Page 9 - 《摩擦学学报》2021年第1期

6 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

试验中，脉冲收发器的脉冲重复频率为200 Hz， 在反射系数幅值谱中，当油膜厚度较小时，反射
示波器的采样率为250 MHz，通过夹具将超声波换能 系数幅值曲线之间存在较为明显的差异，此时可使用
器调整至最佳位置，使其与上层铸铁的上表面充分接 弹簧模型计算油膜厚度. 然而，随着油膜厚度的增加，
触，达到最佳的耦合效果. 选取铸铁-空气界面的反射 反射系数幅值曲线之间的差异越来越小，当油膜超过
信号作为参考信号，参考信号测量完毕后，在下层铸 30 μm时，反射系数幅值曲线彼此缠绕，无法加以区
铁的上表面上添加适量润滑油，通过千分尺调节下层 分，弹簧模型不再适用. 此外，由于10~90 μm油膜所对
铸铁的位置，形成铸铁-油膜-铸铁界面，将千分尺调至 应的谐振频率范围为8.06~72.5 MHz，超出超声波换
不同位置以设置不同的油膜厚度，由计算机完成信号 能器的有效工作频率范围，谐振模型同样无法适用，

的记录与处理. 说明此种条件下，基于超声波反射系数幅值的两种模
型仅能覆盖小范围的油膜厚度，难以实现整个范围内
3 试验结果
的油膜厚度测量. 而在反射系数相移谱中，虽然反射
使用快速傅里叶变换可将信号从时域转换至频 系数相移曲线之间的差异也随油膜厚度的增加而减
域，进而获得幅值信息与相位信息.图7(a)，图7(b)分别 小，但不同厚度的反射系数相移曲线仍然能够清晰地
给出了超声波反射信号在频域内的幅值与相位，可以 区分开.
看出，超声波换能器的实际中心频率为2.39 MHz，−6 dB 根据式(5)计算出的油膜厚度曲线如图9(a)所示.
带宽下有效工作频率范围为1.91~2.83 MHz. 根据式(6) 从图中可以看出，当油膜实际厚度较小时，其测量厚
可计算出不同油膜厚度的反射系数幅值|R|与反射系 度不随频率发生变化，当油膜实际厚度较大时，不同
数相移Φ，分别如图8(a)和图8(b)所示. 频率对应的测量厚度存在较大差异，这是测量过程中

Reference 10 μm 20 μm 30 μm
Reference 1.5
16 10 μm 40 μm 50 μm 60 μm 70 μm
20 μm 80 μm 90 μm
14 30 μm 1.0
40 μm
Amplitude/mV 10 8 60 μm Phase/radians −0.5
12
50 μm
0.5
70 μm
0.0
80 μm
90 μm
4 6 −1.0
2
−1.5
0
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Frequency/MHz Frequency/MHz
(a) (b)

Fig. 7 The amplitude (a) and phase (b) of the reference signal and lubricant film signal in frequency domain
图 7 参考信号与油膜反射信号在频域内的幅值与相位

Reference 10 μm 20 μm 30 μm 0.8 Reference 10 μm 20 μm 30 μm
50 μm
70 μm
60 μm
40 μm
70 μm
50 μm
40 μm
60 μm
Reflection coefficient amplitude 0.9 Reflection coefficient phase shift/radians 0.6 distinguishable
80 μm
90 μm
80 μm
90 μm
1.0
0.4
0.2
Indistinguishable
0.0
0.8
0.0 1.0 2.0 3.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Frequency/MHz Frequency/MHz
(a) (b)

Fig. 8 The reflection coefficient amplitude (a) and reflection coefficient phase shift (b) of different film thicknesses
图 8 不同油膜厚度的反射系数幅值与反射系数相移