一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法

摘要

一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法，实时采集从润滑膜层反射回来的回波，从反射的回波中间接提取参考信号；利用声波共振现象即共振频率点处油膜信号相位等于参考信号相位的原理，提取共振频率处的油膜信号相位作为参考信号相位；利用油膜厚度为超声波1/4波长时油膜信号幅值谱与参考信号幅值谱的数值关系，提取油膜厚度为超声波1/4波长时的油膜信号的幅值谱计算获得参考信号幅值谱；本发明对在用设备的摩擦副直接实施超声膜厚测量，而不需要通过从设备中拆出摩擦副获取参考信号，解决了超声膜厚检测技术在用设备中直接应用的难题。

权利要求

1.一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法，其特征在于：参考信号的自适应提取的方法，包括以下步骤：基于基体A-润滑膜-基体B三层介质系统连续发射超声波，同时启动设备调节工况，包括载荷和转速，使润滑膜从薄到厚逐渐变化；并调节工况使基体A和基体B从接触到分开，此时润滑膜厚从薄到厚大尺度连续变化，实时采集从润滑膜层反射回来的回波信号，并同步进行傅里叶频谱分析，获得信号的幅值谱和相位谱；对信号幅值谱进行分析，由于声波共振现象，当油膜厚度在共振法区间范围内，极小值点会出现在信号幅值谱中；如果极小值点出现在传感器-3dB带宽范围内则停止调节载荷和转速，否则继续调节，直至极小值点出现在传感器-3dB带宽范围内；提取该信号幅值谱中极小值点的频率作为一阶共振频率记为F*；

从该油膜信号对应的相位谱中提取该共振频率F*对应的相位值作为该频率的参考信号相位；利用提取的参考信号相位从存储的油膜信号中寻找油膜厚度为超声波1/4波长时的油膜信号；提取油膜厚度为超声波1/4波长的油膜信号幅值谱计算获得参考信号幅值谱。

2.根据权利要求1所述一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法，其特征在于：1/4波长中的波长λ指的是频率为传感器中心频率的超声波在润滑油中的波长，具体计算方法如下式：其中fc为传感器的中心频率，c为润滑油中的声速。

3.根据权利要求1所述一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法，其特征在于：提取极值点频率F*时采用二次多项式拟合的方法精确提取。

4.根据权利要求1所述一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法，其特征在于：在相位谱中提取该共振频率F*处相位值时采用线性拟合的方法精确提取。

5.根据权利要求1所述一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法，其特征在于：所述参考信号通过下式求得：Amea(fi)为膜厚为1/4波长时的信号幅值谱,R(fi)为膜厚为1/4波长时的理论反射系数幅值谱,Aref(fi)为参考信号的幅值谱，fi为信号幅值谱中各点处的频率。

6.根据权利要求1所述一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法，其特征在于：所述寻找油膜厚度为超声波1/4波长时的油膜信号，具体包括以下步骤：对存储的信号中非共振法区间内的回波信号逐一分析,从每个回波信号的相位谱中提取极小值点频率F*处的相位值，然后将该相位值与提取到的参考信号相位值相减获得该频率F*下的反射系数相位值；将该频率F*处的反射系数相位值和对应的反射系数相位值代入下式，通过数值求解获得润滑膜厚：其中，d为润滑油膜厚度，R12为基体B-润滑膜界面的位移反射系数，R23为润滑膜-基体A界面的位移反射系数；c2为润滑油中的声速；β为超声波在润滑油中的衰减因子；f为极小值点频率F*；φ为频率F*处对应的反射系数相位值；在求解获得油膜厚度d之后，若d等于1/4波长则提取该回波信号，若不等于则继续寻找。

7.根据权利要求6所述的一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法，其特征在于：所述寻找油膜厚度为超声波1/4波长时的油膜信号，判断油膜信号为非共振法区间的方法是：若油膜信号幅值谱中存在极小值点，则该油膜信号在共振法区间内；若没有极小值点，则该油膜信号在非共振法区间内。

