一种基于准单极脉冲超声的轴承油膜厚度测量方法

本发明涉及轴承油膜厚度测量，尤其涉及一种基于准单极脉冲超声的轴承油膜厚度测量方法。

背景技术：

1、轴承是重大装备的核心基础件，其润滑状态的在线监测是保障装备运行可靠性、寿命与安全的关键。润滑油膜厚度作为反映润滑状态从边界润滑、混合润滑到全膜流体动压润滑演变的最核心物理指标，其精确测量对于实现轴承健康管理具有重要意义。特别是滚动轴承，其油膜厚度通常仅为0.1-5μm，对测量技术的分辨率和精度提出了极高要求。

2、目前，测量轴承油膜厚度的主要方法包括光学法、电学法和超声法。光学法（如干涉法、荧光法）精度高，但往往需要至少一侧摩擦副为透明材料，难以在全金属轴承上实现原位在线监测。电学法（如电容法、电阻法）便于集成，但反映的是整个轴承副间的平均电学参数，精度有限，且薄油膜下易发生电击穿。这两种方法在复杂工况下的定量精度、空间分辨率和可靠性均面临较大挑战。

3、超声法凭借非介入、穿透力强、适用范围广以及易于在线集成的优势，展现出良好的工程应用前景。现有基于超声原理的轴承油膜厚度测量方法主要包括相位法和弹簧模型法。相位法利用超声波在油膜上下界面反射产生的相位滞后与膜厚之间的函数关系进行测量，对微米级薄油膜变化敏感，但其精度易受材料声速、温度波动及系统噪声影响，稳定性不足。弹簧模型法则将粘性油膜等效为无质量“弹簧”，通过构建反射系数频谱与膜厚等参数的物理模型进行反演，可实现亚微米级高精度测量。然而，该方法反演的准确性、唯一性及有效测量范围高度依赖于入射超声波信号的有效带宽。传统单频或窄带超声激励源激发的声波信息量有限，油膜界面反射的频谱特征单一，缺乏足够的约束条件，导致反演精度与稳定性难以满足宽范围（0.1-5μm）薄油膜的高精度测量要求。

4、针对上述难题，亟需一种能够主动合成宽频超声源，并结合宽频谱拟合反演的高精度轴承油膜厚度测量方法，以突破现有技术在测量精度、稳定性和量程之间的矛盾。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于准单极脉冲超声的轴承油膜厚度高精度测量方法，通过在声源端主动合成时域能量集中、频谱覆盖极宽的准单极脉冲超声，并构建融合弹簧模型与宽频谱拟合的反演方法，利用大量频谱数据点形成强约束，从而解决反演过程中唯一性与稳定性不足的问题，实现0.1-5μm宽范围内轴承油膜厚度的高精度测量。

2、为实现以上目的，本发明提供了一种基于准单极脉冲超声的轴承油膜厚度测量方法，包括以下步骤：

3、s1、双频段换能器发射准单极脉冲超声，垂直射入轴承钢-油膜-轴承钢多层介质，双频段换能器接收准单极脉冲超声在轴承钢-油膜-轴承钢多层介质中反射的反射回波信号；

4、s2、对所述反射回波信号进行包括去噪、滤波、归一化操作的预处理，并提取全频带反射系数谱；

5、s3、基于弹簧模型建立理论反射系数谱与油膜厚度之间的物理模型，并建立宽频谱拟合目标函数；

6、s4、通过非线性优化算法迭代求解所述目标函数，得到最优油膜厚度。

7、进一步的，步骤s1中，所述双频段换能器的结构从下至上依次为背衬层、低频压电层、声过滤层、高频压电层、第一匹配层、第二匹配层；

8、所述准单极脉冲超声的合成方法为：双频段换能器中的低频压电层与高频压电层分别接收同步电激励信号，调节两路激励信号的幅值和相位关系，使低频压电层产生的低频超声波与高频压电层产生的高频超声波在传播路径中发生时域干涉叠加，从而合成主瓣突出、旁瓣受抑制的准单极脉冲超声。

