Page 10 - 《摩擦学学报》2021年第1期
P. 10
第 1 期 贺彦博, 等: 基于超声波反射系数相移的油膜厚度测量方法研究 7
10 μm 20 μm 30 μm 40 μm
110 50 μm 60 μm 70 μm 80 μm 90
100 90 μm 80
90 70
Film thickness/μm 70 Measured result/μm 60
80
50
60
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0 0
0.0 1.0 2.0 3.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Frequency/MHz Frequency/MHz
(a) (b)
Fig. 9 The variations of the film thicknesses against frequency (a) and the measured results (b)
图 9 油膜厚度随频率的变化(a)与油膜厚度测量结果(b)
的噪声信号所致. 在油膜厚度从10 μm增至90 μm的过 此外，在测量活塞环油膜厚度的过程中，脉冲收
程中，对应的h/λ从0逐渐趋向于0.25，当h/λ趋于0时，较 发器的脉冲重复频率也会影响油膜厚度测量精度. 当
小的h/λ变化对应较大的反射系数相移变化，当h/λ趋 活塞环经过超声波换能器的测量区域时，超声波换能
于0.25时，较大的h/λ变化对应较小的反射系数相移变 器的有效测量点数N可由下式计算：
化，如图2(b)所示. 因此，当油膜实际厚度较小时，测量 d d · F
N = = (7)
厚度几乎不受噪声信号影响，油膜厚度曲线呈水平状 v/F v
态，而当油膜实际厚度较大时，噪声信号会对测量厚 其中：d为活塞环的轴向高度，F为脉冲收发器的脉冲
度产生较大的影响，使油膜厚度曲线存在一定程度的 重复频率，v为活塞环的移动速度，v/F代表活塞环在相
波动. 由于超声波信号在中心频率处能量最大，信噪 邻脉冲之间产生的位移. 由式(7)可知，当脉冲重复频
比最高，因此以中心频率对应的测量厚度作为油膜厚 率低于v/d时，有效测量点数小于1，此时活塞环在相邻
度测量结果，如图9(b)所示. 可以看出，测量结果与设 脉冲之间产生的位移大于活塞环的轴向高度，超声波
置厚度具有很好的一致性，最大误差出现在80 μm处， 换能器可能会错过活塞环油膜厚度；而当脉冲重复频
误差为4.22 μm，这可能是由千分尺标定过程中的系统 率过高时，由于反射信号在时域内具有一定宽度，相
误差与测量过程中的噪声信号引起的. 邻脉冲的反射信号将会发生叠加，难以进行区分，同
由于千分尺的位移分辨率为10 μm，无法设置10 μm 样无法得到准确的测量结果. 因此，合适的脉冲重复
以内的油膜厚度，所以本文中测量的最小油膜厚度为 频率是得到真实准确的活塞环油膜厚度的前提.
10 μm. 值得注意的是，在本文中提出的h/λ<0.45范围 在后续研究中，将开展温度及压力影响补偿算法
内所有油膜厚度的测量原理完全相同，因此，虽然没 研究，并根据待测柴油机活塞环高度与实际运行工况
有对10 μm以内的油膜厚度进行测量，但10~90 μm的 确定最佳脉冲重复频率范围，优化柴油机气缸油膜厚
油膜厚度测量结果依然可以证明基于超声波反射系 度超声波测量技术，提高柴油机气缸油膜厚度测量系
数相移的测量方法可以实现整个范围油膜厚度的连 统的测量精度，拓展其应用范围，为优化柴油机润滑
续测量，满足柴油机气缸大尺度油膜厚度测量要求. 性能、降低摩擦损失提供有力支撑.
目前，位移分辨率为10 nm的油膜厚度标定装置正处
5 结论
于设计阶段，后续将在改进后的标定装置上开展研
究，实现更高的标定精度. a. 基于超声波反射系数相移的油膜厚度测量方
法可有效解决盲区油膜厚度无法测量的问题，突破了
4 讨论
常规谐振模型与弹簧模型在大尺度油膜厚度测量方
本文主要工作是在实验室稳态条件下开展，未考 面的局限性，满足柴油机气缸0~100 μm油膜厚度的测
虑温度及压力变化对铸铁、润滑油密度和声速产生的 量要求.
影响. 实际上，柴油机在工作过程中气缸内温度压力 b. 本文中所建立的直接求解方法能根据超声波
变化剧烈，对油膜厚度测量精度影响较大. 频率与反射系数相移直接计算出待测油膜厚度的解
