本发明属于机器系统摩擦副润滑状态检测，具体涉及一种超声测量中参考信号的在机标定方法及系统。
背景技术：
1、机械装备摩擦副之间的润滑膜在分离和润滑运动部件以最大限度地减少磨损并延长使用寿命方面起着重要作用。润滑油膜厚度是表征机械装备润滑性能的一个关键参数，目前已经开发出了不同的超声模型用于工业应用中润滑油膜厚度的测量，包括飞行时间法、弹簧模型法、共振法以及相位法。对于摩擦副之间微米级的润滑油膜，入射信号和反射信号的重叠会导致飞行时间法的失效。而弹簧模型法、共振法以及相位法基于反射系数(反射信号与入射信号之比)随油膜厚度大小变化的不同特征，可实现不同大小范围内油膜厚度的计算。因此，反射系数是实现超声油膜厚度测量的关键参数，准确且高效地获取反射系数尤为重要。
2、准确的入射信号对于反射系数的获取是必要的，但实际中无法直接获取传感器发出的入射信号，常采用手动标定或自适应校准技术获取入射信号。为获取入射信号，通常采用手动标定的方法。由于与固体相比，空气的声阻抗非常低，因此超声波在固体-空气界面处近似全反射。手动标定法通过拆卸装备部件获得固体-空气界面的全反射信号近似入射信号，该近似的入射信号被称为参考信号。手动标定参考信号的缺点有两个：首先，入射波对于每个测量系统来说都是唯一的，这意味着在工业应用中利用超声法测量膜厚时，必须对每个测试系统进行手动标定，这对于可以拆卸的系统来说是不方便的，并且限制其在不可拆卸系统中的应用；其次，入射波可能由于环境的影响而改变，例如温度变化会影响换能器内的压电元件或换能器与系统之间的结合机制，同时测试电路也会由于环境噪声等影响而改变，从而影响输出的信号。因此，手动标定只能在特定的系统操作条件下进行，或者必须定期更新校准。
3、针对手动标定的缺点，自适应校准或自动校准技术被提出，主要包括传统回归模型方法、新型回归模型方法和基于共振频率的入射信号重建法。传统的回归模型方法对于弹簧模型分别在入射信号和反射信号之间构建相位和幅度的回归模型。然而，回归关系的有效范围受到模型的限制。新型回归模型方法采用扩展卡尔曼滤波器算法来估计入射信号的相位和幅度，并且允许连续的原位标定，扩大了回归关系的有效范围，并涵盖了弹簧模型区和盲区。然而，由于受系统扰动以及系统声学特性测量准确性的影响，膜厚测量准确性和鲁棒性的问题不容忽视。改进的新型回归模型方法虽然提高了算法的鲁棒性，但是对于不可拆卸的装配部件的在线测量来说，应用以前的方法来确定声阻抗并不总是可行的或者准确的，而且对于进行过表面处理的零部件来说，界面的声阻抗可能不同于部件整体的声阻抗，这些测量的不准确都会影响估计入射波的准确性。基于共振频率的入射信号重建法与基于回归模型的两种方法对比，重建的结果精度更高。然而，由于需要检测共振频率，该方法要求摩擦副中的油膜厚度可以广泛地变化以覆盖盲区和共振区，该条件在实际工业应用中未必可以满足。
4、因此，针对现有自适应校准技术的不足，有必要研究一种在摩擦副结构声阻抗未知或测量不准确的情况下，也具有一定的适用性的参考信号在机标定方法，同时不需要膜厚的大范围波动以覆盖共振区。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种超声测量中参考信号的在机标定方法及系统，用于解决目前参考信号自适应校准技术适用性差的技术问题，提高实际工况下的参考信号在机标定的效率和鲁棒性。
2、本发明采用以下技术方案：
3、一种超声测量中参考信号的在机标定方法，包括以下步骤：
4、s1、将反射系数圆拟合回归模型中的常数ka、kb和kc代入反射系数回归模型，在极坐标系中得到反射系数拟合圆，令相位为0，得到反射系数拟合圆与极轴的交点r1、r2；
5、s2、获取反射信号数据点的极坐标；
6、s3、根据步骤s2得到的反射信号数据点的极坐标，使用最小二乘圆拟合得到反射信号拟合圆，提取圆上最小幅值an、最大幅值am和相位角θm；
7、s4、根据步骤s1得到的反射系数拟合圆与极轴的交点r1、r2以及步骤s3得到的圆上最小幅值an、圆上最大幅值am和相位角θm，得到入射信号幅值a0，反射信号拟合圆的相位角θm作为入射信号的相位θ0，实现了超声测量中参考信号的在机标定。
8、优选地，步骤s1具体为：
9、s101、确定反射系数拟合圆回归模型；
10、s102、关联反射信号振幅a和相位θ与入射信号振幅a0和相位θ0的反射系数拟合圆回归模型；
11、s103、确定反射系数拟合圆与极坐标实轴的交点r1、r2。
12、优选地，圆回归模型为：
13、ka(a/a0)2-2kc(a/a0)cos(θ-θ0)+kb＝0
14、其中，ka、kb和kc为常数。
15、优选地，反射系数拟合圆与极坐标实轴的交点r1、r2为：
16、
17、其中，ka、kb和kc为常数。
18、优选地，ka、kb和kc计算如下：
19、
20、其中，r12为轴瓦-润滑介质界面反射系数，r23为润滑介质-轴颈界面反射系数。
21、优选地，步骤s2中，采集不同润滑膜厚下的反射信号，经傅里叶变换后得到幅值谱和相位谱，提取不同润滑膜厚下反射信号中心频率处的幅值和相位，在以幅值为实轴，相位为虚轴的极坐标系上标记各润滑膜厚数据的极坐标。
22、优选地，步骤s4具体为：
