超聲法測量油膜厚度的系統設計

王波，馬希直，張步高

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

為了防止磨損，通常在齒輪、軸承等機械零件的接觸表面加注潤滑油，它們的使用壽命依賴于潤滑油膜的完整性[1]。油膜較厚時，會導致機械零件承載能力下降、工作不穩定等現象；油膜較薄時，會加劇接觸表面磨損，產生難以預料的嚴重后果。因此，實現油膜厚度的測量具有重要的研究意義。

目前的測量方法有電學法[2]、光學法[3]以及超聲法[4]。超聲波具有非入侵、穿透能力強、指向性好等特點，使用超聲波法測量油膜厚度能夠避免電學法中需對接觸單元進行電隔離以及光學法中需要透光材料的不足。因此，本文設計了一種超聲法測量油膜厚度的系統，該系統為單通道測量系統，對油膜厚度實現定點測量，可擴展為超聲陣列測量系統，實現油膜厚度分布的測量。

1 系統設計

系統結構框圖如圖1所示。由圖可知，本系統由控制子系統和數據采集及處理子系統組成。控制子系統主要實現超聲激勵信號的啟停控制、系統復位、串口通信、LCD顯示、按鍵調整超聲激勵信號參數等功能[5]。數據采集及處理子系統中的超聲換能器接收超聲激勵信號，將電信號轉換成超聲波，垂直入射模擬靜態油膜結構，反射信號經數字示波器采集上傳到上位機上，使用Origin軟件對數據進行分析，得出油膜厚度。

圖1 系統結構框圖

2 控制子系統

2.1 模塊分析

該子系統由硬件電路板、電源模塊和上位機串口控制軟件組成。其中硬件電路板設計包括ARM模塊、驅動模塊、發射模塊、字庫模塊、LCD模塊、按鍵模塊以及串口通信模塊[6]。

硬件電路板主要實現超聲激勵信號的產生，脈沖重復率的調整和顯示。超聲激勵信號是具有一定帶寬的負尖脈沖，可以激勵超聲換能器工作，其主要由發射模塊產生，發射模塊電路圖[7]如圖2所示。

圖2 發射模塊

當觸發脈沖高電平到來前，場效應管截止，高壓信號HV對電容C28充電。當觸發脈沖為高電平時，場效應管導通，電容C28左端立即為低電平0 V。由于電容兩端電壓差不能發生突變，故電容C28右端即為負的高壓信號，該負高壓信號通過二極管D8以及J8接口加在換能器上。隨后，C28中存儲的電荷開始放電，在J8接口處產生一個負尖脈沖，這個負尖脈沖具有豐富的高頻分量，對超聲換能器進行激勵，使其發射超聲波。

驅動模塊采用ICL7667芯片，該芯片是1個雙電源雙路高速MOS管驅動器，專門用于將TTL電平信號轉換成15 V電壓的高電流輸出信號。其正電源范圍為4.5 V～15 V，負電源范圍為-15～0 V。在實際設計中，將負電源與電源地短接，即設置成0 V，采用單電源供電，供電范圍在12 V左右[8]。

串口通信模塊采用CH340G型號芯片和1個方口USB插座。CH340G芯片實現USB轉串口功能，承擔STM32F103RCT6控制芯片和上位機串口通信任務。LCD模塊為晶聯訊液晶12864模塊，顯示字符點陣取自字庫模塊的漢字庫芯片GT20L16S1Y。按鍵模塊由若干獨立按鍵組成，主要實現調節超聲激勵信號脈沖重復率等功能。

電源模塊由EM1715S穩壓電源和IT6721穩壓電源構成。EM1715S具有3路線性可調電源，Ⅰ路和Ⅱ路輸出電壓范圍為0～32 V，電流范圍為0～3 A，Ⅲ路固定輸出5 V，最大輸出電流2 A。IT6721具有1路線性可調電源，電壓在0～60 V連續可調，電流在0～8 A連續可調。EM1715S主要給硬件電路板上ARM模塊和驅動模塊等供電，IT6721給發射模塊供電。

上位機串口控制軟件的開發環境為Visual Studio 2010，利用VC++的MFC(microsoft foundation classes)開發完成，如圖3所示。軟件利用VC++自帶的Mscomm串行

圖3 上位機串口控制軟件

通訊控件實現串口控制和通信，支持串口號1～16。系統開始運行時，先打開硬件電路板串口進行連接，隨后通過控制按鈕發送命令字符串，并將反饋信息在數據接收區進行顯示。該軟件不僅可應用于本系統，還可用于一般的串口調試。

2.2 軟件設計

軟件設計主要是在μC/OS-II操作系統上實現硬件電路板上的相關驅動，程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

