2 超声波测量结合面原理及试验台搭建
2.1超声波测量结合面的原理分析
结合面参数的研究已经进行了40多年，无数摩擦学者付出了很多的努力，也探索出了很多具有实际价值的结果，但是，当分析两个真正的结合面时，这些模型方法就会遇到很多问题，而不得不进行修改，尤其是两个结合面之间存在其他介质时。
目前，最有希望和最有前途的方法是使用超声波测量结合面。超声波最初构想开始于1958年，70年代Masuko 和Ito，Kendall和 Tabor
[12]
充分发展了超声波测量，目
前超声波已经成为一种简单、实用、无接触测量来获取结合面接触信息的方法之一。
入射波反射波粗糙面接触空气间隙透射波
图 2-1 超声波测量原理图
原理图如图2-1所示，当两个具有一定粗糙度的机械部件相互接触组成一对结合面时，两个工件相互接触的区域只是在其中某些粗糙的尖点，在没有接触的区域则是空气。当计算机控制脉冲发生接收器控制超声波探头发出高频脉冲波之后，超声波作为入射波进入工件，在粗糙面接触区域，发生透射进入第二个工件，成为透射波。在空气间隙处，超声波发生反射，成为反射波。在某些区域超声波则部分发生透射，部分发生反射。Tattersall[13]定义了超声波反射率，表达式如公式（2-1）所示：
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R?Hi （2-1） H0其中，Hi表示两个结合面在一定载荷作用下接触时的反射波，H0表示不接触时的反射波。理论上来说，当两个结合面完全接触时，超声波完全发生透射，反射率等于0，当两个结合面完全不接触时，超声波完全被返回，反射率等于1。由于材料表面都有一定的粗糙度，所以两个工件接触构成结合面时，必然会存在空气间隙，所以使得超声波反射率大于1。
2.2水浸式超声波传感器分析
在本次试验中，本文使用水浸式超声波探头，它工作时的原理图如图2-2所示：
图 2-2 水浸式超声波原理图
其中左图是非聚焦超声波探头，右图是聚焦式超声波探头。超声波探头工作时，会在其周围形成一个声场，如图2-3所示，超声波探头是声场分为两部分，近场区和远场区。红色代表超声波能量高，而绿色代表超声波能量比较低。近场区就是在超声波探头前面，超声波在此处传播时，峰值最大，近场区结束在最大的峰值处。可见在近场区，超声波能量比较大，适于测量。
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机器人结构分析与综合
图 2-3 水浸式超声波能量分布图
最后一个峰峰值所在地方就是近场区长度，远离这个近场区之后超声波的声压迅速减小，最后减为零。所以，测量的时候，就是使工件处在近场区范围之内进行测量，这个范围内，超声波声压比较大，测量效果比较明显。近场区长度是由超声波频率、探头直径和在测试材料中超声波的传播速度决定的。具体的，近场区长度可以用公式2-2计算：
图 2-4 水浸式超声波幅值分布
D2fN? （2-2）
4c这里D是指超声波探头直径，f是指超声波频率，c是指超声波在被测材料中的传播速度。
有很多描述超声波的参数，除了近场长度，还有聚焦区域。通过前面近场区能量可以看出，在超声波近场区内，有一个区域能量高度集中，在这个区域之内进行超声波测量效果最好，这个区域就是图2-5所示的FZ聚焦区域，ZB代表聚焦区开始，ZE
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代表聚焦区结束。
图 2-5 水浸式超声波聚焦区域示意图
在聚焦区域内，超声波聚焦好之后，它是一个小圆斑，这个圆斑就是聚焦圆斑，它的直径可以根据公式2-3来计算：
BD(?6dB)?1.02FcfD （2-3）
其中BD是超声波聚焦圆斑直径，F是聚焦区域，c是超声波在测试材料中的传播速度，D是超声波探头直径，f是超声波频率。
图 2-6 水浸式超声波聚焦图
所以，本文就是采用水浸式聚焦超声波探头，在近场区的聚焦区域内，进行超声波测量，如果没有工件时，超声波在水中的聚焦长度F如图（2-6）左图所示，但是如果有工件存在时，超声波会发生一定的折射，那么在工件中，超声波的聚焦长度可以用公式2-4计算：
W?F?MP(ctm/cW) （2-4）
其中WP是有工件时，超声波在水中的传播距离，F是没有工件，超声波在水中的
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聚焦长度。MP在材料中的传播距离（这个一般根据工件厚度而定），Ctm是超声波在材料中的传播速度，cw是超声波在水中的传播速度。
2.3实验平台功能需求分析
1）测量对象：
在机械零部件中，存在大量的结合面，大体分为固定结合面、运动结合面和半固定结合面三大类。由于运动结合面和半固定结合面测量比较复杂，所以，本文的测量对象确定为固定结合面。
固定结合面在实际的机械零件中，主要是通过螺栓连接、铆接、焊接等方式将两个零部件组合到一起，在这几种紧固件的连接方式中，螺栓连接最为普遍，所以，本文选择螺栓连接的结合面作为测量对象。
由于直接测量结合面比较复杂，所以，本文先从最简单的一个半球与一个平板在一定负载作用下的接触状况开始测量。最后，测量螺栓连接结合面。 2）测量精度：
由于本文的水浸式超声波探头频率是15MHz，根据公式，可以计算出聚焦圆斑的直径大约是0.8mm，可以测量微米级的粗糙度，所以，本文通过测量精度0.8um和1.6um的粗糙度的结合面。 3）测量功能：
通过结合面的测量可以知道结合面的接触面积，进而根据接触面积，建立其刚度模型，这样对于后续进行Ansys有限元分析，预测整机精度等都有重要的指导意义。
2.4试验设备标准件的选择
2.4.1超声波设备的选择
1）超声波探头的选择
目前，世界上生产超声波传感器的主要厂家有奥林巴斯、德国PIL、意大利AECO等等，按其性价比，本文选择奥林巴斯公司的超声波传感器。
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