Page 83 - 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 1337

2.2 等温条件下相位法膜厚测量的精度校验 80 60.5 μm 55.5 μm 50.5 μm 45.5 μm
30.5 μm
25.5 μm
40.5 μm
35.5 μm
为了验证相位法测量油膜厚度的准确性，首先进 20.5 μm 15.5 μm 10.5 μm 5.5 μm
行等温条件下相位法测量油膜厚度的精度校验试验. 60
图7所示为参考信号的幅值频谱以及不同油膜层厚度 40
下反射系数相位随超声波传感器频率的变化关系. 其 Measuered film thickness/μm
反射系数相位由油膜信号和参考信号相位相减获得. 20
如图7所示，受到超声波压电元件粘贴过程中粘合剂
厚度等因素的影响，名义中心频率为10 MHz的超声 0
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
波压电传感器实测中心频率约为4.25 MHz，其−3 dB Frequency/MHz
的有效频率带宽为3.35~5.75 MHz. 从图7可以看出， Fig. 8 The oil film thicknesses obtained with the reflection

随着设定膜厚的增大，超声波在润滑油膜层上的反射 coefficient phase in the −3 dB bandwidth
信号相位不断增加，且对于同一膜厚值，其相位在有 图 8 利用反射系数在−3 dB带宽区间内
相位获得的膜厚情况
效带宽内随频率的增大而增大. 将图7中各频率的相
60 22.4
位值代入到式(5)可以获得相应的油膜厚度值，如图8
所示. 从图8可以看出，在有效带宽内，各频率处获得 50 19.6
的油膜厚度值在设定值附近波动，对于较小的膜厚， 40 16.8
14.0
其波动幅度很小，而对于较大的膜厚，其波动幅度增 Measured film thickness/μm 11.2 Relative error/%
大. 这是因为在膜厚较大时，相位随膜厚的变化率较 30 8.4
小，实测过程中相位由于噪声等因素影响出现的少量 20 5.6
偏差将导致较大的膜厚测量误差. 2.8
10
0.0

60.5 μm 55.5 μm 50.5 μm 45.5 μm 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
0.3 40.5 μm 35.5 μm 30.5 μm 25.5 μm Frequency/MHz
20.5 μm
15.5 μm
10.5 μm 5.5 μm
Fig. 9 Relative error of film thickness measurements
0.0 in the −3 dB bandwidth
Phase, Φ R /rad −0.3 图 9 −3 dB区间内膜厚测量的相对误差
−0.6
Measurements by capacitance sensor
−0.9 60 Measurements by phase method

−1.2
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 40
Frequency/MHz Measured film thickness/μm
Fig. 7 The reflection coefficient phase spectrum of different 20
thickness oil layers in the −3 dB bandwidth
图 7 不同膜厚层上反射系数相位在−3 dB
带宽区间的变化情况 0
0 20 40 60
Set oil film thickness/μm
图9所示为采用各频率处反射系数相位计算获得
的膜厚测量误差. 从图9可以看出，在−3 dB区间内膜 Fig. 10 The oil film thickness measurement results by phase
model under isothermal condition
厚测量误差在接近中心频率处普遍较小，这是因为中
图 10 等温条件下油膜厚度相位法测量结果
心频率处超声波信号能量最大，信噪比最高. 因此选
用中心频率处的反射系数相位获取润滑膜厚度值，如 滑油膜厚度的有效性. 从图10中还可以发现，相位
图10所示. 从图10可以看出，通过反射信号相位可以 法测量润滑膜厚度的误差随着膜厚的增大而增大，
有效实现传统幅值法弹簧模型和盲区测量区域膜厚 其测量的最大误差出现在设定膜厚为60.5 μm处，误
的测量，其测量值与设定值及电容法获得的膜厚值均 差约为4.4 μm. 这是因为当油膜厚度较小时，膜厚变
较为吻合，最大误差不大于8%，验证了相位法测量润 化产生的理论相位变化较大，此时实际测量过程中