程序運行指示燈任務表明μC/OS-II操作系統移植正確、程序能夠正常運行等，獨立于其他程序。其他任務和串口中斷間的通信與控制流程分為兩個分支，如圖5所示。

圖5 任務間的通信和控制流程

3 數據采集及處理子系統

數據采集及處理子系統由超聲換能器、模擬靜態油膜結構、數字示波器和上位機Origin軟件組成[9]。

超聲換能器為通用型測厚直探頭，型號為5P10，第1項表示中心諧振頻率為5 MHz，第2項表示壓電材料為PZT，第3項表示晶片直徑為10mm。

模擬靜態油膜結構由上不銹鋼圓塊、油膜和下不銹鋼圓塊組成。上不銹鋼圓塊上表面通過超聲波耦合劑與超聲換能器直接接觸。不銹鋼圓塊表面粗糙度為0.4μm，厚度為20mm，直徑為80mm，加工誤差4%左右；下不銹鋼圓塊上表面結構通過不同的凹槽深度實現不同厚度的油膜，下不銹鋼圓塊下表面和上不銹鋼上、下表面結構光滑。數字示波器型號為ZDS2012，實時采樣頻率為1 GSa/s，模擬帶寬為100 MHz。實驗中將U盤插入，反射信號數據以CSV格式存到U盤內，上傳到計算機，用于數據分析。

Origin軟件對反射信號進行分析得出反射系數曲線，進而利用反射系數曲線特征得出油膜厚度。

4 實驗研究

機械設備中潤滑結構一般為鋼-油-鋼3層結構，介質的聲學物理量常數如表1所示。

表1 介質的聲學物理量常數

超聲法測量油膜厚度有彈簧模型[10]和諧振模型[11]兩種測量模型，下面以諧振模型來驗證本系統的性能。諧振模型油膜厚度計算公式為：

(1)

式中：c為潤滑油中入射波縱波聲速；m為聲波的諧振階數；fm為m階諧振頻率。

當發生諧振時，油膜厚度為入射聲波半波長的整數倍，諧振點為超聲波反射系數頻域圖中的極小值點。反射系數為反射波聲壓與入射波聲壓之比，由于入射波無法直接測量，一般通過參考反射系數間接得到不銹鋼-油膜界面的反射系數。空氣-不銹鋼界面的反射系數一般為0.999 98，趨近于1，常用作參考反射系數Rref。則不銹鋼-油膜界面的反射系數計算公式為：

(2)

式中：Aref為參考信號反射波幅值；Am為不銹鋼與油膜分界面反射波幅值。

由公式(2)得到反射系數頻域圖后，可從圖中得出一階諧振頻率f，結合表1代入公式(1)后可得油膜厚度。當聲波頻率>60MHz時衰減嚴重，此時對應的油膜厚度約為12μm，故諧振模型一般應用于12μm以上油膜厚度的測量。由公式(1)可知，油膜厚度分別為130 μm、140 μm、150 μm和160 μm時的一階諧振頻率都在5 MHz左右，故加工4個凹槽深度分別為130 μm、140 μm、150 μm和160 μm的下不銹鋼圓塊和1個上不銹鋼圓塊模擬固定靜態油膜。根據測量原理，首先應采集參考反射信號，如圖6所示。

圖6 不銹鋼-空氣界面的參考反射信號

下面以150 μm油膜厚度為例進行一次數據采集及分析，采集的反射信號如圖7所示。

由反射系數計算方法可得，將反射信號頻域圖曲線數據除以參考信號頻域圖曲線數據，得本次150 μm油膜厚度的反射系數頻域圖，如圖8所示。

圖7 150 μm油膜厚度下的不銹鋼-油膜界面的 反射信號

在實際信號處理中，由于參考信號頻域圖和反射信號頻域圖的數據都是一些離散點，并不一一對應。為了方便數據處理，以部分反射信號數據為基準，在Origin中對反射信號數據和參考信號數據進行插值處理，最終繪制的曲線經過平滑處理后如圖8所示。圖中僅有1個極小值點，這表明只發生了一階諧振，并沒有發生二階諧振，這主要是由于超聲換能器的帶寬限制，一階諧振頻率為4.72 MHz，結合表1數據代入公式(1)得本次測量結果為154.66 μm，相對誤差為3.11%。

圖8 本次150 μm油膜厚度的反射系數 頻域圖

為了驗證超聲膜厚測量系統的測量精度，下面對每個厚度的油膜進行3次測量，測量結果和相對誤差如表2所示。由表2可知，超聲膜厚測量系統誤差在5%以內，精度較高，證明了該系統應用的可行性[12]。

5 結語

本文設計的超聲膜厚測量系統具有測量精度高、功能擴展性強等特點。可通過串口通信模塊在上位機串口軟件上實現整個系統的控制，使整個系統更加智能化，也可通過將數據采集卡替換數字示波器，擴展PWM通道以及發射模塊設計成超聲陣列膜厚測量系統，實現油膜厚度分布的測量。

表2 油膜厚度為130 μm、140 μm、150 μm、160 μm的3次測量結果和相對誤差