一种基于TDLAS技术的润滑油膜厚度测量方法及其装置与流程

本发明属于激光测试领域，具体涉及一种基于tdlas技术的润滑油膜厚度测量方法及其装置。

背景技术：

在现代工业中，任意两个接触面之间都存在摩擦，摩擦会造成磨损并降低器件的工作精度，严重时甚至会造成机器损坏，为了减少磨损和发热，延长机器的使用寿命，必须在两个接触面之间添加润滑剂，减小摩损。流体润滑是最常见的润滑方式，由一层1.5～2微米以上的润滑油膜将两摩擦表面完全分开，摩擦产生自润滑油分子之间的内摩擦，有效降低磨损，改善了工作性能。流体润滑被广泛应用于各种领域，齿轮，轴承，活塞等机械部件常添加微米级厚度的润滑油，分离接触面使部件平滑运动。润滑失效是机器运转出现故障的主要原因之一，因此检测机械设备的润滑性能有重要的意义，润滑油膜的厚度是判断机械设备润滑性能的重要参数。随着工业进步和科技研究，设备不断向大功率发展，对润滑系统的要求也越来越高，如船舶柴油机中活塞在气缸内做往复直线运动，与缸壁之间产生剧烈摩擦，润滑困难。在实际工作工程中气缸内温度压力很高，工作条件恶劣，载荷冲击强烈，容易导致润滑油膜变薄，油膜过薄会导致活塞与缸壁直接接触，工作一段时间后磨损和发热程度急剧增加，导致柴油机损坏；而当油膜过厚时，又会降低设备的承载能力，使其不能稳定工作，严重时会造成漏油和剧烈能量损失。综上，测量两摩擦面间的润滑油膜厚度对监测机器运行状态，改进机器性能有重要的意义，许多学者对油膜厚度测量进行了深入的研究，目前常见的测量方法有电阻测量法，电容测量法和光学测量法。

电阻测量法与电容测量法都属于电学测量法，需要一个电绝缘平面或一个完全电隔离的接触单元来安装传感器，增加了结构的复杂性，且测量结果易受环境因素影响，因此难以广泛应用于工业领域中。光学测量法具有测量精度高，测量装置易搭建，动态响应好好，非接触测量等优点，在航空，航天和船舶等国防领域中得到了广泛应用。针对光学测量法，国内外学者进行了广泛的研究。

1960年，sibley等人成功利用x光透射性质对膜厚进行了测量，得到了相当准确的测量结果，但这种方法对实验设备的位置精度要求非常高，且对人体伤害较大。1980年，ting使用配备了一个透明气缸的单缸发动机，并借此开发了一种技术来对活塞环润滑过程和发动机油损失机理进行可视化研究。1998年，arcoumanis、duszynski和benoist等人使用激光诱导荧光技术测量了活塞环和缸套间润滑油膜厚度。

tdlas测量法是一种新兴的光学测量法，它是一种可调谐的激光吸收光谱技术，近些年得到了学者们的高度重视。2000年monza利用此技术测量了低至1mm的掺杂亚甲蓝的水膜厚度。2010年hyang等人研制出一种新型的tdlas液膜测量系统，可对蒸发过程中液膜厚度进行测量，该系统测得的液膜在5～1000um范围内厚度误差小于5％。2014年杨荟楠，郭晓龙等人利用tdlas技术实现了气流道内蒸发过程中液膜厚度的动态测量，并通过在探测器前放置积分球对已有的tdlas液膜测量系统进行了优化。tdlas技术具有灵敏度高，动态响应特性好，非接触测量等优点，是光学测量法未来的发展趋势。

