一种油膜厚度静态标定方法与流程

技术领域：

本发明属于超声波精密测量技术领域，具体涉及一种油膜厚度静态标定方法。

背景技术：
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齿轮、轴承等机械元件依赖润滑油膜对接触表面的隔离，正常工作时具有很长的使用寿命。然而，一旦润滑油膜失效，两接触表面会发生接触和摩擦，随之而来的就是元件的磨损及胶合。所以，合适的油膜厚度将对摩擦机械的使用性能及使用时间影响很大。润滑油的性能、两接触表面的形状及运转状态都会影响润滑油膜的厚度。两个表面的接触方式分为面接触(如径向轴承和推力轴承)、线接触(如齿轮)及点接触(如滚动轴承)。面接触下动压润滑区域的油膜厚度一般在1um～100um范围内，而点接触和线接触下弹流润滑区域油膜厚度小于1um。不论是何种接触方式，润滑油膜必须足够厚以此来隔离两表面，但是油膜太厚又会导致油膜摩擦力增大，导致过量的泵力损失。因此，油膜厚度会影响液体润滑的质量，需要对膜厚进行测量，从而实时了解机械设备的润滑状态。

目前有多种方法被用来测量油膜厚度，如电阻法，电容法，光学法等等。电阻法和电容法测量时需要进行电隔离或者表面安装电极，并且测量结果对表面粗糙度非常敏感；且这两种方法一般只能测量1um以上的油膜厚度。光学法测量时需要两接触表面中的一个表面是透明的或者要设置透明窗，透明窗的设置使得光学测量法暂时还不能在工业界中应用。以上方法均具有侵入性，测量时需要对轴承进行不同程度上的侵害，所以这些方法目前还不能进行工业轴承油膜厚度的实际测量。非侵入性超声波测量法的出现为解决这个问题提供了可能，其原理是通过对固-液界面的反射信号进行频谱分析，通过选择合适的信号处理方法(如共振模型或者弹簧模型)得到油膜厚度。超声波法可测量的膜厚范围很广，从几十纳米到几百毫米均可胜任，完全适用于工业轴承膜厚的测量。然而，虽然超声波法有如此多的优点，但目前对超声波膜厚测量设备的标定仍然处于一个初级的阶段。有的研究者利用两表面之间铺设特定厚度的垫片进行标定，也有研究者利用试块的上表面加工出特定厚度的凹槽进行标定的，这些标定方法都具有如下缺点：标定过程中油膜厚度是个固定不变的值，而不同频响的超声波探头是需要不同油膜厚度来标定的；标定过程中无法确定两表面和中间垫片之间是否仍然存在缝隙；最重要的是测量结果包含了系统误差和加工误差等，特别是当标定油膜厚度需要很小时，普通车间的机械加工精度很难保证垫片厚度或者试块凹槽深度就是所需的数值。由此可见，目前的超声波测量膜厚标定设备和方法导致标定结果及测量结果误差很大。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的标定方法精度低、标定厚度单一的缺陷，寻求设计提供一种油膜厚度静态标定方法，通过静态标定装置实现膜厚恒定或较长时间不变时的探头测量精度及范围的标定。

为了实现上述目的，本发明涉及的油膜厚度静态标定方法在油膜厚度静态标定装置中实现，在利用其超声波探头实际测量油膜厚度前，首先就需要进行超声波探头设备的标定，本标定操作仅在首次测量时需要，该油膜厚度静态标定方法的标定方法具体按照如下步骤进行：

s1、组装完毕后调节可调支撑脚，并用直尺测量保证四个支撑脚高度一致；将水平尺放在左l形板的短板部分，观察水平尺气泡是否在中心位置，如不在则调节左l形板的俯仰位置，使得水平尺气泡在中心；静态标定时，按照上述方法调节右l形板的俯仰位置，使得放在右l形板短板部分的水平尺气泡也处于中心位置；

s2、先旋转右平移台的螺旋头，升高右l形板，使得右l形板短板上顶面与左l形板短板下底面接触，此时虽然接触，但由于左l形板和右l形板平面度、平行度、粗糙度以及l板之间的形变等问题，此时油膜厚度并非为0；旋转右平移台的螺旋头n0个格，理论上降低右l形板的高度为10×n0微米，即此时左l形板的下底面和右l形板上顶面间的理论油膜厚度为10×n0微米，利用fft(快速傅里叶变换)对超声波反射信号(左l形板下底面和润滑油界面处的反射信号)进行频谱分析，得到反射系数曲线；

