稱為薄油膜；反之稱為厚油膜。針對(duì)這兩種油膜提出了兩種不同的分析模型，即諧振模型和彈簧模型。

2.1 諧振模型

當(dāng)中間層油膜為厚油膜時(shí)，根據(jù)位移與應(yīng)力連續(xù)邊界條件，得到介質(zhì)Ⅰ與介質(zhì)Ⅱ界面處超聲反射系數(shù)R表達(dá)式式中，z1，z2，z3為3種介質(zhì)的特性阻抗，h為中間層油膜厚度，c2為超聲波在油膜中傳播的速度，ω為入射超聲波的角頻率。

由式（1）看出，超聲波在界面處的反射系數(shù)與入射波頻率及中間層油膜厚度等因素有關(guān)，表1給出常用介質(zhì)的聲學(xué)特性參數(shù)。以鋼-油-鋼3層介質(zhì)為例，分析所得不同厚度油膜對(duì)超聲反射系數(shù)的影響，如圖2所示。

表1 常用介質(zhì)的聲學(xué)特性參數(shù)

圖2 諧振模型中不同厚度油膜的超聲反射系數(shù)

由圖2可以看出，不同油膜厚度的超聲反射系數(shù)在諧振頻率處出現(xiàn)極小值，根據(jù)諧振頻率的定義，油膜厚度h的表達(dá)式為

式中，m為諧振階數(shù)，fm為m階諧振頻率。

2.2 彈簧模型

當(dāng)中間層油膜為薄油膜時(shí)，油膜質(zhì)量可以忽略，可用輕質(zhì)彈簧代替，這種模型稱為彈簧模型。根據(jù)輕質(zhì)彈簧特性及應(yīng)力連續(xù)邊界條件，得到分界面處超聲反射系數(shù)表達(dá)式

式中，K為中間層油膜的剛度。

油膜很薄時(shí)，彈簧剛度的聲學(xué)表達(dá)式為［13］

式中，ρ為中間層油膜的密度。

將式（4）帶入式（3）得到反射系數(shù)與油膜厚度的關(guān)系式

根據(jù)式（5），仍以鋼-油-鋼為例，研究不同厚度油膜對(duì)超聲反射系數(shù)的影響，如圖3所示。

圖3 彈簧模型中不同厚度油膜的超聲反射系數(shù)曲線

由圖3可以看出，同一頻率下，超聲波反射系數(shù)隨著油膜厚度增加而增加。由式（5）推導(dǎo)出油膜厚度的測(cè)量公式

3 信號(hào)發(fā)生控制器電路設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲換能器的激發(fā)原理，需要給換能器輸入高頻電壓信號(hào)才能發(fā)射超聲波。由于激發(fā)不同的超聲換能器所需的脈沖串頻率不同，且檢測(cè)不同設(shè)備時(shí)所要求的脈沖串個(gè)數(shù)也不相同，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)發(fā)生控制器實(shí)時(shí)改變控制參數(shù)。信號(hào)發(fā)生控制器包括單片機(jī)控制電路、信號(hào)發(fā)生電路、脈沖串產(chǎn)生電路和自動(dòng)增益放大電路。其中單片機(jī)控制電路采用STC12C5410AD芯片作為控制器。信號(hào)發(fā)生電路采用高速函數(shù)發(fā)生器MAX038，可產(chǎn)生三角波、鋸齒波、正弦波、方波及脈沖波，工作頻率范圍為0.1 Hz～20 MHz。脈沖串產(chǎn)生電路是通過(guò)單片機(jī)編程控制模擬開(kāi)關(guān)CD4066的開(kāi)與關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中脈沖串個(gè)數(shù)與CD4066的閉合時(shí)間有關(guān)。自動(dòng)增益電路采用AD603增益放大器，AD603是一種低噪音且由電壓控制的放大器，增益范圍可通過(guò)對(duì)其引腳的不同連接實(shí)現(xiàn)多種方式的選擇，范圍有：－10～＋30 dB（帶寬90 MHz）、0～＋40 dB（帶寬30 MHz）和＋10～＋50 dB（帶寬9 MHz）。

4 超聲波激發(fā)電路設(shè)計(jì)

超聲波發(fā)射是由超聲換能器完成的，其能量取自超聲波激發(fā)電路提供的高壓脈沖。一個(gè)高壓脈沖激勵(lì)加載在超聲換能器的壓電晶片上，使壓電晶片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生超聲波。超聲波激發(fā)電路如圖4所示。

圖4 超聲波激發(fā)電路

激發(fā)電路的觸發(fā)由設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生控制器控制，R1為充電電阻，R2為阻尼電阻，C1為充電電容，D1、D2和D3為二極管。當(dāng)沒(méi)有發(fā)射脈沖時(shí)，高壓電源通過(guò)R1、D1對(duì)C1充電，使其兩端的電壓差達(dá)到150 V。觸發(fā)信號(hào)到達(dá)后，場(chǎng)效應(yīng)管IRF830導(dǎo)通，C1放電。在導(dǎo)通的瞬間，IRF830的漏極電壓較小，拉低了C1的電位。由于電容兩端的電壓不能突變，使得D2的輸出端電位在瞬間為－150 V，這個(gè)負(fù)脈沖作用于超聲換能器，使其發(fā)射超聲波。示波器采集的超聲換能器兩端的脈沖波形如圖5所示。

從圖5可以看出，根據(jù)實(shí)測(cè)情況，左邊第一個(gè)脈沖波為超聲換能器發(fā)射的超聲波，第二個(gè)脈沖波為超聲換能器接收的分界面處的一次回波。