技术实现要素：

本发明的目的是利用tdlas技术实现对润滑油膜厚度的测量。

一种基于tdlas技术的润滑油膜厚度测量方法，包括以下步骤：

(1)选取波数为v1和v2的两束激光，通过傅里叶变换红外光谱仪测得它们的红外光谱吸收截面σ1和σ2；

(2)令两束激光分别穿过同一油膜，得到各自的透射率β1和β2；

(3)利用β1和β2的比值消除其它光强衰u造成的影响；

(4)得到油膜的厚度d。

所述选取波数为v1和v2的两束激光，通过傅里叶变换红外光谱仪测得它们的红外光谱吸收截面σ1和σ2，包括：

一束波数为v的激光穿过油膜后，激光的强度会发生衰减，衰减程度用激光的透射率β表示为：

其中，i0为激光的初始光强，it为激光穿过油膜后的光强，n是润滑油的摩尔浓度，d为所测油膜的厚度，u为其它因素导致的光强衰减，σ为激光的光谱红外吸收截面。

所述利用β1和β2的比值消除其它光强衰u造成的影响，包括：

两束光透射率β1和β2的比值为：

其中，n是润滑油的摩尔浓度，d为所测油膜的厚度，σ1为波数为v1的激光的光谱红外吸收截面，σ2为波数为v2的激光的光谱红外吸收截面。

所述油膜的厚度d为：

其中，σ1为波数为v1的激光的光谱红外吸收截面，σ2为波数为v2的激光的光谱红外吸收截面，β1为波数为v1的激光的透射率，β2为波数为v2的激光的透射率。

一种基于tdlas技术的润滑油膜厚度测量装置，由激光控制器，激光器，分光镜，全反射镜，摩擦面，润滑油膜，光学窗口，第一激光探测器，第二激光探测器，计算机系统组成，润滑油膜夹在两块摩擦面之间，摩擦面中心有光学窗口，计算机系统分别与激光控制器、第一激光探测器、第二激光探测器连接在一起，激光控制器与激光器连接，分光镜在激光器的光路上，一部分激光经全反射镜射入第一激光探测器，另一部分激光经光学窗口射入第二激光探测器。

本发明的有益效果在于：

(1)设置了不同的光路，测量油膜透射光强信号的同时可以获得初始光强信号，无需拟合过程，保证实时性的同时提高了测量精度；

(2)激光穿过润滑油膜时不改变油膜的分布状态，为无伤探测，降低了测量误差。

附图说明

图1是基于tdlas技术的油膜厚度测量示意图；

图2是本发明的程序流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

1-激光控制器、2-激光器、3-分光镜、4-全反射镜、5-摩擦面、6-润滑油膜、7-光学窗口、8-第一激光探测器、9-第二激光探测器、10-计算机系统；

在现代工业中，任意两个接触面之间都存在摩擦，摩擦会造成磨损并降低器件的工作精度，严重时甚至会造成机器损坏，为了减少磨损和发热，延长机器的使用寿命，必须在两个接触面之间添加润滑剂，减小摩损。流体润滑是最常见的润滑方式，由一层1.5～2微米以上的润滑油膜将两摩擦表面完全分开，摩擦产生自润滑油分子之间的内摩擦，有效降低磨损，改善了工作性能。流体润滑被广泛应用于各种领域，齿轮，轴承，活塞等机械部件常添加微米级厚度的润滑油，分离接触面使部件平滑运动。润滑失效是机器运转出现故障的主要原因之一，因此检测机械设备的润滑性能有重要的意义，润滑油膜的厚度是判断机械设备润滑性能的重要参数。随着工业进步和科技研究，设备不断向大功率发展，对润滑系统的要求也越来越高，如船舶柴油机中活塞在气缸内做往复直线运动，与缸壁之间产生剧烈摩擦，润滑困难。在实际工作工程中气缸内温度压力很高，工作条件恶劣，载荷冲击强烈，容易导致润滑油膜变薄，油膜过薄会导致活塞与缸壁直接接触，工作一段时间后磨损和发热程度急剧增加，导致柴油机损坏；而当油膜过厚时，又会降低设备的承载能力，使其不能稳定工作，严重时会造成漏油和剧烈能量损失。综上，测量两摩擦面间的润滑油膜厚度对监测机器运行状态，改进机器性能有重要的意义，许多学者对油膜厚度测量进行了深入的研究，目前常见的测量方法有电阻测量法，电容测量法和光学测量法。

电阻测量法与电容测量法都属于电学测量法，需要一个电绝缘平面或一个完全电隔离的接触单元来安装传感器，增加了结构的复杂性，且测量结果易受环境因素影响，因此难以广泛应用于工业领域中。光学测量法具有测量精度高，测量装置易搭建，动态响应好好，非接触测量等优点，在航空，航天和船舶等国防领域中得到了广泛应用。针对光学测量法，国内外学者进行了广泛的研究。

