一种利用正电子飞行时间实现的双层油膜厚度测量方法

本发明属于正电子湮灭，特别涉及一种利用正电子飞行时间实现的双层油膜厚度测量方法。

背景技术：

1、润滑油膜是保护机械部件减少摩擦损耗的重要性能之一，主要目的是避免金属部件间的直接接触，尤其对于具有相对运动的零部件如柱塞与缸体。通过在摩擦表面形成一层润滑油膜从而减少零件之间的摩擦与损耗，延长使用寿命。油膜厚度是反映机械部件润滑状态的关键指标，通常是微米级的，油膜过厚则会导致漏油，挤压动作难以形成；若间隙过薄则会导致金属部件的直接接触从而造成摩擦副之间干摩擦磨损现象。

2、例如，柱塞泵作为液压装备的核心元件，被称为液压系统的“心脏”，广泛运用在航空航天等领域中。液压系统正向高压高速化发展这对柱塞泵的设计与制造提出了新的要求。目前柱塞液压泵性能失效的主要原因是关键摩擦副的润滑与失效，尤其是柱塞与缸体组成的柱塞副经常出现磨损与烧伤的情况，占柱塞泵故障报修的60％以上。柱塞副在缸体内运动与受力比较复杂并且长期在高温高压高负载情况下服役因此柱塞副润滑油膜会受到挤压作用，极易破坏其全润滑状态，造成柱塞副间干摩擦磨损。油膜厚度是决定机械部件润滑性能的关键指标，同时也是评估设备机械效率、可靠性以及服役寿命的重要参数。因此采取有效的方式对苛刻工况下复杂工业件内腔油膜厚度进行准确测量与评价具有重大现实意义和工程意义。

3、常见的油膜厚度测量的方法主要有电学法、光学法和超声波法等。电阻法是测得油膜两边的电压和通过油膜的电流，计算油膜的电阻值，利用电阻与油膜厚度的对应关系得到所测油膜厚度。但由于油液本身的电学性不够稳定，无法保证误差在工业许可的范围内，不适用于测量油膜厚度。电容法是将所测电容代入电容公式计算得出油膜厚度。然而电容是由表面间整体距离决定的，不能得到最小油膜厚度，仅能用于膜厚均匀的场合。光干涉法是利用光干涉原理，入射光在油层两界面上反射的光程差，根据反射光的干涉条件与光程差之间的关系，由干涉条纹推算油膜厚度。光学法要求油膜两侧部件必须透光，无法应用密闭复杂工业件。超声波测量是根据界面反射信号的时间差来确定油膜厚度，由于气泡在润滑油中很常见而气泡会改变声速，很难从整体反射信号中分离出气泡的影响并且目前的温度补偿存在一定的局限，影响测量结果。以上方法均难以实现，苛刻条件下复杂工业件内腔油膜的测量。

技术实现思路

1、发明目的：为了解决极端工况下复杂工业件内腔双层油膜厚度测量的问题，本技术的实施例的目的在于提出利用正电子飞行时间实现的双层油膜厚度测量方法，基于γ光子能够穿透致密金属的特点来探测复杂工业件内腔如柱塞泵中的油膜，通过飞行时间信息得到湮灭点出现的距离范围，根据双层油膜的间距即工业腔体内直径与6σ的关系确定分类方式并对获得的响应线数据进行分类，最后将双层油膜的响应线数量分别与参考件的响应线数量进行比值来消除活度等元素对响应线数量的影响，得到双层油膜各层的油膜厚度。

2、为实现工业件双层油膜厚度测量，本发明包括如下步骤：

3、步骤1，将易于挥发的有机溶剂注入到被测件中来清洗残余润滑油和油污；

4、步骤2，将正电子核素与润滑油充分混合、搅拌均匀，得到带有正电子核素的混合油溶液；

5、步骤3，将混合油溶液注入到被测件与参考件中，其中被测件包括圆柱形缸体与柱塞，参考件为探测区域具有相同结构的金属组合且已知单层油膜厚度(因为在探测过程中难以获得油膜的活度并且活度随时间不断变化所以通过参考件利用比值的方法来消除活度对响应线数量的影响)；

6、步骤4，让被测件与参考件同时运作一段时间(一般为5min～10min)，使得被测件和参考件内壁均匀附着一层混合油溶液；

7、步骤5，选取两对探测晶体对并进行均一化校正，将被测件和参考件分别放置在γ光子探测晶体对中间，并且探测晶体对连线与油膜面垂直；

8、步骤6，两对探测晶体对同时分别对被测件与参考件进行采样，获得带有飞行时间的响应线数据；

9、步骤7，对于探测被测件获取的响应线数据，根据飞行时间tof(time of flight,tof)得到γ光子到达探测晶体对的时间差的不同，以及双层油膜之间的距离对响应线数据进行分类，从而获得双层油膜中各层的响应线数据；