8.根据权利要求6所述的一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法，其特*

征在于：从每个回波信号的相位谱中提取极值点频率F处的相位值时采用线性拟合精确提取。

说明书

一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法

技术领域

[0001] 本发明属于机器系统摩擦副润滑状态检测技术领域，涉及一种在用设备在非拆解状态下应用超声膜厚测量技术测量摩擦副润滑膜厚的关键技术，即一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法。

背景技术

[0002] 摩擦副在运行过程中依靠流体形成的润滑膜将相对运动的摩擦副表面隔开，避免摩擦副的直接接触，其润滑状态决定了轴承的润滑性能、承载能力、运行寿命等行为能力，是摩擦副的关键所在。如果油膜过薄，摩擦副相对运动的表面会发生接触从而发生摩擦、磨损；如果油膜过厚会造成过多的搅油损失。因此为了保证机器正常稳定的运行，需要对润滑膜厚的厚度进行定量实时地在线监测。

[0003] 超声检测技术凭借其非介入式特点，在润滑膜厚的测量中极富有发展前景。基于润滑膜层的反射系数，大量的超声模型如弹簧模型，相位模型，共振模型等已经被建立起来用于计算膜厚，如参考文献[1-4]。这些模型所测量的膜厚范围不同，通过结合可以实现全尺度下膜厚的测量。在瞬态工况下例如机器启停阶段油膜会在大尺度范围内变化的设备例如滑动轴承，在采用超声技术测量时，需要跨越多个模型。其中弹簧模型和相位模型在测量前需要取已知界面作为参考，也就是取摩擦副与空气界面的参考信号，这就要求对设备进行拆卸从而使摩擦副暴露出来，这在实际过程中很难实现且成本巨大。

[0004] 为了实现在不拆开在用设备情况下提取参考信号这一难题，Reddyhoff提出一种针对弹簧模型的参考信号自动标定技术，通过将实测的一系列油膜反射信号的幅值和相位与理论幅值和相位关系式拟合间接获得参考信号的幅值和相位，从而避免提取固体-空气界面的反射信号作为参考信号[5]。但是这种方法对中心频率较高的传感器会发生失效，因为高频传感器的弹簧模型法测量范围较小，所以获取的参考信号受表面粗糙度的敏感程度较大。而盲区范围内膜厚的测量需要准确的参考信号相位[2，3]，因此利用该方法获得的参考信号对盲区膜厚的测量存会在较大的误差。

[0005] 因此针对膜厚大尺度变化的设备中，无法直接提取固体-空气界面作为参考信号的问题，有必要研究一种在非拆解状态下参考信号的自动获取技术，从而利用超声技术实现在在用设备中油膜厚度的在线监测。

[0006] 参考文献：

[0007] [1]R.S.Dwyer-Joyce,B.W.Drinkwater,C.J.Donohoe.The Measurement of Lubricant-Film Thickness Using Ultrasound[J].Proceedings:Mathematical,Physical and Engineering Sciences,2003,459(2032):957-976.

[0008] [2]Dou P,Wu T,Luo Z.Wide Range Measurement of Lubricant FilmThickness Based on Ultrasonic Reflection Coefficient Phase Spectrum.ASME,

[0009] Journal of Tribology,Vol 141,2019.Doi:10.1115/1.4041511

[0010] [3]武通海窦潘罗朝鹏.利用超声反射系数相位谱连续检测全尺度润滑膜厚的方法及系统:CN201810108332.X[P].2018-08-03.

[0011] [4]马希直唐伟坤一种油膜厚度的超声测量方法[P].专利号：CN102183228[0012] [5]Reddyhoff T,Dwyer-Joyce R S,Zhang J,et al.Auto-calibration of ultrasonic lubricant-film thickness measurements.Measurement Science & Technology,2008,19(4):045402.

