AlN陶瓷膜超声相控阵油膜形状传感器关键问题研究

Measurement of lubricant film thickness and shapes is an important and difficult research areas of machine lubrication and wear,it is a key problem of large and high speed equipments condition monitoring,but this problem has never been satisfactorily resolved because of the limitations of the measuring method and techniques on line, even if in the laboratory, this problems did not get a satisfactory solution too. It is a new methods to measure the oil film thickness by the use of penetrating and reflecting characteristics of ultrasonic waves. Previous study found that the higher centre operating frequency of the sensor could signifcantly imporve the measurement accuracy,it was difficult for the traditonal piezoelectric block transducers to be used to detect the thinner oil film thickness because of their low centre freqencies. So a new ultrasonic phased array pizoelectric AlN film oil film shape measurment method is proposed,its high centre frequency could improve accuracy and the phased array methods could be used to increase resolution of measurement filed.So it is necessary to study the mearsuring mechansims of the phased array ultrasonic ceramic film oil film sensor, build the measuring model for phased arrary methods, study the key problems on the design and use of the new kind oil film sensor, completed the visualization of oil film. With the studing of this project,a new researching way of lubricant film shape is open up. These new technologies could provide a powerful means and measures for the study of lubrication theory and new method for equipment real-time condition monitor too.

油膜厚度测量是流体润滑理论研究的重要内容及难点之一，是大型高速设备状态监测的关键，但这一问题却因测量方法和技术的限制一直没有得到很好解决。利用超声波的穿透和反射特性对油膜厚度进行直接测量是一种新方法。前期研究发现，传感器中心工作频率和测量精度有着密切的联系，传统的陶瓷块体换能器因其中心频率低而难以实现薄油膜的测量。为此提出一种相控阵AlN压电陶瓷薄膜油膜形状测量方法，应用AlN压电陶瓷薄膜厚度中心频率超高的优势提高测量精度，结合相控阵原理提高对测量区域的分辨率。因此需要弄清相控阵陶瓷膜超声传感器的工作机理，建立相控阵油膜形状测量模型，研究传感器设计及应用中存在的关键问题，实现油膜形状的可视化。项目的研究可为油膜形状测量开辟一条新途径，为润滑理论研究提供一种强有力手段，为关键设备状态监测提供新的方法。

油膜厚度测量是流体润滑理论研究的重要内容及难点之一，是大型高速设备状态监测的关键，但这一问题却因测量方法及技术的限制一直没有得到很好解决。利用超声波的穿透和反射特性对油膜厚度进行直接测量是一种新方法。研究发现，超声传感器中心工作频率和测量精度有着密切的联系，传统的陶瓷块体换能器因其中心频率低而难以实现薄油膜的测量。采用相控阵原理及AlN压电陶瓷薄膜换能器所产生的超声波测量油膜形状，利用AlN压电陶瓷薄膜中心频率高的优势以提高测量精度是一种可行的测量手段。.对压电AlN陶瓷膜声学特性及其油膜厚度测量方法进行了研究，建立针对不同膜厚范围的超声反射系数模型，包括谐振模型和弹簧模型。采用真空反应磁控溅射工艺制备具有002取向的AlN陶瓷膜，探索了AlN陶瓷膜制备方法及工艺参数。建立AlN陶瓷膜结构参数与声学特性的内在的关系，成功的在Si基材料表面制备了具有声学功能的陶瓷膜。探索在不锈钢材料表面制备了AlN陶瓷膜的工艺，对陶瓷膜的声学性能进行检测。应用陶瓷膜工艺制备超声换能器，研究了阵列陶瓷膜的制备方法及工艺措施，设计压电AlN陶瓷膜阵列油膜厚度传感器并探索制备过程，对相控阵原理在油膜形状测量中的应用进行尝试，分析了相控阵声场在油膜中的分布特点。.研制压电AlN陶瓷膜换能器驱动电路，设计制作了油膜厚度测量实验台，可以完成静态和动态油膜厚度的测量，初步讨论了影响测量精度的因素。.通过课题的研究，建立了超声油膜厚度测量模型，探索了在Si基材料及不锈钢表面制备功能AlN陶瓷薄膜的方法及工艺参数，制备了陶瓷膜传感器及其相应的测量电路，探索了陶瓷膜阵列传感器油膜厚度和形状测量方法，为超声法油膜厚度测量进一步研究打下一定的基础。