s3、寻找反射系数曲线中极小值点对应的谐振频率，并带入如下的膜厚计算公式求解实际油膜厚度h0：

其中h0为实际油膜厚度，c为油膜中的声速，m为油膜谐振阶数，f为m阶谐振频率，即反射系数极小值点对应的频率，这里以h0作为静态标定时的初始或原始厚度；

s4、继续旋转右平移台螺旋头n1个格，降低右l形板高度10×n1微米，对此时超声波反射信号(左l形板下底面和润滑油分界面处的反射信号)进行fft变换处理后计算可得实际油膜厚度h1，将h1与理论油膜厚度h0+10×n1微米进行对比和标定；

s5、重复s4，连续3次以上降低右l形板高度，记录实际得到的油膜厚度与理论油膜厚度，并进行对比，最终得到超声波测量膜厚的静态标定曲线。

本发明所述的静态标定装置的主体结构包括：上顶板、支撑腿、横梁、油槽、可调支撑脚、小连接杆、角度调节螺栓、左连接板、左平移台、左l形板、松紧度调节螺栓、夹紧块、超声波探头、大连接杆、右l形板、右平移台、右连接板、第一联轴器、超声波发射/接收仪、示波器和pc机，方形板状结构的上顶板的四角处分别竖直设置有用以起支撑作用的支撑腿，支撑腿的底端设置有可调支撑脚，用以通过调节可调支撑脚使上顶板保持水平，所述位于左侧和右侧的可调支撑脚之间连接有其固定作用的横梁，所述上顶板的正下方设置有用以盛放油源的油槽，所述油槽为上端无盖结构；所述小连接杆与上顶板通过螺纹连接，并且贯穿于上顶板中间的通孔并延伸至上顶板的上侧面，所述小连接杆的下端设置有第一联轴器，所述第一联轴器的下端与竖直放置的大连接杆的上端连接，大连接杆的下端设置有松紧度夹紧块，所述夹紧块上夹持有超声波探头，夹紧块上设置有用以调节夹持松紧度的松紧度调节螺栓，松紧度调节螺栓来取放和夹紧超声波探头，所述超声波探头发射超声波信号，并接收左l形板横板底面的超声波反射信号，所述超声波探头与超声波发射/接收仪连接，超声波发射/接收仪通过示波器与pc机连接，用以将超声波探头采集到的信息通过超声波发射/接收仪进行接收，并在示波器显示出来，再通过pc机实时监测与计算；在上顶板的上侧面中间处以小连接杆为圆心阵列式设置有角度调节螺栓，角度调节螺栓贯穿于上侧面并且其尾端与第一联轴器的上表面接触，用以通过角度调节螺栓来微调第一联轴器的俯仰角度；所述第一联轴器的左右两侧分别设置有左连接板和右连接板，所述竖直放置的方形左连接板和右连接板的上端分别与上顶板的下表面连接，所述左连接板和右连接板的内侧分别设置有左平移台和右平移台，左平移台和右平移台的内侧分别设置有左l形板和右l形板，所述左平移台和右平移台分别与左l形板和右l形板的竖板连接，所述左l形板和右l形板的竖板的下端分别为水平放置并且向内侧延伸的横板，所述左l形板和右l形板的横板位于超声波探头的下侧，所述左平移台和右平移台用以分别调节左l形板和右l形板的横板之间的相对位置关系，以及调节左l形板和右l形板与油源的相对位置关系。

进一步地，本发明所述的支撑腿采用6-10mm槽宽的铝合金工业型材框架，外形轮廓有圆弧倒角，表面经过阳极氧化银白处理。

进一步地，本发明所述的角度调节螺栓的设置数量优选为6个。

进一步地，本发明所述的超声波探头为水浸型，探头中心频响至少为10mhz。

进一步地，本发明所述的左平移台和右平移台均为手动精密平移台，台面尺寸应至少为65mm×65mm，承载至少为10kg，行程至少为25mm，最小刻度为10um，采用高精密滚珠螺杆驱动，并具有侧面锁紧装置。

进一步地，本发明所述的左l形板横板的下底面、右l形板横板的上顶面均采用磨削精加工，通过磨削精加工以提高加工精度，降低其表面粗糙度，从而降低表面粗糙度对油膜厚度测量精度的影响，以保证测试的精确性。