发明内容

[0013] 为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法，能够避免拆开轴承摩擦副提取参考信号这一步骤，从而解决了超声膜厚检测技术在用设备中直接应用的难题。

[0014] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

[0015] 一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法，包括以下步骤：

[0016] 基于基体A-润滑膜-基体B三层介质系统连续发射超声波，并调节工况使基体A和基体B从接触到分开，此时润滑膜厚从薄到厚大尺度连续变化，实时采集从润滑膜层反射回来的回波，从反射的回波中间接提取参考信号；利用声波共振现象即共振频率点处油膜信号相位等于参考信号相位的原理，提取共振频率处的油膜信号相位作为参考信号相位；利用油膜厚度为超声波1/4波长时油膜信号幅值谱与参考信号幅值谱的数值关系，提取油膜厚度为超声波1/4波长时的油膜信号的幅值谱计算获得参考信号幅值谱。

[0017] 所述的一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法，具体包括以下步骤：

[0018] 1)向基体A-润滑膜-基体B三层系统连续发射超声波，同时启动设备调节工况，包括载荷和转速，使润滑膜从薄到厚逐渐变化；

[0019] 2)实时采集和存储从油膜层反射的超声回波信号并同步进行傅里叶频谱分析，获得信号的幅值谱和相位谱；

[0020] 3)对步骤2)中的信号幅值谱进行分析，由于声波共振现象，当油膜厚度在共振法区间范围内，极小值点会出现在信号幅值谱中；如果极小值点出现在传感器-3dB带宽范围内则停止调节载荷和转速，否则继续调节，直至极小值点出现在传感器-3dB带宽范围内；

[0021] 4)提取该信号幅值谱中极小值点的频率记为F*；

[0022] 5)从该油膜信号对应的相位谱中提取该极小值点频率F*对应的相位值作为该频率的参考信号相位；

[0023] 6)利用提取的参考信号相位从存储的油膜信号中寻找油膜厚度为超声波1/4波长时的油膜信号；

[0024] 7)提取油膜厚度为超声波1/4波长的油膜信号幅值谱计算获得参考信号幅值谱。

[0025] 所述1/4波长中的波长λ指的是频率为传感器中心频率的超声波在润滑油中的波长，具体计算方法如下式：

[0026]

[0027] 其中fc为传感器的中心频率，c为润滑油中的声速。

[0028] 所述步骤4)提取极值点频率F*时采用二次多项式拟合的方法精确提取。

[0029] 所述步骤5)中在相位谱中提取该共振频率F*处相位值时采用线性拟合的方法精确提取。

[0030] 所述步骤7)通过下式计算获得参考信号：

[0031]

[0032] Amea(fi)为膜厚为1/4波长时的信号幅值谱,R(fi)为膜厚为1/4波长时的理论反射系数幅值谱,Aref(fi)为参考信号的幅值谱，fi为信号幅值谱中各点处的频率。

[0033] 所述步骤6)寻找油膜厚度为超声波1/4波长时的油膜信号具体包括以下步骤：

[0034] 对存储的信号中非共振法区间内的回波信号逐一分析,从每个回波信号的相位谱*中提取极小值点频率F处的相位值，然后将该相位值与提取到的参考信号相位值相减获得该频率F*下的反射系数相位值。将该频率F*处的反射系数相位值和对应的反射系数相位值代入下式，通过数值求解获得润滑膜厚：

[0035]

[0036] 其中，d为润滑油膜厚度，R12为基体B-润滑膜界面的位移反射系数，R23为润滑膜-基体A界面的位移反射系数；c2为润滑油中的声速；β为超声波在润滑油中的衰减因子；f为极小值点频率F*；φ为频率F*处对应的反射系数相位值；

[0037] 在求解获得油膜厚度d之后，若d等于1/4波长则提取该回波信号，若不等于则继续寻找。

[0038] 所述寻找油膜厚度为超声波1/4波长时的油膜信号时，判断油膜信号为非共振法区间的方法为：

[0039] 若油膜信号幅值谱中存在极小值点，则该油膜信号在共振法区间内；若没有极小值点，则该油膜信号在非共振法区间内。

[0040] 所述寻找油膜厚度为超声波1/4波长时的油膜信号时，从每个回波信号的相位谱中提取极小值点频率F*处的相位值时采用线性拟合精确提取。

[0041] 本发明的有益效果体现在：

[0042] 本发明能够对在用设备的摩擦副间的润滑膜膜厚直接实施超声膜厚测量，而不需要在测量前从设备中拆出摩擦副获取参考信号，该技术解决了超声膜厚检测技术在用设备中直接应用的难题。

