超聲法測(cè)量油膜厚度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王波，馬希直，張步高

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

為了防止磨損，通常在齒輪、軸承等機(jī)械零件的接觸表面加注潤(rùn)滑油，它們的使用壽命依賴于潤(rùn)滑油膜的完整性[1]。油膜較厚時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械零件承載能力下降、工作不穩(wěn)定等現(xiàn)象；油膜較薄時(shí)，會(huì)加劇接觸表面磨損，產(chǎn)生難以預(yù)料的嚴(yán)重后果。因此，實(shí)現(xiàn)油膜厚度的測(cè)量具有重要的研究意義。

目前的測(cè)量方法有電學(xué)法[2]、光學(xué)法[3]以及超聲法[4]。超聲波具有非入侵、穿透能力強(qiáng)、指向性好等特點(diǎn)，使用超聲波法測(cè)量油膜厚度能夠避免電學(xué)法中需對(duì)接觸單元進(jìn)行電隔離以及光學(xué)法中需要透光材料的不足。因此，本文設(shè)計(jì)了一種超聲法測(cè)量油膜厚度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)為單通道測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)油膜厚度實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)測(cè)量，可擴(kuò)展為超聲陣列測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油膜厚度分布的測(cè)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由圖可知，本系統(tǒng)由控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及處理子系統(tǒng)組成。控制子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)超聲激勵(lì)信號(hào)的啟?？刂啤⑾到y(tǒng)復(fù)位、串口通信、LCD顯示、按鍵調(diào)整超聲激勵(lì)信號(hào)參數(shù)等功能[5]。數(shù)據(jù)采集及處理子系統(tǒng)中的超聲換能器接收超聲激勵(lì)信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，垂直入射模擬靜態(tài)油膜結(jié)構(gòu)，反射信號(hào)經(jīng)數(shù)字示波器采集上傳到上位機(jī)上，使用Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出油膜厚度。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 控制子系統(tǒng)

2.1 模塊分析

該子系統(tǒng)由硬件電路板、電源模塊和上位機(jī)串口控制軟件組成。其中硬件電路板設(shè)計(jì)包括ARM模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、發(fā)射模塊、字庫(kù)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(shí)現(xiàn)超聲激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生，脈沖重復(fù)率的調(diào)整和顯示。超聲激勵(lì)信號(hào)是具有一定帶寬的負(fù)尖脈沖，可以激勵(lì)超聲換能器工作，其主要由發(fā)射模塊產(chǎn)生，發(fā)射模塊電路圖[7]如圖2所示。

圖2 發(fā)射模塊

當(dāng)觸發(fā)脈沖高電平到來前，場(chǎng)效應(yīng)管截止，高壓信號(hào)HV對(duì)電容C28充電。當(dāng)觸發(fā)脈沖為高電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)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(fā)生突變，故電容C28右端即為負(fù)的高壓信號(hào)，該負(fù)高壓信號(hào)通過二極管D8以及J8接口加在換能器上。隨后，C28中存儲(chǔ)的電荷開始放電，在J8接口處產(chǎn)生一個(gè)負(fù)尖脈沖，這個(gè)負(fù)尖脈沖具有豐富的高頻分量，對(duì)超聲換能器進(jìn)行激勵(lì)，使其發(fā)射超聲波。

驅(qū)動(dòng)模塊采用ICL7667芯片，該芯片是1個(gè)雙電源雙路高速M(fèi)OS管驅(qū)動(dòng)器，專門用于將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成15 V電壓的高電流輸出信號(hào)。其正電源范圍為4.5 V～15 V，負(fù)電源范圍為-15～0 V。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，將負(fù)電源與電源地短接，即設(shè)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(hào)芯片和1個(gè)方口USB插座。CH340G芯片實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能，承擔(dān)STM32F103RCT6控制芯片和上位機(jī)串口通信任務(wù)。LCD模塊為晶聯(lián)訊液晶12864模塊，顯示字符點(diǎn)陣取自字庫(kù)模塊的漢字庫(kù)芯片GT20L16S1Y。按鍵模塊由若干獨(dú)立按鍵組成，主要實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)超聲激勵(lì)信號(hào)脈沖重復(fù)率等功能。

電源模塊由EM1715S穩(wěn)壓電源和IT6721穩(wěn)壓電源構(gòu)成。EM1715S具有3路線性可調(diào)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(diào)電源，電壓在0～60 V連續(xù)可調(diào)，電流在0～8 A連續(xù)可調(diào)。EM1715S主要給硬件電路板上ARM模塊和驅(qū)動(dòng)模塊等供電，IT6721給發(fā)射模塊供電。

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

圖3 上位機(jī)串口控制軟件

通訊控件實(shí)現(xiàn)串口控制和通信，支持串口號(hào)1～16。系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，先打開硬件電路板串口進(jìn)行連接，隨后通過控制按鈕發(fā)送命令字符串，并將反饋信息在數(shù)據(jù)接收區(qū)進(jìn)行顯示。該軟件不僅可應(yīng)用于本系統(tǒng)，還可用于一般的串口調(diào)試。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是在μC/OS-II操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)硬件電路板上的相關(guān)驅(qū)動(dòng)，程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

