申洪苗， 馬希直

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016）

油膜厚度超聲測量方法及實驗研究

申洪苗， 馬希直

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016）

根據垂直入射超聲波在3層介質中傳播的相關理論，給出了基于超聲波反射系數油膜厚度測量的諧振模型和彈簧模型，在此基礎上進行實驗測試。設計并制作了基于STC單片機的信號發(fā)生控制器電路，編寫了脈沖串波形、頻率和個數控制程序，對給定油膜厚度的試件進行了超聲測量。結果表明：通過測量超聲波反射系數可間接獲得機械結構中油膜厚度，并且測量誤差基本保持在5%的范圍內。

計量學；厚度測量；反射系數；諧振模型；彈簧模型；信號發(fā)生控制器

1 引 言

現(xiàn)代工業(yè)中，為了減少相對運動的零部件間的摩損及表面失效，通常在零部件間加注潤滑油。潤滑油厚度一般在0.1～100μm之間［1］。研究發(fā)現(xiàn)，油膜過薄過厚都會導致機械設備不能正常工作。因此，對關鍵設備的油膜厚度進行在線監(jiān)測具有重要的意義。

超聲波具有較強的直線傳播性和穿透力，這種特性被廣泛用于超聲探傷、測厚等技術領域。常規(guī)的超聲測厚是通過介質上、下表面反射波的時間差及波速來計算，但是油膜厚度多為微米級，上下兩表面反射波的時間差相當微小，無法直接從時域波形中區(qū)分。因此，對于實際工程中油膜厚度的測量，常規(guī)的超聲測厚方法不再適用。

超聲波在多層介質中傳播時，在不同介質的分界面處會發(fā)生反射現(xiàn)象，反射系數與介質的厚度、聲速、入射頻率等因素有關，因此可以通過測量反射系數獲得油膜厚度。國外，Tattersall H G提出利用超聲脈沖法測量粘結層厚度，提出當粘接層為薄層時，可用輕質彈簧代替［2］。Pialucha T研究利用垂直入射超聲波檢測和表征兩個厚介質之間的薄層，指出聲波在理想介質中的應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與中間層厚度關系，完成了垂直入射超聲波測量動、靜態(tài)潤滑時的油膜厚度［5～7］。Reddyoff T等人研究了利用超聲波測量機械密封端油膜的厚度，并研究了負載和速度變化時，端面膜厚的變化［8，9］。Jie Zhang和Drinkwater BW等人研究了超聲波測量膜厚的校準技術，利用基于壓電陶瓷的校準系統(tǒng)控制油膜厚度變化［10］。國內，王和順等人利用聲波檢測技術對機械密封端面參數進行測量，重點介紹了主動式超聲波檢測原理［11］。焦敬品等人研究了垂直入射超聲波測量機械結構流體層厚度的方法，分析了介質聲學特性對反射系數及厚度測量的影響［12］。

本文研究了超聲波測量油膜厚度的方法，建立了膜厚超聲測量模型，同時設計了用于超聲測量的信號發(fā)生及接收系統(tǒng)，并在實驗中取得較好效果，為解決機械結構中油膜厚度測量問題提供一種可行的方法及裝置。

2 超聲測量油膜厚度模型

機械潤滑中，潤滑油膜將兩摩擦表面分開，油膜兩側的機構設為介質Ⅰ和介質Ⅲ，中間層油膜為介質Ⅱ。超聲波垂直入射到3層介質中時，在不同介質的分界面處發(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層介質中傳播的原理圖

不同機械設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，即當油膜厚度遠小于入射聲波波長的時候，這種油膜稱為薄油膜；反之稱為厚油膜。針對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

當中間層油膜為厚油膜時，根據位移與應力連續(xù)邊界條件，得到介質Ⅰ與介質Ⅱ界面處超聲反射系數R表達式式中，z1，z2，z3為3種介質的特性阻抗，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與入射波頻率及中間層油膜厚度等因素有關，表1給出常用介質的聲學特性參數。以鋼-油-鋼3層介質為例，分析所得不同厚度油膜對超聲反射系數的影響，如圖2所示。

表1 常用介質的聲學特性參數

圖2 諧振模型中不同厚度油膜的超聲反射系數

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

式中，m為諧振階數，fm為m階諧振頻率。

2.2 彈簧模型

當中間層油膜為薄油膜時，油膜質量可以忽略，可用輕質彈簧代替，這種模型稱為彈簧模型。根據輕質彈簧特性及應力連續(xù)邊界條件，得到分界面處超聲反射系數表達式

式中，K為中間層油膜的剛度。

油膜很薄時，彈簧剛度的聲學表達式為［13］

式中，ρ為中間層油膜的密度。

將式（4）帶入式（3）得到反射系數與油膜厚度的關系式

根據式（5），仍以鋼-油-鋼為例，研究不同厚度油膜對超聲反射系數的影響，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曲線