附图说明

[0043] 图1是钢-油-钢系统反射系数幅值和相位随频率厚度乘积的变化。

[0044] 图2是膜厚模拟试验台和超声测量系统。

[0045] 图3是旋转螺旋测微器模拟机器启停阶段膜厚变化时利用参考信号和间接提取参考信号进行膜厚测量结果。

[0046] 图4是径向滑动轴承示意图。

具体实施方式

[0047] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0048] 本发明是基于以下原理和分析：

[0049] 超声波入射到基体A-润滑膜-基体B系统时，从润滑膜层的反射系数R(f)定义为反射波信号V0(f)与入射波信号Vi(f)的比值：

[0050]

[0051] 而在实际过程中，入射波信号是难以获得的，因此润滑层的反射系数通常从已知反射界面的反射信号间接获得：

[0052]

[0053] 其中Vref(f)为从已知界面的反射信号，定义为参考信号，Rref(f)为已知反射界面的反射系数。根据公式(2)，相应的反射系数幅值和相位可以通过下式获得：

[0054]

[0055] Φ(f)＝θmea(f)-θref(f)+Φref(f)(4)

[0056] 其中Amea(f)和θmea(f)是从润滑膜层反射波V0(f)的幅值和相位；Amea(f)和θmea(f)为参考信号的幅值和相位；Aref(f)和θref(f)是参考信号Vref(f)的幅值和相位；|Rref(f)|和Φref分别为已知反射界面Rref(f)的反射系数幅值和相位。

[0057] 超声波在金属-空气界面的反射系数幅值近似为1(0.99998)，相位为0。因此在实际过程中通常取金属-空气界面的反射回波作为参考信号。因此上式(3)和(4)可以简化为：

[0058]

[0059] Φ(f)＝θmea(f)-θref(f)(6)

[0060] 在实际过程中由于需要提取金属-空气界面的反射回波作为参考信号，需要拆开摩擦副取出摩擦副表面的油层，这一步骤在实际工业密闭的机械装备中难以实现。因此为了推进超声膜厚测量技术在实际中的应用，需要研究在不拆开装备的情况下的参考信号的提取方法。

[0061] 超声波在三层介质中(基体A-润滑膜-基体B)传播时，润滑层的理论反射系数的幅值和相位表达式分别为：

[0062]

[0063]

[0064] 其中，R12、R23分别为基体B-润滑膜界面、润滑膜-基体A界面的位移反射系数，基体A为超声入射侧基体；c2为润滑油中的声速；β为超声波在润滑膜中的衰减因子， 为反射系数相位角，f为超声波频率；d是润滑膜厚度；R12和R23表达为：

[0065]

[0066] 其中Zi(Zi＝ρici)分别为介质i的声阻抗，i＝1,2,3分别对应基体B、润滑膜、基体A，ρi为介质i的密度，ci为介质i中声速。

[0067] 忽略衰减因子，如图1所示，可以看到钢-润滑膜-钢系统中反射系数幅值和相位随频率和厚度乘积周期性地变化。

[0068] 从图1中可以看到，根据反射系数的幅值和相位特点可以划分为三个区域：共振模型区域、盲区和弹簧模型区域。

[0069] 在共振法范围内，由于润滑膜厚正好为超声波1/2波长的整数倍，因此超声回波之间发生共振，反射系数幅值会周期性的出现极小值点，且极小值点的幅值为0，极小值点对应的频率即为共振频率。在传统共振法的使用党总，需要首先获得反射系数幅值谱，从幅值谱中获得极值点频率进而利用共振模型计算。但根据公式(1)可以得到：

