Page 81 - 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 1335

1.2.1 温度对参考信号相位的影响 表 2 介质声学特性随温度的变化关系 [30]
图3所示为温度为18~65 ℃时，试验测量获得的 Table 2 The variation relationship of the medium
properties with temperature
参考信号时域波形，从图3可以看出，受超声波入射信
3
Materials Density, ρ/(kg/m ) Speed of sound, c/(m/s)
号改变、超声波传播介质热膨胀和声速变化等因素的
Babbitt alloy ρ=7060/(1+3α(T+273)) c=3835(1−11α(T+273))
[25]
综合影响 ，随着温度的不断升高，参考信号时域波 Steel ρ=7440/(1+3α(T+273)) c=6293(1−11α(T+273))
形的幅值发生了一定程度的衰减，同时波形出现了从 Oil ρ=763/(1+0.0007(T−18)) c=1500−3.13(T−18))
左到右的时移.
度的影响规律，利用高斯回波拟合函数模拟超声波信
1 800 号在巴氏合金-润滑油-钢体系中的传播，理论分析不

18 ℃
1 200 Time shift 23 ℃ 同温度下各介质参数对相位法膜厚测量精度的影响
39 ℃
59 ℃
[31]
X (t)为
程度. 高斯回波拟合函数
Amplitude/mV 600 0 65 ℃ 式中： β为振幅， γ为带宽因子， τ为时移因子， 为中
2
−γ(t−τ)
cos(2πf c (t −τ)+Φ 1 )
(6)
X (t) = βe
−600
心频率， Φ 1 为初始相位， t为超声波传播时间. f c
−1 200
Amplitude attenuation 图5所示为不同温度下，各介质声学参数变化对
−1 800 相位法膜厚测量误差的影响，其中图5(a)、(b)和(c)所
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Time/μs 示分别展示了温度变化引起巴氏合金、钢和润滑油介
Fig. 3 Reference signals in the time domain at 质参数改变而导致的相位法膜厚测量误差. 由图5可
different temperatures
图 3 不同温度下的参考信号时域波形 知，温度对介质声速的影响引起的相位法膜厚测量误
差相比温度对介质密度的影响引起的相位法膜厚测
图4所示为不同温度下参考信号在传感器−3 dB 量误差整体偏大. 在3种介质中，温度对润滑油密度和
有效带宽内相位的变化情况，从图4可以看出，温度的 声速影响导致的测量误差较大，其最大相对误差分别
升高使参考信号的相位在-π~π周期内发生偏移，同一 为3.8%和11.4%，温度对巴氏合金密度和声速的影响
频率的参考信号相位随温度升高而不断下降. 导致的测量误差最大均不超过2%，温度对钢的密度
和声速的影响导致的测量误差最大均不超过0.15%.
4

18 ℃ 23 ℃ 39 ℃ 59 ℃ 65 ℃
2 试验验证
2
2.1 温度可控的高精度润滑油膜厚度校验台设计
Phase/rad 0 搭建 为了验证提出的相位膜厚测量方法的有效性，本

文中设计搭建了1个温度可控的高精度润滑油膜厚度
−2
校验台，如图6所示. 校验台由微小膜厚构造模块、膜
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 厚超声检测模块、温度检测控制模块和电容传感器验
Frequency/MHz 证模块四部分组成. 微小油膜厚度构造模块包括基

Fig. 4 The phase variation of the reference signals at 底、固定样件、线性位移平台和移动样件，固定样件
different temperatures
图 4 不同温度下参考信号的相位变化 通过螺纹固定安装在基底上，移动样件通过线性位移
平台驱动从上往下移动构造一系列不同厚度的润滑
1.2.2 温度对介质参数的影响 油膜，线性位移平台的量程为0~25 mm，最小步长为
根据式(5)可知，温度变化引起传播过程中介质密 0.1 μm. 为了精确构造移动样件与固定样件间的膜厚
度和声速的改变，也将对相位法膜厚测量精度产生影 值，在试验台的左侧安装有电容传感器，用于精确测
响. 在常见的巴氏合金-润滑油-钢系统中，温度对各介 量移动样件的下降位移，电容传感器的量程为400 μm，
质的影响函数规律列于表2中. 测试精度为2 nm. 膜厚超声检测模块主要包括超声波
为了系统分析各介质参数对相位法膜厚测量精 传感器、膜厚超声检测系统和工业电脑(PC). 本文中