润滑膜厚的双色光干涉强度调制测量方法

摘要

本文建立了一种基于双色光干涉的油膜厚度测量方法。通过对双色光干涉产生的两种颜色强度信号的线性相减，得到调制的强度信号，并由此获得干涉级次，实现亚微米/纳米尺度动态润滑油膜的厚度测量。完成的主要工作包括:
　　(1)对原有的润滑油膜测量系统的软硬件进行了改造和升级，提高了成像质量。重新搭建了3CCD彩色图像采集系统，升级了试验台伺服控制系统，并重新编写了试验仪测控软件，该软件集成了图像采集、摩擦力采集和运动控制功能。
　　(2)开发了大量程的红绿双色激光干涉强度调制技术（DIIM）。基于多光束干涉理论，对润滑油膜彩色光干涉测量系统进行完全薄膜光学分析，揭示干涉条纹光强与色彩的形成机制。在外差干涉的基础上，利用双色光干涉图像中红、绿分量强度之差得到大的合成波长和调制信号，并由此得到对应特征位置的干涉级次，进而由单色光干涉光强得到接触区内任一点膜厚。运用双光束和多光束干涉理论对所提出的测量技术进行了原理分析，重点讨论了光源波长和半峰全宽对测量结果的影响。从光强和颜色两个角度给出前三级拍波的量程扩展方法。理论分析和实验表明，对红绿双色激光光源（红光653nm、绿光532nm），测量分辨率为0.8nm，光学量程高达4μm。由于干涉光强衰减小且能避免干涉级次计数，DIIM方法可高效测量油膜厚度。
　　(3)准确测量了变速条件下流体动压润滑油膜的动态响应特性。非稳态速度下润滑膜厚的变化总是滞后于速度的改变，但在实验范围内膜厚变化率与速度变化保持同步。起动时瞬态油膜厚度低于稳态值，成“S形”渐进增长，停机时相反;三角波速度下，减速阶段膜厚高于加速阶段。膜厚-速度曲线的相位滞后和幅值压缩与挤压项有关，并受速度大小与频率、载荷、润滑油粘度的影响。将双色光测量结果与Reynolds方程求解结果进行了对比，吻合较好，也从瞬态膜厚角度验证了经典润滑理论的正确性。

目录

声明

摘要

物理量名称及符号表

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 润滑膜厚尺度及其测量技术概述

1．2．1 不同润滑状态下的油膜厚度

1．2．2 为什么选择光干涉测量

1．3 润滑油膜光干涉测量技术概述

1．3．1 油膜测量的光干涉技术发展史

1．3．2 国内外主流的光干涉膜厚测量方案

1．4 双色光干涉膜厚测量概述

1．5 本文的主要研究内容

第2章 润滑油膜光干涉测量仪与测量方法基础

2．1 测量仪的组成及油膜测量对象

2．1．1 点接触和面接触油膜测量仪组成

2．1．2 油膜厚度和形状测量的具体对象

2．2 光干涉润滑油膜测量的基本原理

2．2．1 双光束干涉假设下的单色光相对光强法ROII

2．2．2 多光束干涉MBI方法及膜厚-光强计算

2．3 测量仪测控软硬件技术升级

2．3．1 硬件系统的重建与升级

2．3．2 测控软件的编写与集成

2．4 本章小结

第3章 润滑油膜测量系统的色度学建模与分析

3．1 总述

3．2 润滑油膜测量系统的色度学模型和颜色计算

3．3 双色光模拟干涉图像和实验结果对比

3．4 光干涉油膜测量系统成像的影响因素分析

3．4．1 析光膜与图像对比度

3．4．2 光学垫层的作用说明

3．4．3 光源类型与干涉图像

3．5 本章小结

第4章 双色光干涉光强调制DIIM膜厚测量技术

4．1 总述

4．2 双色光DIIM的提出与双光束干涉解析解

4．2．1 双色光DIIM方法的双光束干涉推导

4．2．2 双色光DIIM测量方法的实质与分辨率

4．3 双色光DIIM的多光束干涉求解与特性分析

4．3．1 双色光源波长的影响

4．3．2 光源半峰全宽的影响

4．3．3 润滑介质折射率的影响

4．3．4 析光Cr膜厚度的影响

4．4 双色光DIIM测量量程的扩展

4．4．1 基于干涉调制光强的量程扩展

4．4．2 基于干涉条纹颜色的量程扩展

4．5 双色光DIIM方法的验证与测量

4．5．1 静态球盘Hertz干接触间隙测量

4．5．2 动态EHL弹流润滑油膜厚度测量

4．5．3 面接触HL动压润滑油膜厚度测量

4．6 本章小结

第5章 时变速度下流体动压润滑油膜的响应特性

5．1 总述

5．2 实验方案

5．2．1 时变动压油膜测量的硬件条件

5．2．2 时变速度形式与动压油膜测量工况

5．2．3 稳态面接触润滑油膜测量验证

5．3 面接触流体动压润滑的数值计算方法

5．4 结果与讨论

5．4．1 起动-匀加速滑动速度

5．4．2 停机-匀减速滑动速度

5．4．3 三角波加减速滑动速度

5．4．4 间歇三角波滑动速度

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要内容与结论

6．2 主要贡献与创新点

6．3 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间完成的学术论文及科研工作

致谢