[0070] |V0(f)|＝|Vi(f)||R(f)|(10)

[0071] 从式(10)中可以看到，油膜信号幅值|V0(f)|为入射信号幅值|Vi(f)|与反射系数幅值|R(f)|的乘积，因此理论上仅在油膜反射信号幅值中，也会出现周期性的最小值点，因此在共振法区域内，可以在没有获得参考信号的情况下，从油膜反射信号的幅值谱中获得极小值点频率即共振频率来计算油膜厚度。另外，在反射系数相位谱中可以看到，在极小值点频率F*处反射系数相位等于0，这意味着在极值点频率F*处，参考信号相位等于润滑膜层反射信号相位，也就是：

[0072] θref(F*)＝θmea(F*)(11)

[0073] 因此，参考信号相位可以通过提取共振法区域内油膜反射信号在共振频率处的相位获得。

[0074] 当润滑膜厚度在盲区范围内，从图1中可以看到在92.9～636.9MHz·μm范围内，反射系数幅值曲线基本水平(ΔR＝0.01)，在润滑膜厚为超声波1/4波长附近即364.9MHz·μm附近最为平缓，因此该位置处的油膜信号幅值近似等于参考信号幅值。对于实际过程中幅值谱中心频率为fc并且具有一定带宽的超声传感器，当油膜厚度为该中心频率fc对应超声波的1/4波长时，油膜信号幅值谱近似等于入射信号幅值谱，也就是参考信号幅值谱。

[0075] 为了更准确的提取，可以将该油膜信号幅值谱除以对应的反射系数幅值谱。假设油膜厚度为中心频率fc对应超声波的1/4波长时的油膜信号幅值谱为Vmea(fi)，该厚度处的反射系数幅值谱为R(fi)，则参考信号的幅值谱Vref(fi)为：

[0076] Vref(fi)＝Vmea(fi)/R(ff) (13)

[0077] 其中fi为信号幅值谱中各点处的频率。

[0078] 根据公式13，参考信号的幅值谱可以通过提取油膜厚度为超声波1/4波长的油膜信号幅值谱计算获得。

[0079] 基于以上分析，本发明提出一种从连续变化的油膜反射信号中间接获取参考信号的方法，具体包括以下步骤：

[0080] 1)向基体A-润滑膜-基体B三层系统连续发射超声波，同时启动设备调节工况(载荷和转速)使润滑膜从薄到厚逐渐变化；

[0081] 2)实时采集和存储从油膜层反射的超声回波信号并同步进行傅里叶频谱分析，获得信号的幅值谱和相位谱；

[0082] 3)对步骤2)中的信号幅值谱进行分析，由于声波共振现象，当油膜厚度在共振法区间范围内，极小值点会出现在信号幅值谱中。如果极小值点出现在传感器-3dB带宽范围内则停止调节载荷和转速，否则继续调节，直至极小值点出现在传感器-3dB带宽范围内；

[0083] 4)提取该信号幅值谱中极小值点的频率作为一阶共振频率记为F*；

[0084] 5)从该油膜信号对应的相位谱中提取该共振频率F*对应的相位值作为该频率的参考信号相位；

[0085] 6)利用提取的参考信号相位从存储的油膜信号中寻找油膜厚度为超声波1/4波长时的油膜信号。

[0086] 所述一种超声润滑膜厚测量中参考信号的自适应提取方法，适用于基体A-润滑膜-基体B系统中，该系统需满足可通过调节工况(载荷和转速)大尺度范围改变其润滑膜厚的设备中，例如推力和径向滑动轴承中。

[0087] 所述1/4波长中的波长λ指的是频率为传感器中心频率的超声波在润滑油中的波长，具体计算方法如下式：

[0088]