进一步地，本发明所述的第一联轴器采用铝合金材料制作的柔性波纹管联轴器。

进一步地，本发明所述的左l形板和右l形板采用铝或者不锈钢或其他遇水不生锈的金属材料，其他非标准零件均选用同一种金属材料。

进一步地，本发明所述的超声波发射/接收仪的脉冲响应宽度大于等于35mhz。

进一步地，本发明所述的油槽采用透明材料制造而成，优选为有机玻璃或者亚克力板用以便于直接观察油膜厚度的形成情况。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明标定装置结构简单、成本低、体积小，且搭建结构容易理解，装配方式简单，所使用的标准件均为机械设计中常用零件，而非标准件大多为l形或者长方体，加工容易，成本低廉，应用要求比较低，不仅适用于实验室也适用于企业。

2、油膜厚度可任意调节，不同频响的探头均可进行标定：静态标定时，通过调节右平移台的高度，可形成任意的油膜厚度。

3、标定结果精度高：设置初始油膜厚度h0，并利用频谱分析的方法确定其数值，作为标定曲线中理论膜厚曲线和实际膜厚曲线共同的初始点，可避免之前标定方法可能出现的问题(如两试块和中间垫片之间存在微小缝隙，或者两试块的下试块凹槽深度有加工误差)，从而极大降低系统误差及加工误差对测量精度的影响，明显提高标定结果精度。

4、可用于工业润滑理论和实验的研究：本发明中的静态标定设备不仅用于标定超声波探头设备的测量精度和测量范围，稍加改装还可用于工业润滑理论和实验的研究，如将椭圆柱体更换为滚珠，左l形板下底面设计成圆形，此时静态标定设备就成为了经典的球-盘系统，且此时不需要在盘上设置透明窗，利用超声波法就可以测量工业环境下实际球-盘间的油膜厚度，利用此装置可研究并丰富工业润滑理论。

5、能够利用超声波的特性及本标定装置的结构特点，实现超声波标定装置的高精度标定，解决了以往标定方法装置简陋、标定精度低、标定探头单一的问题，应用和环境友好，市场前景广，具有很高的推广应用价值。

附图说明：

图1为本发明涉及的油膜厚度静态标定装置的顶板与油槽结构与位置的关系原理示意图。

图2为本发明涉及的油膜厚度静态标定装置主体结构原理示意图，其中图2(a)为静态标定原理图，图2(b)为静态标定装配图。

图3是本发明涉及的进行静态标定时不同油膜厚度的形成图，其中图3(a)为初始油膜厚度h0，图3(b)为油膜厚度h1。

图4是本发明涉及的超声波探头的静态标定曲线图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明进行进一步的说明。

实施例1：

本实施例涉及的油膜厚度静态标定方法在油膜厚度静态标定装置中实现，在利用其超声波探头实际测量油膜厚度前，首先就需要进行超声波探头设备的标定，本标定操作仅在首次测量时需要，该超声波测量膜厚的标定装置的标定方法具体按照如下步骤进行：

s1、将顶板1、支撑腿2和横梁3依次搭建，再将油槽4置于四条支撑腿2中间处，再按照图2所示依次组装静态标定标定装置；

s2、调节可调支撑脚5，并用直尺测量保证四个支撑脚高度一致；将水平尺放在左l形板10的短板部分，观察水平尺气泡是否在中心位置，如不在则调节左l形板10的俯仰位置，使得水平尺气泡在中心；静态标定时，按照上述方法调节右l形板15的俯仰位置，使得放在右l形板15短板部分的水平尺气泡也处于中心位置；

s3、先旋转右平移台16的螺旋头，升高右l形板15，使得右l形板15短板上顶面与左l形板10短板下底面接触，此时虽然接触，但由于左l形板10和右l形板15的平面度、平行度、粗糙度以及l板之间的形变等问题，此时油膜厚度并非为0；旋转右平移台16的螺旋头n0个格，理论上降低右l形板15的高度为10×n0微米，即此时左l形板10的下底面和右l形板15上顶面间的理论油膜厚度为10×n0微米，利用fft(快速傅里叶变换)对超声波反射信号(左l形板10下底面和润滑油界面处的反射信号)进行频谱分析，得到反射系数曲线；

s4、寻找反射系数曲线中极小值点对应的谐振频率，并带入如下的膜厚计算公式求解实际油膜厚度h0：

其中h0为实际油膜厚度，c为油膜中的声速，m为油膜谐振阶数，f为m阶谐振频率，即反射系数极小值点对应的频率，这里以h0作为静态标定时的初始或原始厚度；

s5、继续旋转右平移台16螺旋头n1个格，降低右l形板15高度10×n1微米，对此时超声波反射信号(左l形板10下底面和润滑油分界面处的反射信号)进行fft变换处理后计算可得实际油膜厚度h1，将h1与理论油膜厚度h0+10×n1微米进行对比和标定；

