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润滑膜厚的双色光干涉强度调制测量方法

刘海超  
【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653 nm、绿光532 nm),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。


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