23、s401、当三层结构各材料声阻抗已知，重构入射信号幅值a0；
24、s402、重构入射信号相位θ0；
25、s403、当摩擦副三层结构声阻抗未知时，基于圆上最大幅值am和a0得到入射信号相位θ0。
26、优选地，重构入射信号幅值a0如下：
27、
28、优选地，当摩擦副三层结构声阻抗未知时，am和a0近似为：
29、
30、第二方面，本发明实施例提供了一种超声测量中参考信号的在机标定系统，包括：
31、计算模块，将反射系数圆拟合回归模型中的常数ka、kb和kc代入反射系数回归模型，在极坐标系中得到反射系数拟合圆，令相位为0，得到反射系数拟合圆与极轴的交点r1、r2；
32、坐标模块，获取反射信号数据点的极坐标；
33、拟合模块，根据反射信号数据点的极坐标，使用最小二乘圆拟合得到反射信号拟合圆，提取圆上最小幅值an、最大幅值am和相位角θm；
34、标定模块，根据反射系数拟合圆与极轴的交点r1、r2以及圆上最小幅值an、圆上最大幅值am和相位角θm，得到入射信号幅值a0，反射信号拟合圆的相位角θm作为入射信号的相位θ0，实现了超声测量中参考信号的在机标定。
35、第三方面，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述超声测量中参考信号的在机标定方法的步骤。
36、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述超声测量中参考信号的在机标定方法的步骤。
37、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
38、一种超声测量中参考信号的在机标定方法，基于反射系数与反射信号的幅值和相位在极坐标下满足圆坐标方程的关系，将测量得到的不同膜厚润滑膜反射信号的幅值和相位在极坐标下进行最小二乘圆拟合以得到入射信号。与现有的参考信号自适应校准技术相比，可以在摩擦副声学特性未知，不拆卸摩擦副的条件下重建入射信号，且能够补偿环境变化对入射信号的影响。
39、进一步的，基于波的叠加原理，建立反射系数回归模型，得到反射系数的极坐标表达式，其实轴为反射系数幅值、虚轴为反射系数相位，反射系数回归方程的幅值-相位关系在极坐标中满足几何圆模型。
40、进一步的，通过比较两固体层不同声阻抗情况下回归模型反射系数幅值和相位在极坐标下的关系，得到反射系数拟合圆与极轴的交点r1(实部最小点)与极坐标原点的关系：当r1在原点左边时，说明z1＜z3；当r1在原点右边时，说明z1＞z3；当r1在原点时，说明z1＝z3。
41、进一步的，通过不同膜厚下反射信号中心频率处的幅值和相位数据拟合得到反射信号拟合圆，利用反射信号拟合圆的最小幅值an、最大幅值am和相位角θm与反射系数拟合圆的极轴交点坐标r1、r1的比值关系实现入射信号的幅值和相位的重构。由于圆拟合理论上最少只需要三个数据点的幅值和相位，从而避免了需要膜厚大范围变化的问题。
42、进一步的，由于润滑层声阻抗远小于固体层声阻抗，摩擦副三层结构声阻抗未知时，入射信号幅值近似为反射信号拟合圆最大幅值am，入射信号相位近似为反射信号拟合圆相位角θm。从而实现了在不知道摩擦副声学特性，不拆卸摩擦副的条件下自动重建入射信号。
43、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
44、综上所述，本发明利用反射信号拟合圆与反射系数拟合圆的幅值-相位关系重构入射信号中心频率处的幅值和相位，可以在不知道摩擦副声学特性，不拆卸摩擦副的条件下重建入射信号，且不需要膜厚数据在大范围变化，弥补了目前研究的空白，对超声润滑膜厚的在线监测具有重要的工程意义。
45、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
1.一种超声测量中参考信号的在机标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的超声测量中参考信号的在机标定方法，其特征在于，步骤s1具体为：
3.根据权利要求2所述的超声测量中参考信号的在机标定方法，其特征在于，圆回归模型为：
4.根据权利要求2所述的超声测量中参考信号的在机标定方法，其特征在于，反射系数拟合圆与极坐标实轴的交点r1、r2为：
5.根据权利要求3或4所述的超声测量中参考信号的在机标定方法，其特征在于，ka、kb和kc计算如下：
6.根据权利要求1所述的超声测量中参考信号的在机标定方法，其特征在于，步骤s2中，采集不同润滑膜厚下的反射信号，经傅里叶变换后得到幅值谱和相位谱，提取不同润滑膜厚下反射信号中心频率处的幅值和相位，在以幅值为实轴，相位为虚轴的极坐标系上标记各润滑膜厚数据的极坐标。
7.根据权利要求1所述的超声测量中参考信号的在机标定方法，其特征在于，步骤s4具体为：
8.根据权利要求7所述的超声测量中参考信号的在机标定方法，其特征在于，重构入射信号幅值a0如下：
9.根据权利要求7所述的超声测量中参考信号的在机标定方法，其特征在于，当摩擦副三层结构声阻抗未知时，am和a0近似为：
10.一种超声测量中参考信号的在机标定系统，其特征在于，包括：