程序運(yùn)行指示燈任務(wù)表明μC/OS-II操作系統(tǒng)移植正確、程序能夠正常運(yùn)行等，獨(dú)立于其他程序。其他任務(wù)和串口中斷間的通信與控制流程分為兩個(gè)分支，如圖5所示。

圖5 任務(wù)間的通信和控制流程

3 數(shù)據(jù)采集及處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集及處理子系統(tǒng)由超聲換能器、模擬靜態(tài)油膜結(jié)構(gòu)、數(shù)字示波器和上位機(jī)Origin軟件組成[9]。

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

模擬靜態(tài)油膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)通過不同的凹槽深度實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)光滑。數(shù)字示波器型號(hào)為ZDS2012，實(shí)時(shí)采樣頻率為1 GSa/s，模擬帶寬為100 MHz。實(shí)驗(yàn)中將U盤插入，反射信號(hào)數(shù)據(jù)以CSV格式存到U盤內(nèi)，上傳到計(jì)算機(jī)，用于數(shù)據(jù)分析。

Origin軟件對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行分析得出反射系數(shù)曲線，進(jìn)而利用反射系數(shù)曲線特征得出油膜厚度。

4 實(shí)驗(yàn)研究

機(jī)械設(shè)備中潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)一般為鋼-油-鋼3層結(jié)構(gòu)，介質(zhì)的聲學(xué)物理量常數(shù)如表1所示。

表1 介質(zhì)的聲學(xué)物理量常數(shù)

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

(1)

式中：c為潤(rùn)滑油中入射波縱波聲速；m為聲波的諧振階數(shù)；fm為m階諧振頻率。

當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，油膜厚度為入射聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，諧振點(diǎn)為超聲波反射系數(shù)頻域圖中的極小值點(diǎn)。反射系數(shù)為反射波聲壓與入射波聲壓之比，由于入射波無法直接測(cè)量，一般通過參考反射系數(shù)間接得到不銹鋼-油膜界面的反射系數(shù)?？諝?不銹鋼界面的反射系數(shù)一般為0.999 98，趨近于1，常用作參考反射系數(shù)Rref。則不銹鋼-油膜界面的反射系數(shù)計(jì)算公式為：

(2)

式中：Aref為參考信號(hào)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(shù)頻域圖后，可從圖中得出一階諧振頻率f，結(jié)合表1代入公式(1)后可得油膜厚度。當(dāng)聲波頻率>60MHz時(shí)衰減嚴(yán)重，此時(shí)對(duì)應(yīng)的油膜厚度約為12μm，故諧振模型一般應(yīng)用于12μm以上油膜厚度的測(cè)量。由公式(1)可知，油膜厚度分別為130 μm、140 μm、150 μm和160 μm時(shí)的一階諧振頻率都在5 MHz左右，故加工4個(gè)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(gè)上不銹鋼圓塊模擬固定靜態(tài)油膜。根據(jù)測(cè)量原理，首先應(yīng)采集參考反射信號(hào)，如圖6所示。

圖6 不銹鋼-空氣界面的參考反射信號(hào)

下面以150 μm油膜厚度為例進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集及分析，采集的反射信號(hào)如圖7所示。

由反射系數(shù)計(jì)算方法可得，將反射信號(hào)頻域圖曲線數(shù)據(jù)除以參考信號(hào)頻域圖曲線數(shù)據(jù)，得本次150 μm油膜厚度的反射系數(shù)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(hào)

在實(shí)際信號(hào)處理中，由于參考信號(hào)頻域圖和反射信號(hào)頻域圖的數(shù)據(jù)都是一些離散點(diǎn)，并不一一對(duì)應(yīng)。為了方便數(shù)據(jù)處理，以部分反射信號(hào)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，在Origin中對(duì)反射信號(hào)數(shù)據(jù)和參考信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，最終繪制的曲線經(jīng)過平滑處理后如圖8所示。圖中僅有1個(gè)極小值點(diǎn)，這表明只發(fā)生了一階諧振，并沒有發(fā)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(jié)合表1數(shù)據(jù)代入公式(1)得本次測(cè)量結(jié)果為154.66 μm，相對(duì)誤差為3.11%。

圖8 本次150 μm油膜厚度的反射系數(shù) 頻域圖

為了驗(yàn)證超聲膜厚測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，下面對(duì)每個(gè)厚度的油膜進(jìn)行3次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果和相對(duì)誤差如表2所示。由表2可知，超聲膜厚測(cè)量系統(tǒng)誤差在5%以內(nèi)，精度較高，證明了該系統(tǒng)應(yīng)用的可行性[12]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的超聲膜厚測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、功能擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)?？赏ㄟ^串口通信模塊在上位機(jī)串口軟件上實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制，使整個(gè)系統(tǒng)更加智能化，也可通過將數(shù)據(jù)采集卡替換數(shù)字示波器，擴(kuò)展PWM通道以及發(fā)射模塊設(shè)計(jì)成超聲陣列膜厚測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油膜厚度分布的測(cè)量。

表2 油膜厚度為130 μm、140 μm、150 μm、160 μm的3次測(cè)量結(jié)果和相對(duì)誤差