[0089] 其中fc为传感器的中心频率，c为润滑油中的声速。

[0090] 所述步骤4)提取极值点频率F*时采用二次多项式拟合的方法精确提取。

[0091] 所述步骤5)中在相位谱中提取该共振频率F*处相位值时采用线性拟合的方法精确提取。

[0092] 所述步骤6)寻找油膜厚度为超声波1/4波长时的油膜信号具体包括以下步骤：

[0093] 对存储的信号中非共振法区间内的回波信号逐一分析,从每个回波信号的相位谱中提取极小值点频率F*处的相位值，然后将该相位值与提取到的参考信号相位值相减获得该频率F*下的反射系数相位值。将该频率F*处的反射系数相位值和对应的反射系数相位值代入下式，通过数值求解获得润滑膜厚：

[0094]

[0095] 其中，d为润滑油膜厚度，R12为基体B-润滑膜界面的位移反射系数，R23为润滑膜-基体A界面的位移反射系数；c2为润滑油中的声速；β为超声波在润滑油中的衰减因子；f为极小值点频率F*；φ为频率F*处对应的反射系数相位值；

[0096] 在求解获得油膜厚度d之后，若d等于1/4波长则提取该回波信号，若不等于则继续寻找。

[0097] 所述寻找油膜厚度为超声波1/4波长时的油膜信号时，判断油膜信号为非共振法区间的方法为：

[0098] 若油膜信号幅值谱中存在极小值点，则该油膜信号在共振法区间内；若没有极小值点，则该油膜信号在非共振法区间内。

[0099] 所述寻找油膜厚度为超声波1/4波长时的油膜信号时，从每个回波信号的相位谱中提取极小值点频率F*处的相位值时采用线性拟合精确提取。

[0100] 所述步骤7)通过下式计算获得参考信号：

[0101]

[0102] Amea(fi)为膜厚为1/4波长时的信号幅值谱,R(fi)为膜厚为1/4波长时的理论反射系数幅值谱,Aref(fi)为参考信号的幅值谱，fi为信号幅值谱中各点处的频率。

[0103] 实验验证例：

[0104] 采用润滑膜厚实验台验证方法的有效性，如图2所示，实验装置由英国Tribosonics Ltd公司提供，由两部分组成：膜厚试验台和超声测量系统。膜厚试验台主要包括：移动钢柱5以及位于移动钢柱下方的固定钢柱7，两个钢柱之间的间隙用于形成润滑油膜7。用于调节移动钢柱5高度位置的螺旋测微器1(高度调节范围0～18mm)、用于连接螺旋测微器1与移动钢柱5的夹持装置3、用于将移动钢柱固定在夹持装置的上螺母2和下螺母3。调节螺旋测微器1改变润滑膜6的厚度从薄到厚，该过程模拟机器启停阶段的调节工况摩擦副从接触到分开的过程即本发明步骤(1)。中心频率为6.5MHz的超声波传感器(直径为
7mm，厚为0.2mm厚的超声波压电元件)用高温胶安装在固定钢柱7的背面的凹槽内。超声波脉冲发射接收仪连续发射脉冲激发压电元件共振产生超声波，超声波通过钢介质进入油膜层中，在油膜层中发生反射和透射，反射回来的信号用PCI采集卡送至电脑，由电脑按照本发明步骤(2)-(7)进行后处理。

[0105] 图3为通过旋转螺旋测微器模拟机器启停阶段膜厚变化时利用从钢-空气界面直接提取的参考信号和利用本发明技术间接提取参考信号进行膜厚测量结果。可以看到在8秒左右实现了参考信号相位的间接提取，在12秒左右实现了参考信号幅值谱的间接提取，在12秒以后可以看到同时利用从钢-空气界面直接提取的参考信号和利用本发明技术间接提取参考信号进行膜厚测量结果基本一致。以上结果表明本发明提出的方法可以在不拆开在用设备的情况下，实现参考信号的自适应提取。

[0106] 实际应用举例：

[0107] 如图4所示，在径向滑动轴承中应用超声技术测量壳体与转子之间的润滑膜厚时，进行测量时需要先拆开设备，去掉转子从而获取参考信号。而利用本发明提供的方法，不需要拆开设备，通过调节载荷和转速，使膜厚从薄到后大尺度连续变化，然后从油膜信号中自适应的提取参考信号。