圖5 超聲換能器發(fā)射和接收的脈沖波形

5 超聲膜厚測(cè)量實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室建立3層結(jié)構(gòu)油膜厚度超聲測(cè)量系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 油膜厚度超聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生控制器、超聲波激發(fā)電路、超聲換能器、示波器、電源以及一系列待測(cè)間隙模擬機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。其中超聲換能器的中心頻率為2.5 MHz；間隙模擬機(jī)械結(jié)構(gòu)是由兩塊不銹鋼圓盤構(gòu)成，上下圓盤的厚度分別為4 cm和2 cm。

在超聲測(cè)量油膜厚度的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量分界面的超聲反射系數(shù)間接獲得油膜厚度。超聲反射系數(shù)是反射波振幅與入射波振幅的比值，但是在實(shí)驗(yàn)中一般無(wú)法直接獲得入射波振幅。由于不銹鋼與空氣的特性阻抗相差很大，通常聲波在不銹鋼與空氣界面的反射可近似認(rèn)為是全反射，所以超聲波在不銹鋼與空氣界面下的反射波可作為求解反射系數(shù)的參考信號(hào)。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的下圓塊上留有間隙，間隙深度h分別為5μm、9μm、250μm、500μm，利用已知厚度對(duì)油膜厚度超聲測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。圖7為實(shí)驗(yàn)中不同油膜厚度的反射系數(shù)曲線。

圖7 實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的不同厚度油膜的反射系數(shù)曲線

從圖7可以看出，當(dāng)標(biāo)定的油膜厚度為500μm和250μm時(shí)，頻率在2.5～3.2 MHz范圍內(nèi)，反射系數(shù)有極小值點(diǎn)，且極小值點(diǎn)分別在2.93 MHz和2.83 MHz處，其中頻率2.93 MHz為2階諧振頻率。根據(jù)諧振模型，將諧振頻率帶入式可得出油膜厚度。當(dāng)標(biāo)定的油膜厚度為9μm和5μm時(shí)，在2.5～3.2 MHz范圍內(nèi)，反射系數(shù)整體具有單調(diào)增加趨勢(shì)，滿足彈簧模型的要求。根據(jù)彈簧模型，將不同頻率超聲波的反射系數(shù)帶入式，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)得出厚度變化曲線，如圖8所示。

圖8 油膜厚度隨頻率變化的變化曲線

由圖8可以看出，由于實(shí)驗(yàn)誤差油膜厚度曲線不穩(wěn)定，但是油膜厚度基本不隨頻率變化而改變，且分別分布在5μm和9μm附近，與理論模型相符。

經(jīng)過(guò)對(duì)不同厚度油膜進(jìn)行重復(fù)超聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)，取厚度平均值，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯觯贸曋C振模型和彈簧模型測(cè)量油膜厚度的精度一般在5%的范圍內(nèi)。

表2 油膜厚度超聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，根據(jù)反射系數(shù)選取測(cè)量油膜厚度的模型時(shí)，不僅要觀察反射系數(shù)的變化趨勢(shì)，還要考慮超聲換能器的頻率范圍。根據(jù)超聲測(cè)量油膜厚度原理，厚度越薄，諧振頻率越大，但是在實(shí)際應(yīng)用中入射聲波頻率高于60 MHz時(shí)，聲波衰減現(xiàn)象很嚴(yán)重。因此，對(duì)于諧振頻率高于60 MHz的一般選用彈簧模型計(jì)算油膜厚度，反之則用諧振模型計(jì)算。

6 結(jié) 論

本文根據(jù)超聲反射系數(shù)測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了一種頻率和脈沖個(gè)數(shù)連續(xù)可調(diào)的信號(hào)發(fā)生控制電路，并應(yīng)用測(cè)量系統(tǒng)對(duì)3層介質(zhì)系統(tǒng)中的油膜厚度進(jìn)行了測(cè)量，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)垂直入射超聲波在3層介質(zhì)中的反射系數(shù)分析，利用油膜的諧振頻率和剛度系數(shù)可表征油膜厚度。

（2）所研制的激勵(lì)系統(tǒng)可以滿足激發(fā)超聲換能器的要求，完成超聲波發(fā)射與接收。

（3）在自制的油膜測(cè)量標(biāo)定系統(tǒng)上進(jìn)行油膜厚度測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用超聲波諧振模型和彈簧模型測(cè)量油膜厚度結(jié)果與實(shí)際吻合，且誤差一般在5%的范圍內(nèi)。

（4）根據(jù)反射系數(shù)選取測(cè)量油膜厚度的模型，諧振頻率高于60 MHz聲波衰減嚴(yán)重，一般可選用彈簧模型計(jì)算油膜厚度，反之則用諧振模型計(jì)算。

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The Research on Thickness Measurem ent of
O il-film Using Ultrasound and Experim ent

SHEN Hong-miao， MA Xi-zhi
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，Jiangsu 210016，China）

According to the related theory of the acoustic propagation in three layers ofmedia，the resonantmodel and the springmodel of oil-film thickness measurement is given based on ultrasound reflection coefficient.On this basis，the experimental tests have been finished.The hardware circuit of signaling controller adopting STC is designed and made.The control program ofwaveform，frequency and number iswritten.The given oil film thickness of the specimen ismeasured by the developed circuit.The result shows that the thicknessmeasurement of oil-film inmechanical structure can be obtained indirectly bymeasuring the ultrasonic reflection coefficient.The error ofmeasurement is keptwithin the range of 5%.

Metrology；Thickness measurement；Reflection coefficient；Resonantmodel；Spring model；Signaling controller

A

1000-1158（2014）

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．01．0601-0025-05

2012-11-09；

2013-01-24

國(guó)家自然科學(xué)基金（50975138）

申洪苗（1986－），女，江蘇連云港人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)槌暅y(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)中潤(rùn)滑油油膜分布。Shenhongmiao8＠163.com