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专利摘要

一种基于超声反射的油膜层厚度频域测量方法，属于润滑油膜厚度测量领域。本发明针对现有飞行时间法测量油膜层厚度存在精度低，对膜厚微小变化不敏感的问题。包括：使超声波作用于油膜层，获得油膜层第一界面反射波和两界面反射波时域信号；并对其进行傅里叶变换，得到傅里叶变换后反射波频域信号；将两界面反射波频域信号与第一界面频域信号作比值，再进一步得到滞后相位与油膜层厚度的关系；之后进一步转换得到油膜层厚度与相邻幅值极小值对应频率的关系；最后，采用有效带宽内幅值的所有极小值对应频率的最大值和最小值确定油膜层厚度，得到最终油膜层厚度计算公式。本发明用于厚油膜层厚度以及其微小变动的精确测量。 ......

基本信息

专利类型:
发明专利
申请/专利号:
CN202210986344.9
申请日期:
2022-08-17
专利申请人:
哈尔滨工业大学
分类号:
G01B17/02 ; G06F17/14
发明/设计人:
汪剑云，张传伟，贺彦博，古乐，郑德志，王黎钦，李臻
权利要求: 1.一种基于超声反射的油膜层厚度频域测量方法，其特征在于包括，油膜层o处于介质a与介质c之间；使超声波入射到a-o界面，获得油膜层o第一界面反射波时域信号和两界面反射波时域信号；所述两界面包括油膜层o的第一界面和第二界面；对两个反射波时域信号分别进行傅里叶变换，得到第一界面傅里叶变换后频域信号和两界面傅里叶变换后频域信号；将两界面傅里叶变换后频域信号与第一界面傅里叶变换后频域信号作比值，并经过计算，获得滞后相位Δβ与油膜层厚度的关系；再结合滞后相位与幅值的对应关系，计算得到油膜层厚度与相邻幅值极小值对应的频率的关系；最后，采用有效带宽内幅值的所有极小值对应的频率的最大值和最小值确定油膜层厚度，得到最终油膜层厚度计算公式。2.根据权利要求1所述的基于超声反射的油膜层厚度频域测量方法，其特征在于，得到第一界面反射波时域信号和两界面反射波时域信号的方法包括：假设a-o界面的入射超声波Ui为：Ui＝f(t) (1)式中f(t)为超声脉冲信号随时间t变化的函数；依据超声波的界面反射原理，得到第一界面反射波时域信号Ur1为：Ur1＝r1f(t) (2)式中r1为超声波从介质a经过a-o界面反射到介质a的反射系数：式中ρa为介质a的密度，ca为介质a的声速，ρo为油膜层o的密度，co为油膜层o的声速；第二界面反射波时域信号Ur2为：Ur2＝t1r2t2f(t-Δt) (4)式中t1为超声波从介质a穿过a-o界面进入油膜层o的透射系数；r2为超声波从油膜层o经过o-c界面反射到油膜层o的反射系数；t2为超声波从油膜层o穿过a-o界面进入介质a的透射系数；Δt为第二界面反射波与第一界面反射波的时间差：式中h为油膜层厚度，ρc为介质c的密度，cc为介质c的声速；则两界面反射波时域信号为：Ur2+Ur1＝t1r2t2f(t-Δt)+r1f(t)。 (9)3.根据权利要求2所述的基于超声反射的油膜层厚度频域测量方法，其特征在于，对式(2)进行傅里叶变换得到第一界面傅里叶变换后频域信号对式(9)进行傅里叶变换得到两界面傅里叶变换后频域信号如下：式中为第二界面傅里叶变换后频域信号，代表傅里叶变换，f代表频率。4.根据权利要求3所述的基于超声反射的油膜层厚度频域测量方法，其特征在于，将式(11)与式(10)作比值得到：进一步得到滞后相位Δβ：滞后相位Δβ与油膜层厚度的关系为：式中n为整数，滞后相位Δβ的范围为-π～π。5.根据权利要求4所述的基于超声反射的油膜层厚度频域测量方法，其特征在于，设定幅值A满足下式：A＝|1+exp(-iΔβ)| (15)当Δβ＝π时，幅值A具有极小值；假设幅值A的两个相邻极小值对应的频率分别为f1和f2，并且f1大于f2，则：式中Δβ1为滞后相位Δβ的最小值，Δβ2为滞后相位Δβ的最大值；进而得到油膜层厚度与相邻幅值极小值对应的频率的关系：6.根据权利要求5所述的基于超声反射的油膜层厚度频域测量方法，其特征在于，采用有效带宽内幅值的所有极小值对应频率的最大值和最小值确定油膜层厚度，得到最终油膜层厚度计算公式为：式中m为有效带宽内幅值极小值出现的次数，fmax为频率最大值，fmin为频率最小值。7.根据权利要求6所述的基于超声反射的油膜层厚度频域测量方法，其特征在于，入射到a-o界面的超声波由脉冲发生接收器发出负的尖脉冲激励超声换能器发出。8.根据权利要求7所述的基于超声反射的油膜层厚度频域测量方法，其特征在于，第一界面和第二界面的反射波由示波器对反射波信号进行采样得到；第一界面和第二界面的反射波信号由超声换能器接收，再通过脉冲发生接收器传输到示波器。