楊曉，馬希直，王衛(wèi)英

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

?

油膜厚度超聲測量電路及實驗

楊曉，馬希直，王衛(wèi)英

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

摘要：為解決工業(yè)設備中潤滑油膜厚度不易測量的問題，以諧振模型和彈簧模型為理論依據，設計并制作了油膜厚度超聲測量電路，其中包括脈沖發(fā)生與控制電路、超聲激勵電路和反射波接收電路。利用所設計的超聲測量系統進行實驗，完成了對油膜厚度的測量。測量結果的相對誤差在5%以內，證明了所設計的測量電路和測量方法是可行的。

關鍵詞：油膜厚度；超聲測量；電路設計

0引言

為了保證齒輪、軸承等機械傳動部件正常工作，減少磨損，通常會在零件相對運動的表面間加注潤滑油，這層潤滑油膜是傳動系統的薄弱環(huán)節(jié)，油膜失效是機械故障最常見的原因之一[1]。油膜太薄會使零件表面相互摩擦加劇，造成磨損甚至使設備不能正常工作；油膜太厚又會造成泄漏和能量損失。因此準確了解油膜厚度分布情況對保證機械正常工作有著重要意義。

在各種油膜厚度測量方法中，電阻法、電容法和光學方法都被證明是有效的測量方法。但是，這些方法都必須對被測對象的結構進行部分修改，前兩種方法要求形成油膜的零件能夠導電，光學方法要求具有光學窗口[2-4]，這些要求限制了現場測量的應用。另外，X射線法、激光法等，不同程度的存在技術難點或對實驗條件要求較高等缺點[5，6]。

與前述測量方法不同，超聲波測量法是一種新的油膜厚度測量方法，它對材料基本沒有限制，更為適合工業(yè)現場潤滑油膜厚度的測量。英國B.W. Drinkwater等對超聲波油膜厚度測量方法進行了深入研究，建立用于不同油膜厚度范圍的測量模型，并對測量方法進行了驗證[7-9]。國內學者對超聲測量機械結構液體層厚度也進行了相應的

研究[10-12]，分析了測量模型及影響因素，完成了超聲波油膜厚度測量模型的建立和測量電路設計調試，并進行了超聲波油膜厚度測量實驗，驗證了測量電路和測量方法的正確性。

1油膜厚度測量模型

利用超聲反射信號測量機械結構中的油膜厚度主要有3種模型：時間速度模型、諧振模型和彈簧模型。

時間速度模型是在已知被測油膜中超聲波的傳播速度v時，測出油膜上、下表面的反射波的時間間隔t，利用公式h=vt/2，算出油膜厚度h。這種測量模型最常用，但它要求油膜要有足夠的厚度，即能區(qū)分出上、下表面的反射波。對于軸承等傳動部件中微米級甚至納米級的油膜厚度顯然是不適用的。文中主要分析后兩種測量模型。軸承等機械部件潤滑油膜，可認為是圖1鋼-潤滑油-鋼的三層結構，中間層Ⅱ是潤滑油。

a) 諧振模型

通過對厚度層的超聲波諧振情況進行測量，能夠推算出該層的厚度和特性，這是一種已經建立的方法[13]。諧振點就是超聲波反射系數頻譜圖中的極小值點。已知被測油膜層的聲學特性(表1)，可以根據公式(1)求出油膜厚度。

圖1　鋼-潤滑油-鋼結構圖

名稱密度ρ/(103kg/m3)聲速c/(m/s)特性阻抗ρc/(106N·s/m3)空氣1.213440.416油0.87614601.279不銹鋼7.91579045.8

(1)

其中，m—聲波的諧振階數，fm—m次諧振時的頻率。通常測量時，m取1，此時計算簡單，對應的頻率f1是油膜的最小諧振頻率。由于聲波衰減隨著頻率的增加而急劇增大，頻率過高時聲波衰減很強，因此用于測量的換能器頻率一般不超過100MHz。結合表1中油膜的聲學特性，能算出諧振模型能夠測量的最小膜厚約為7μm。實際測量過程中，油膜厚度大于10μm時采用諧振模型。

b) 彈簧模型

當中間油膜厚度小于10μm時，油膜很薄可以忽略其質量。假設油膜層的反射是由其剛度決定的，那么該油膜可以看作輕質彈簧，稱這種模型為彈簧模型，如圖2所示。

圖2　彈簧模型

彈簧模型推導出的油膜厚度計算公式為[11]：

(2)