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

3 信號發(fā)生控制器電路設計

根據超聲換能器的激發(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，且檢測不同設備時所要求的脈沖串個數也不相同，因此需要設計一個信號發(fā)生控制器實時改變控制參數。信號發(fā)生控制器包括單片機控制電路、信號發(fā)生電路、脈沖串產生電路和自動增益放大電路。其中單片機控制電路采用STC12C5410AD芯片作為控制器。信號發(fā)生電路采用高速函數發(fā)生器MAX038，可產生三角波、鋸齒波、正弦波、方波及脈沖波，工作頻率范圍為0.1 Hz～20 MHz。脈沖串產生電路是通過單片機編程控制模擬開關CD4066的開與關來實現(xiàn)，其中脈沖串個數與CD4066的閉合時間有關。自動增益電路采用AD603增益放大器，AD603是一種低噪音且由電壓控制的放大器，增益范圍可通過對其引腳的不同連接實現(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)電路設計

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。一個高壓脈沖激勵加載在超聲換能器的壓電晶片上，使壓電晶片產生機械振動，進而產生超聲波。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)由設計的信號發(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。當沒有發(fā)射脈沖時，高壓電源通過R1、D1對C1充電，使其兩端的電壓差達到150 V。觸發(fā)信號到達后，場效應管IRF830導通，C1放電。在導通的瞬間，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，這個負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，根據實測情況，左邊第一個脈沖波為超聲換能器發(fā)射的超聲波，第二個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 超聲膜厚測量實驗

在實驗室建立3層結構油膜厚度超聲測量系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 油膜厚度超聲測量實驗系統(tǒng)

該系統(tǒng)由信號發(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間隙模擬機械結構組成。其中超聲換能器的中心頻率為2.5 MHz；間隙模擬機械結構是由兩塊不銹鋼圓盤構成，上下圓盤的厚度分別為4 cm和2 cm。

在超聲測量油膜厚度的實驗中，通過測量分界面的超聲反射系數間接獲得油膜厚度。超聲反射系數是反射波振幅與入射波振幅的比值，但是在實驗中一般無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的參考信號。

機械結構的下圓塊上留有間隙，間隙深度h分別為5μm、9μm、250μm、500μm，利用已知厚度對油膜厚度超聲測量系統(tǒng)進行標定。圖7為實驗中不同油膜厚度的反射系數曲線。

圖7 實驗中測量的不同厚度油膜的反射系數曲線

從圖7可以看出，當標定的油膜厚度為500μm和250μm時，頻率在2.5～3.2 MHz范圍內，反射系數有極小值點，且極小值點分別在2.93 MHz和2.83 MHz處，其中頻率2.93 MHz為2階諧振頻率。根據諧振模型，將諧振頻率帶入式可得出油膜厚度。當標定的油膜厚度為9μm和5μm時，在2.5～3.2 MHz范圍內，反射系數整體具有單調增加趨勢，滿足彈簧模型的要求。根據彈簧模型，將不同頻率超聲波的反射系數帶入式，經過多次重復測量實驗得出厚度變化曲線，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，由于實驗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。

經過對不同厚度油膜進行重復超聲測量實驗，取厚度平均值，結果見表2。可以看出，利用超聲諧振模型和彈簧模型測量油膜厚度的精度一般在5%的范圍內。

表2 油膜厚度超聲測量實驗結果

從實驗結果可以看出，根據反射系數選取測量油膜厚度的模型時，不僅要觀察反射系數的變化趨勢，還要考慮超聲換能器的頻率范圍。根據超聲測量油膜厚度原理，厚度越薄，諧振頻率越大，但是在實際應用中入射聲波頻率高于60 MHz時，聲波衰減現(xiàn)象很嚴重。因此，對于諧振頻率高于60 MHz的一般選用彈簧模型計算油膜厚度，反之則用諧振模型計算。

6 結 論

本文根據超聲反射系數測量原理，設計了一種頻率和脈沖個數連續(xù)可調的信號發(fā)生控制電路，并應用測量系統(tǒng)對3層介質系統(tǒng)中的油膜厚度進行了測量，得出以下結論：

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

（2）所研制的激勵系統(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）在自制的油膜測量標定系統(tǒng)上進行油膜厚度測量實驗。實驗結果表明，利用超聲波諧振模型和彈簧模型測量油膜厚度結果與實際吻合，且誤差一般在5%的范圍內。

（4）根據反射系數選取測量油膜厚度的模型，諧振頻率高于60 MHz聲波衰減嚴重，一般可選用彈簧模型計算油膜厚度，反之則用諧振模型計算。

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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

國家自然科學基金（50975138）

申洪苗（1986－），女，江蘇連云港人，南京航空航天大學碩士研究生，研究方向為超聲測量機械結構中潤滑油油膜分布。Shenhongmiao8＠163.com