[发明专利]利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的方法及系统

说明书

本发明公开了一种利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的方法及系统。当反射系数相位谱中出现突变的过零点时，通过提取过零点的频率作为共振频率计算油膜厚度值；当反射系数相位谱中没有突变的过零点时，则根据超声波传感器中心频率处的相位计算油膜厚度值。本发明的特点是解决了原有超声检测中弹簧模型法和共振法之间的盲区识别问题，并能够覆盖现有超声检测模型的全部测量范围，从而实现了对大尺度范围变化油膜厚度的连续监测。

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，涉及一种面向大尺度变化的润滑膜厚的超声检测方法。

背景技术

摩擦副在运行过程中，润滑不良常常会导致润滑膜破裂，相对运动的表面会发生接触，摩擦、磨损、咬合。因此润滑膜厚度是反映润滑状态的关键参数。当机器在启停阶段或者受到冲击载荷时，摩擦副之间的润滑膜厚会在大范围内变化。因此为了保证机器稳定安全的运行，需要对摩擦副之间的润滑膜厚进行在线全尺度的连续监测。

摩擦副之间的润滑膜厚度一般是在微米级别。目前润滑膜厚的检测方法主要有电学法、光学法、超声法。电学法是通过测量液体层的电阻和电容来获得润滑膜厚。但是电学法需要绝缘的表面来安装传感器或接触元件完全的电隔离。光学法是精度很高的油膜厚度测量方法，由于需要为传感器提供光路，必须要在轴承上开窗户或采用透明材料，显然无法满足可用于实际工况中的要求。相比于电学法和光学法，超声法并不需要电隔离和透明的窗口，具有非介入性的特点。因此超声法在实际工业中油膜厚度测量上具有广阔的前景。

超声波在摩擦副润滑膜中的传播可以简化为典型的三层结构(基体A-润滑膜-基体B)传统的超声测量方法是利用回波之间的时间间隔(即飞行时间法)与超声波在润滑膜中传播的声速的乘积来测量油膜厚度。飞行时间法适用测量较厚的油膜(几百微米以上)。然而工业机械摩擦副的润滑膜厚度，多处于一百微米以下，因此两种新的检测模型被提出来测量薄润滑膜的厚度(参考文献1)：弹簧模型法和共振法。共振法是通过测量反射系数幅值谱中极值点处的频率来计算油膜厚度。弹簧模型法是通过测量幅值谱中反射系数幅值来计算油膜厚度。这两种方法被广泛的应用到了滑动轴承、滚动轴承、内燃机活塞环等摩擦副之间的油膜厚度测量中。国内，关于弹簧模型法和共振法已经形成专利(参考文献2)。

对于单一中心频率的超声波传感器来说，在弹簧模型法能够测量的最大油膜厚度值和共振法能够测量的最小油膜厚度值之间，目前仍然存在一个测量盲区(参考文献3)。例如，采用中心频率为10MHz的传感器，利用弹簧模型法可以测量10微米以下的油膜厚度，利用共振法可以测量50微米以上的油膜厚度，其盲区范围为10～50微米。因此当摩擦副润滑膜厚度在大尺度连续变化时，目前利用单一中心频率传感器无法实现全尺度油膜厚度的连续监测。

参考文献：

[1]R.S.Dwyer-Joyce,B.W.Drinkwater,C.J.Donohoe.The Measurement ofLubricant-Film Thickness Using Ultrasound[J].Proceedings:Mathematical,Physical and Engineering Sciences,2003,459(2032):957-976.

[2]马希直唐伟坤一种油膜厚度的超声测量方法[P].专利号：CN 102183228

[3]Hunter A,Dwyerjoyce R,Harper P.Calibration and validation ofultrasonic reflection methods for thin-film measurement in tribology[J].Measurement Science&Technology,2012,23(10):105605.

发明内容