其中，下標1～3分別表示介質Ⅰ～Ⅲ，R—反射系數。文中油膜兩側介質均為不銹鋼，即Z1=Z3=Z，上式化簡為：

(3)

圖3為不銹鋼-油-不銹鋼的反射系數示意圖，從圖中可以看出彈簧模型是利用頻率—反射系數的線性關系計算油膜厚度，而諧振模型是利用諧振點計算油膜厚度。

圖3　不銹鋼-油-不銹鋼的反射系數

2超聲測厚電路

設計的超聲測厚電路主要包括脈沖發(fā)生與控制電路、超聲激勵電路、反射波接收電路和數據通信電路。

a) 脈沖發(fā)生與控制電路

脈沖發(fā)生與控制電路由信號發(fā)生芯片、多路開關、單片機、放大電路組成(圖4)。其中信號發(fā)生芯片發(fā)射頻率為2.5MHz的矩形脈沖串，單片機控制多路開關的開通時間，從而控制輸出到后級的脈沖串個數。因為脈沖幅值太小，不能被后面的激勵電路識別，所以將通過的脈沖先進行放大，再輸入到超聲激勵電路。

圖4　脈沖發(fā)生與控制原理圖

b) 超聲激勵電路

超聲激勵電路如圖5所示，上級脈沖信號輸入到場效應管驅動芯片，該芯片的輸出信號控制場效應管的導通和截止，當輸出為高電平時場效應管導通，反之則截止。場效應管截止時，高壓電源對電容C34充電，導通時C34對外放電。電路利用C34放電產生的瞬時高壓負脈沖，激勵超聲換能器。

圖5　超聲激勵電路

c) 反射波接收電路

反射波接收電路主要包括限幅電路和放大電路。應用的超聲換能器是中心頻率為2.5MHz的單晶探頭，即發(fā)射和接收采用同一個換能器，因此為了避免激勵換能器的高壓燒毀接收電路，在接收電路中必須有限幅電路。反射波經限幅、放大后信噪比高，不需要濾波電路，與傳統的測量方法相比，接收電路更加簡單。

限幅電路利用橋式電路和穩(wěn)壓二極管的單向導通性，將電壓限制在±5V以內，選用AD603對信號進行放大。圖6為限幅放大處理前和處理后的超聲信號對比圖。

圖6　限幅放大處理前后超聲信號對比圖

3測量實驗

設計加工了上下兩層為不銹鋼，中間油膜厚度分別是500μm，9μm和5μm的三層標準被測裝置，采用設計的測量電路對油膜厚度進行測量，并對數據進行分析。圖7為油膜厚度測量實驗圖。

圖7　油膜厚度測量實驗圖

厚度是500μm的油膜可利用諧振模型，圖8、圖9是其反射波的時域圖和反射系數的頻譜圖。從圖8可得出油膜諧振頻率是2.84MHz，計算出膜厚為514μm，相對誤差是2.8%。

圖8　500 μm油膜的反射波時域圖

厚度是9μm和5μm的油膜采用彈簧模型。實驗測量的油膜厚度如圖10、圖11所示。從圖9中可看出油膜厚度隨頻率變化有變動但總體趨向直線，5μm油膜的測量值基本不隨頻率變化，均可對膜厚進行測量。