s6、重复s5，连续3次以上降低右l形板15高度，记录实际得到的油膜厚度与理论油膜厚度，并进行对比，最终得到超声波测量膜厚的静态标定曲线；

本实施例所述标定方法能够降低系统误差和加工误差导致的标定误差，本实施例中探头中心频率为10mhz时，其静态标定曲线如图4所示。

实施例2：

实施例1中涉及的油膜厚度静态标定装置的主体结构包括：上顶板1、支撑腿2、横梁3、油槽4、可调支撑脚5、小连接杆6、角度调节螺栓7、左连接板8、左平移台9、左l形板10、松紧度调节螺栓11、夹紧块12、超声波探头13、大连接杆14、右l形板15、右平移台16、右连接板17、第一联轴器18、超声波发射/接收仪19、示波器20和pc机21，方形板状结构的上顶板1的四角处分别竖直设置有用以起支撑作用的支撑腿2，支撑腿2的底端设置有可调支撑脚5，用以通过调节可调支撑脚5使上顶板1保持水平，所述位于左侧和右侧的可调支撑脚5之间连接有其固定作用的横梁3，所述上顶板1的正下方设置有用以盛放油源的油槽4，所述油槽4为上端无盖结构；所述小连接杆6与上顶板1通过螺纹连接，并且贯穿于上顶板1中间的通孔并延伸至上顶板1的上侧面，所述小连接杆6的下端设置有第一联轴器18，所述第一联轴器18的下端与竖直放置的大连接杆14的上端连接，大连接杆14的下端设置有松紧度夹紧块12，所述夹紧块12上夹持有超声波探头13，夹紧块12上设置有用以调节夹持松紧度的松紧度调节螺栓11，松紧度调节螺栓11来取放和夹紧超声波探头13，所述超声波探头13发射超声波信号，并接收左l形板10横板底面的超声波反射信号，所述超声波探头13与超声波发射/接收仪19连接，超声波发射/接收仪19通过示波器20与pc机21连接，用以将超声波探头13采集到的信息通过超声波发射/接收仪19进行接收，并在示波器20显示出来，再通过pc机21实时监测与计算；在上顶板1的上侧面中间处以小连接杆6为圆心阵列式设置有角度调节螺栓7，角度调节螺栓7贯穿于上侧面并且其尾端与第一联轴器18的上表面接触，用以通过角度调节螺栓7来微调第一联轴器18的俯仰角度；所述第一联轴器18的左右两侧分别设置有左连接板8和右连接板17，所述竖直放置的方形左连接板8和右连接板17的上端分别与上顶板1的下表面连接，所述左连接板8和右连接板17的内侧分别设置有左平移台9和右平移台16，左平移台9和右平移台16的内侧分别设置有左l形板10和右l形板15，所述左平移台9和右平移台16分别与左l形板10和右l形板15的竖板连接，所述左l形板10和右l形板15的竖板的下端分别为水平放置并且向内侧延伸的横板，所述左l形板10和右l形板15的横板位于超声波探头13的下侧，所述左平移台9和右平移台16用以分别调节左l形板10和右l形板15的横板之间的相对位置关系，以及调节左l形板10和右l形板15与油源的相对位置关系。

进一步地，本实施例所述的支撑腿2采用8mm槽宽的铝合金工业型材框架，外形轮廓有圆弧倒角，表面经过阳极氧化银白处理。

进一步地，本实施例所述的角度调节螺栓7的设置数量优选为6个。

进一步地，本实施例所述的超声波探头13为水浸型，探头中心频响至少为10mhz。

进一步地，本实施例所述的左平移台9和右平移台16均为手动精密平移台，台面尺寸应至少为65mm×65mm，承载至少为10kg，行程至少为25mm，最小刻度为10um，采用高精密滚珠螺杆驱动，并具有侧面锁紧装置。

进一步地，本实施例所述的左l形板10横板的下底面、右l形板15横板的上顶面均采用磨削精加工，通过磨削精加工以提高加工精度，降低其表面粗糙度，从而降低表面粗糙度对油膜厚度测量精度的影响，以保证测试的精确性。

进一步地，本实施例所述的第一联轴器18采用铝合金材料制作的柔性波纹管联轴器。

进一步地，本实施例所述的左l形板10和右l形板15采用铝或者不锈钢或其他遇水不生锈的金属材料，其他非标准零件均选用同一种金属材料。

进一步地，本实施例所述的超声波发射/接收仪19的脉冲响应宽度大于等于35mhz。

进一步地，本实施例所述的油槽4采用透明材料制造而成，优选为有机玻璃或者亚克力板用以便于直接观察油膜厚度的形成情况。