10、步骤8，通过参考件单层油膜的响应线数量与双层油膜各层油膜响应线数量进行对比，计算得出工业件内腔双层油膜各自的厚度。

11、步骤2中，所述正电子核素为18f(半衰期t1/2＝109.8min)，并且活度取决于测量精度，要求探测到的响应线数量一般在几千到上万条之间，这主要取决于测量精度要求，在控制成本的同时也能减小随机误差，确保测量的精度。

12、步骤5中，将被测件和参考件分别放置在γ光子探测晶体对中间，使得探测晶体对分别对称位于被测件和参考件的两侧，并且参考件的油膜探测点相对于探测晶体对的位置与被测件双层油膜中某一层油膜探测点相对于晶体对的位置保持一致。

13、步骤7包括：用dt表示时间分辨率，得到代表事件发生位置的不确定长度dx：

14、

15、其中，c为光速；

16、混合油溶液中的正电子和电子发生湮灭产生一对方向相反能量相同的γ光子，所述一对方向相反能量相同的γ光子分别对一对探测晶体探测到则记为一次符合事件，也称为一条响应线(line of response,lor)；设由第一探测晶体a和第二探测晶体a’组成的探测晶体对探测到一对符合事件，ta和ta’分别为第一探测晶体a探测到γ光子的时间和第二探测晶体a’探测到γ光子的时间，则时间差δta为：

17、δta＝ta-ta' (2)

18、湮灭事件在响应线lor上发生的位置为：

19、

20、其中，x是湮灭位置与响应线lor中心的距离；根据时间差可得到湮灭点位置距离探测晶体对连线中点的位置。因此对于类似柱塞与泵体组成的机械部件在运行时，柱塞和缸体之间会形成一层间隙油膜，在探测时探测晶体对探测到的是柱塞两侧的双层油膜，其油膜间距约等于柱塞的直径。因为双层油膜之间存在距离，则两油膜湮灭点的时间差则不同，那么即可根据计算得到的湮灭点位置分类，将双层油膜的响应线数据区分开来，得到双层油膜各自的响应线数据。

21、探测到的响应线计算所得的湮灭点位置是以真实湮灭点位置为中心的高斯分布，高斯分布半宽高即为不确定长度，概率密度函数f(y)为：

22、

23、其中，y为随机变量的具体取值；μ表示真实湮灭点位置；σ为标准差，σ＝dx/2.36；e是自然常数。利用飞行时间技术测出光子对到达探测器的时间差，由于探测晶体对距离和光速已知就可以确定湮灭事件发生位置。因为探测晶体时间分辨率有限，因此通过飞行时间得到的湮灭点不是一个点而是一段区域并且计算得到的湮灭点位置分布符合高斯分布，其中不确定长度为高斯分布的半宽高与时间分辨率有关，高斯分布的标准差σ为不确定长度dx/2.36。对于双层油膜该油膜间距通常是工业件缸体内腔直径，将tof技术运用到双层油膜厚度测量中，通过tof信息计算油膜的大概位置，根据计算得到的湮灭事件发生位置的属于不同区间来确定响应线数据分别归属于哪一层油膜。

24、由于探测器和电子学的性能问题导致时间分辨率有限，所以通过γ光子到达探测晶体对的时间差得到的湮灭点位置只能确定在一个距离范围里，并且计算得到的湮灭点位置分布符合高斯分布。时间分辨率越高则高斯分布的半宽高越窄，对应的真实湮灭点位置范围也越窄。

25、步骤7还包括：一对探测晶体对双层油膜进行探测，探测晶体距离lor中心的距离为l，探测的双层油膜点左右两侧分别为第一油膜1、第二油膜2，第一油膜1和第二油膜2的位置分别为μ1、μ2，第一油膜1、第二油膜2的厚度分别为ξ1、ξ2；当第一油膜1和第二油膜2间隔大于6σ时，第一油膜1和第二油膜2计算得到的湮灭点位置在lor中心左侧的概率p(-l<x1<0)和右侧的概率p(0<x2<l)分别为：

26、

27、其中，x1为第一油膜1的响应线数据根据飞行时间tof计算得到的湮灭点位置，x2为第二油膜2的响应线数据根据飞行时间tof计算得到的湮灭点位置，d是积分符号；

28、时刻t探测晶体对探测到的响应线数量n为：

29、n＝αrbq(t)＝αrbq(0)e-λt  (7)

30、其中，α为响应线系数；bq(0)、bq(t)分别表示单一放射性核素在时间为0的活度和t时刻的活度，λ为衰变常数；r为探测晶体对的计数率(rate of counting)。

31、步骤7还包括：双层油膜采用的是相同的正电子核素混合油溶液，则第一油膜1、第二油膜2的放射性比度相同，并且第一油膜1和第二油膜2的油膜密度也相同，则t时刻第一油膜1的活度bq1(t)和第二油膜2的活度bq2(t)分别为：