1960年，sibley等人成功利用x光透射性质对膜厚进行了测量，得到了相当准确的测量结果，但这种方法对实验设备的位置精度要求非常高，且对人体伤害较大。1980年，ting使用配备了一个透明气缸的单缸发动机，并借此开发了一种技术来对活塞环润滑过程和发动机油损失机理进行可视化研究。1998年，arcoumanis、duszynski和benoist等人使用激光诱导荧光技术测量了活塞环和缸套间润滑油膜厚度。

tdlas测量法是一种新兴的光学测量法，它是一种可调谐的激光吸收光谱技术，近些年得到了学者们的高度重视。2000年monza利用此技术测量了低至1mm的掺杂亚甲蓝的水膜厚度。2010年hyang等人研制出一种新型的tdlas液膜测量系统，可对蒸发过程中液膜厚度进行测量，该系统测得的液膜在5～1000um范围内厚度误差小于5％。2014年杨荟楠，郭晓龙等人利用tdlas技术实现了气流道内蒸发过程中液膜厚度的动态测量，并通过在探测器前放置积分球对已有的tdlas液膜测量系统进行了优化。tdlas技术具有灵敏度高，动态响应特性好，非接触测量等优点，是光学测量法未来的发展趋势。

本发明的目的是利用tdlas技术实现对润滑油膜厚度的测量。

本发明的目的是这样实现的：根据比尔-兰伯特定律，一束波数为v的激光穿过油膜后，激光的强度会发生衰减，衰减程度可通过激光的透射率β进行表示：

式中：i0为激光的初始光强，it为激光穿过油膜后的光强，n是润滑油的摩尔浓度，d为所测油膜的厚度，u为其它因素导致的光强衰减，σ为激光的光谱红外吸收截面。

选取波数为v1和v2的两束激光，通过傅里叶变换红外光谱仪测得它们的红外光谱吸收截面σ1和σ2。令两束激光分别穿过同一油膜，得到各自的透射率β1和β2，利用β1和β2的比值可以消除其它光强衰u造成的影响，透射率比值为：

经过变换，得到油膜厚度d的表达式：

将润滑油的摩尔浓度代入表达式，即可完成对润滑油膜厚度的测量。

本发明还包括这样一些特征：所用激光器为可调谐激光器，改变加在其两端的电压即可改变输出激光的波数。测量方式为非接触式测量，对润滑油膜不造成任何影响，保证了厚度测量结果的准确性。初始光强i0由激光探测器直接检测得到，无需对透射光强it进行拟合，避免了由拟合导致的误差。若摩擦面不透光需先在被测处进行可视化改造，安装光学窗口，使被测处可以穿过激光。

如图1所示，激光控制器控制激光器发出激光，分光镜与全反射镜用于设置不同的光路。摩擦面1和摩擦面2中间分布着一定厚度的润滑油膜，形成“摩擦面-油膜-摩擦面”结构。光学窗口用于传播激光，激光探测器1与激光探测器2用于检测激光的光强。计算机系统用于调节激光控制器，信号处理以及测量结果的输出。

本发明在使用时，由计算机系统调节激光控制器，使激光器先发出波数为v1的激光，激光经过分光镜时一半反射，一半透射，分别沿不同的光路传播，反射的部分经过全反射镜反射后，直接照射在激光探测器1上，透射的部分通过光学窗口穿过润滑油膜，照射在激光探测器2上，激光探测器1检测到的信号为初始光强i01，激光探测器2检测到的信号为透射光强it1。计算机系统接收到i01信号与it1信号后，立即调节激光控制器，使激光器发出波数为v2的激光，并获取初始光强信号i02与透射光强信号it2。计算机系统对i01，it1，i02，it2进行处理，得到波数为v1，v2的激光各自的透射率β1，β2，经式(3)计算后，最终输出油膜厚度的测量结果。

一种基于tdlas技术的润滑油膜厚度测量方法，包括激光控制器1，激光器2，分光镜3，全反射镜4，摩擦面5，润滑油膜6，光学窗口7，激光探测器18，激光探测器29，计算机系统10等结构，利用tdlas技术实现对润滑油膜厚度的测量。

激光器输出激光的波数受加在激光器两端的电压控制。

激光穿过润滑油膜时不改变油膜的分布状态，为无伤探测，降低了测量误差。

设置了不同的光路，测量油膜透射光强信号的同时可以获得初始光强信号，无需拟合过程，保证实时性的同时提高了测量精度。

要保证激光在被测处可以穿过，若材料不透光需进行改造，布置光学窗口。