9、进一步的，步骤s1中，所述双频段换能器中，低频压电层的中心频率为1mhz-10mhz，高频压电层的中心频率为3mhz-50mhz，且高频压电层的中心频率是低频压电层中心频率的3-5倍。

10、进一步的，所述双频段换能器的背衬层声阻抗与低频压电层声阻抗的比例范围为0.4:1-0.8:1；

11、所述双频段换能器的第一匹配层和第二匹配层的厚度为所述高频超声波波长的0.1-0.3倍，声过滤层厚度为所述高频超声波波长的0.1-0.5倍，低频匹配层厚度为所述低频超声波波长的0.1-1倍，高频匹配层厚度为所述高频超声波波长的0.1-1倍。

12、进一步的，所述准单极脉冲超声的-6db相对带宽>140%，主瓣与旁瓣幅值比大于3.5:1。

13、进一步的，步骤s2中，所述预处理具体为：

14、采用数字带通滤波器对所述反射回波信号进行去噪处理，所述数字带通滤波器的通带频率范围覆盖所述准单极脉冲的频谱宽度；采用小波阈值去噪方法对滤波后的信号进行二次降噪，消除环境噪声与系统电噪声；采用最大幅度归一化方法将去噪后的信号幅值归一化至[-1,1]区间，消除双频段换能器灵敏度差异对反射系数绝对值的影响。

15、进一步的，步骤s2中，所述提取全频带反射系数谱具体为：利用反卷积方法从所述反射回波信号中提取高保真度的反射系数谱。

16、进一步的，步骤s3具体包括：

17、基于弹簧模型，将油膜等效为弹性界面，并建立反射率与油膜力学特性参数之间的对应关系；

18、将油膜厚度作为待求参数，根据全频带反射系数谱与理论反射系数谱之间的差异构建宽频谱拟合目标函数。

19、进一步的，所述反射率与油膜力学特性参数之间的对应关系的表达式为：

20、；

21、其中，为反射率；为第一层介质的声阻抗；为第三层介质的声阻抗；为超声波的角频率；为油膜层刚度系数；

22、油膜层的刚度系数为：

23、；

24、其中，为油膜层介质的密度；为油膜层介质的声速；为油膜厚度；

25、当油膜厚度与反射系数呈线性关系，且第一层介质与第三层介质相同且声阻抗均为时，可求出油膜厚度：

26、；

27、其中，为入射频率。

28、进一步的，所述宽频谱拟合目标函数的表达式为：

29、；

30、其中，为目标函数值，优化目标为取最小值，为待反演参数；为频率点数；为频率点序号；为权重因子；为全频带反射系数谱；为理论反射系数谱；为tikhonov正则化项，为包括厚度、粘度的参数的先验估计，为正则化系数，为l2范数平方。

31、本发明采用上述一种基于准单极脉冲超声的轴承油膜厚度测量方法，有益效果如下：

32、（1）本发明在声源端主动合成时域能量集中、频谱覆盖极宽（-6 db相对带宽>140%）的准单极脉冲超声，为反演提供了丰富的频谱信息与强约束条件，为解决传统窄带超声反演中信息量不足导致的唯一性与稳定性问题提供了有效方法；

33、（2）本发明提供了一种融合弹簧模型与宽频谱拟合的非线性优化反演方法，并引入反卷积与tikhonov正则化策略，有效提升了反演算法的鲁棒性和测量精度，在0.1-5μm宽厚度范围内实现了高精度测量；

34、（3）本发明在0.25-2μm核心测量区间内反演相对误差普遍低于1.5%（如1μm厚度下误差仅为0.03%），拟合优度r2大于0.95，即使在0.1μm和5μm极端厚度条件下，相对误差也分别仅为3.9%和6.35%，突破了传统超声测厚方法在精度与量程之间的矛盾；

35、（4）本发明适用于全金属轴承结构，无需改变轴承原有设计，可实现原位、在线、非介入式的高精度监测。