Page 79 - 摩擦学学报2025年第9期

第 9 期 王禹, 等: 考虑温度影响的大范围膜厚超声相位检测方法研究 1333

系数与润滑油膜厚度的函数关系获得润滑油膜厚 1 基于超声波反射信号相位的油膜厚度检
[18]
度 . 对于10 MHz中心频率传感器，其采用弹簧模型 测原理
法的测量区间约为0.1~10 μm. 从以上分析可以看出：
1.1 反射信号相位与润滑油膜厚度的函数关系
通过不同模型的超声检测方法相互配合可以实现摩 超声波在传播过程中，当遇到不同介质形成的界
擦学元件中油膜厚度(通常为0.1~100 μm以内)的全范 面时，会发生反射和透射现象. 如图1所示，在常见的

围测量. 巴氏合金-润滑油-钢模型中，超声波从巴氏合金层(介
然而，在使用单个超声波传感器测量膜厚时，弹 质1)射入到界面1时，一部分超声波透射进入润滑油
簧模型法与共振法之间通常存在测量盲区 [19-20] ，致使 层(介质2)，另一部分超声波被反射. 透射进入润滑油

采用单个超声波传感器无法实现膜厚的全范围测量. 层的超声波在界面2处也将发生透射和反射现象，一
以使用中心频率为10 MHz的传感器测量膜厚为例， 部分透射进入钢(介质3)，另一部分反射回润滑油中，
其弹簧模型法的测量区间为10 μm以下，共振法的测 当润滑油层厚度足够大时，不同的反射波相互分离，

量区间为45~100 μm，飞行时间法的测量区间为100 μm 界面1和界面2处反射波占比可由反射系数 R 12 和反射
以上，弹簧模型法与共振法之间的10~45 μm的膜厚区 系数 R 23 表示 .
[29]
间即称为盲区. 在大部分应用场景的滑动轴承中，由
Z 2 −Z 1
R 12 = (1)
于其最小油膜厚度随工况不同在0.1~100 μm区间内变 Z 2 +Z 1
化 [21-22] ，上述盲区问题使超声波膜厚检测方法在工程
Z 3 −Z 2
R 23 = (2)
中的应用受到一定程度上的制约. 2019年，作者所在 Z 3 +Z 2
课题组首先发现了通过超声波在润滑油膜层上反射 式中： Z 1 Z 2 和 Z 3 是介质1、介质2和介质3的声阻抗；
、
[23]
信号的相位测量盲区膜厚的潜在可能 ，并结合超声 Z = ρc ρ为介质密度， c为超声波在介质中传播的
，
波反射信号的幅值和相位发展了1种单传感器大范围 声速.
膜厚检测方法. 此后，西安交通大学窦潘等 [24-27] 对相位
测量润滑油膜厚度的方法进行了进一步的深化. 但截 Transmitted signal
止目前，采用超声波相位对膜厚进行测量在工程中尚 Steel
(medium 3)
未见报道，其原因在于盲区内反射信号的相位随膜厚 Interface 2
的变化率较低，同时超声波反射信号的相位容易受到 Lubricant
(medium 2)
[28]
温度的影响 ，最终导致盲区内采用相位测量膜厚方 Interface 1
法的精度和稳定性问题凸显. Babbitt alloy
(medium 1)
本文中针对现有方法的局限性及存在的问题，提
出1种考虑温度影响基于反射信号相位的膜厚超声检 Incident wave Reflected signal
测方法，实现了单个传感器大范围油膜厚度的精确测 Fig. 1 Schematic diagram of ultrasonic reflection and
量. 系统分析了温度对介质声学参数和反射信号相位 transmission in the Babbitt alloy-lubricant-steel model
图 1 超声波在巴氏合金-润滑油-钢模型中的
等的综合影响，设计搭建了温度可控的高精度润滑油
反射与透射示意图
膜厚度校验台，分别进行了等温条件下超声相位膜厚
检测精度的校验试验、变温条件下考虑温度补偿的超 当图1所示的润滑油层厚度逐渐变薄时，不同界
声相位方法测量润滑油膜厚度的有效性试验以及不 面的反射信号间会发生重叠，反射系数不能简单地由
同温度下考虑温度补偿的超声相位膜厚检测方法的 式(1)和式(2)计算. 此时，润滑油层的反射系数变成
[29]
稳定性试验. 1个由幅值和相位两部分构成的复数，如式（3~4） 所示.

2
2
(R +R 23 exp(−2αh)) −4R 12 R 23 exp(−2αh)sin (2πfh/c 2 )
12
|R| = 2 2 (3)
(1+R 12 R 23 exp(−2αh)) −4R 12 R 23 exp(−2αh)sin (2πfh/c 2 )
Å 2 ã
R 23 exp(−2αh)(1−R )sin(4πfh/c 2 )
Φ R = tan −1 12 (4)
2
2
R 12 +R 23 exp(−2αh)(1+R )cos(4πfh/c 2 )+R 12 R exp(−4αh)
12
23
式中： |R|为反射系数幅值， Φ R 为反射系数相位， 为超 声波频率， c 2 为介质2中声速， h为介质2的厚度.
f