32、bq1(t)＝ρξ1sc0e-λt  (8)

33、bq2(t)＝ρξ2sc0e-λt  (9)

34、其中，ρ为步骤2配置好的混合油溶液密度，s为探测晶体对扫描截面面积，c0为油膜初始时刻放射性比度；

35、设定探测晶体对在时刻t1到时刻t2进行采样，第一油膜1的响应线数量n1与第二油膜2的响应线数量n2之比为：

36、

37、其中，α1、α2分别为第一油膜1的响应线系数和第二油膜2的响应线系数，r1为第一探测晶体a和第二探测晶体a’的计数率。

38、步骤7还包括：第一油膜1和第二油膜2的结构相同、材质相同，第一油膜1和第二油膜2的位置关于lor中心对称，因此α1＝α2，最终第一油膜1和第二油膜2厚度与响应线数量之比为：

39、

40、如果双层油膜距离大于等于6σ时，则判定双层油膜计算得到的湮灭点集中在两个区域，且两个区域不存在重合，用两段法来区分响应线数据，根据湮灭点在lor中心位置的左右来判定响应线数据是来自第一油膜1还是第二油膜2；

41、对于双层油膜间距大于不确定长度且小于6σ时，利用三段法来区分这些响应线数据，设l为双层油膜之间的间距，根据高斯分布的3σ法则，对于第一油膜1计算得到的湮灭事件发生位置集中分布在(μ1-3σ，μ1+3σ)，对于第二油膜2计算得到的湮灭事件发生位置集中分布在(μ2-3σ，μ2+3σ)，则第一油膜1和第二油膜2计算得到的湮灭事件发生位置集中分布重合的c区间为(-3σ+0.5l,3σ-0.5l)，将分布重合的区间直接去除，此时，计算得到的湮灭点位置在a区间(-l,-3σ+0.5l)即为第一油膜1的响应线数据，计算得到的湮灭点位置在b区间(3σ-0.5l,l)即为第二油膜2的响应线数据。

42、步骤7还包括：第一油膜1计算得到的湮灭点位置在a区间的概率p1(-l<x1<-3σ+0.5l)和第二油膜2计算得到的湮灭点位置在b区间的概率p2(3σ-0.5l<x2<l)分别为：

43、

44、步骤7还包括：设定探测晶体对在时刻t1到时刻t2进行采样，湮灭事件发生在a区间的数量与b区间的数量之比为：

45、

46、其中，n1'为湮灭事件发生在a区间的数量即油膜1中的响应线湮灭事件发生在a区间的数量，n2'为湮灭事件发生在b区间的数量即油膜2中的响应线湮灭事件发生在b区间的数量。

47、步骤8包括：设定参考件中的油膜为参考油膜3，参考油膜3的厚度已知，参考油膜3在对称的金属结构如柱塞泵中位于偏右的间隙中，设参考油膜3的厚度为ξ3，由探测晶体对b、b’对参考件进行探测，则当双层油膜间距大于等于6σ时，参考件的单层油膜计算得到的湮灭点位置在lor中心右侧即区间(0,l)的概率p(0<x3<l)为：

48、

49、其中，x3为参考油膜3的响应线数据根据飞行时间tof计算得到的湮灭点位置；

50、第一油膜1的响应线数量n1、第二油膜2的响应线数量n2与参考油膜3的响应线数量n3的关系为：

51、n1:n2:n3＝r1ξ1:r1ξ2:r2ξ3  (16)

52、其中，r2为探测晶体对b、b’的计数率；

53、当双层油膜间距l大于不确定长度且小于6σ，即dx<l<6σ时，参考件的单层油膜计算得到的湮灭点位置在b区间即(3σ-0.5l,l)的概率p3(3σ-0.5l<x3<l)为：

54、

55、其中，μ3为参考油膜3真实湮灭点位置；

56、第一油膜1在区间a的响应线数量n1'、第二油膜2在区间b的响应线数量n2'、参考油膜3在区间b的响应线数量n3'之比为：

57、n1':n2':n3'＝r1ξ1:r1ξ2:r2ξ3  (18)

58、利用被测双层油膜与参考油膜厚度的比值关系求出双层油膜各层的厚度。

59、有益效果：

60、本发明为实现金属包围的密闭空间内双层油膜的厚度测量，提出了一种利用正电子湮灭技术以及tof技术进行无损检测的方法。该方法设计了探测晶体探测区域结构相同的参考件，通过比值的方法来消除活度随时间不断衰减对响应线数量的影响，并根据tof信息将双层油膜响应线数据进行分类实现了苛刻环境下复杂工业件内腔双层油膜的厚度测量。本发明实现了无侵入、无破坏地对密闭工业件内腔双层油膜厚度在位或者在线地测量，且操作灵活简单，具有可行性。