圖9　500 μm油膜反射系數頻譜圖

圖10　9 μm油膜系統測量散點圖

圖11　5 μm油膜系統測量散點圖

4結語

對油膜厚度超聲測量方法進行了研究，設計制作了膜厚測量電路，完成了油膜厚度測量實驗，分析實驗結果得到以下結論。

1) 建立的油膜厚度測量模型，可以應用到油膜厚度測量中，是切實可行的油膜厚度測量方法；

2) 設計制作的測量電路能夠良好地實現發(fā)射脈沖串、激勵超聲換能器、對反射信號進行接收處理等功能，接收的反射信號準確穩(wěn)定，為油膜厚度計算提供了可靠的實驗數據；

3) 分別對500μm、9μm和5μm厚的油膜進行了實驗測量，其中第一項的測量厚度為514μm，后兩項測得的油膜厚度與實際厚度基本一致，測量值隨頻率變化很小，比較穩(wěn)定。3種厚度的測量結果相對誤差均在5%以內，精度較高，驗證了油膜厚度超聲測量電路和測量方法的正確性。

參考文獻:

[1] Stachowiak G, Batchelor A W. Engineering tribology[M]. Butterworth-Heinemann, 2001, 281-313.

[2] Astridge D G, Longfield M D. Paper 11: Capacitance Measurements and Oil Film Thickness in a Large-Radius Disc and Ring Machine[C]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Conference Proceedings. SAGE Publications, 1967, 182(14): 89-96.

[3] El-Sisi S. I, Shawki G. S. A. Measurement of oil-film thickness between disks by electrical conductivity[J]. Journal of Basic Engineering, 1960, 82: 12-18.

[4] Richardson, D.A. and Borman, G.L. Using Fibre Optics and Laser Fluorescence for Measuring Thin Oil Film with Applications to Engines. SAE Paper 912388.1991.

[5] 崔焱,秦穎. 滑動軸承潤滑油膜厚度測量方法分析[J]. 機械管理開發(fā),2009,24(4):15-16.

[6] 貴忠東.推力軸承油膜厚度測量方法概述[J]. 機電設備,2005,25(5): 10-12.

[7] Drinkwater B, Dwyer-Joyce R, Cawley P. A study of the transmission of ultrasound across solid-rubber interfaces[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1997, 101(2): 970-981.

[8] Dwyer-Joyce R S, Drinkwater B W, Donohoe C J. The measurement of lubricant-film thickness using ultrasound[J]. Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2003, 459(2032): 957-976.

[9] Zhang J, Drinkwater B W, Dwyer-Joyce R S. Calibration of the ultrasonic lubricant-film thickness measurement technique[J]. Measurement Science and Technology, 2005, 16(9): 1784.

[10] 焦敬品, 張強, 吳斌, 等. 機械結構流體層厚度超聲測量方法理論研究[J]. 聲學技術, 2009, 28(3):240-244.

[11] 唐偉坤, 馬希直. 利用反射系數測量油膜厚度的研究[J]. 潤滑與密封, 2010, 35(12): 44-47.

[12] 焦敬品, 張強, 何存富, 等. 機械結構液體層厚度超聲諧振的測量方法[J]. 振動, 測試與診斷, 2012, 32(2):296-300.

[13] Pialucha T, Cawley P. The detection of thin embedded layers using normal incidence ultrasound[J]. Ultrasonics, 1994, 32(6): 431-440.

Ultrasonic Measurement System of Oil-film Thickness

YANG Xiao, MA Xi-zhi, WANG Wei-ying

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics

and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:This paper studies the ultrasonic measurement of oil-film thickness in order to solve the difficulty of film thickness measurement in industry. It also presents an ultrasonic measurement circuit which is used to obtain the lubricating film thickness, based on the resonance model and the spring model. The circuit consists of a pulse generator and controlling circuit, an ultrasonic excitation circuit and a reflected wave receiving circuit. The experiments are successfully made on measuring the film thickness in the designed circuits. As a result, the film-thickness values agree well with the actual thickness information, its relative error is less than 5%. The ultrasonic measurement circuit and the measurement method are proved to be practical.

Keywords:oil-film thickness; ultrasonic measurement; circuit design

收稿日期：2014-11-18

中圖分類號：TH821

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0158-03

作者簡介：楊曉(1988-)，女，山東萊州市人，碩士研究生，研究方向是機械設計及自動化。