一種基于相位檢測的結構內部溫度場測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及超聲檢測技術領域，尤其是一種基于相位檢測的結構內部溫度場測量 方法。
【背景技術】
[0002] 當前普遍使用的固體結構內部溫度測量技術，還主要依賴于打孔安裝式，即將溫 度傳感器如熱電偶等預埋入結構內部。運種破壞式探測方法會一定程度上破壞結構的原有 形態(tài)，并會導致材料內部局部的溫度變化，使得溫度的測量存在較大誤差。
[0003] 超聲波測溫是一種基于超聲波傳播速度與介質溫度的相關性實現介質內部溫度 無損高精度探測的測溫技術，然而其測量對象主要是空氣和液態(tài)材料。針對固體的金屬或 合金物體溫度測量分辨率要求小于rc時，直接時間差(或稱聲波飛行時間）測量法在滿足 固體溫度測量所需的時間測量精度方面存在難度，有必要采用時間測量精度小于Ins量級 的測量方法，或變換傳統(tǒng)熱聲學方程的形式。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明針對現有技術的不足，提出一種基于相位檢測的結構內部溫度場測量方 法，測量分辨率高、常規(guī)超聲設備基礎上易檢測的固體結構內部穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)非均勻溫度場。
[0005] 為了實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供W下技術方案：一種基于相位檢測的結構內 部溫度場測量方法，包括W下步驟： 山、獲取超聲波的發(fā)射波和被測固體反射的接收回波之間聲波的相位差 擎； 口)、根據超聲波在固體結構內傳播時間和相位的關系，得到超聲波傳播時間i=:伊/緩滋刻，其中f為超聲波發(fā)射頻率； 口)、由熱聲學方程
① 得熱聲學方程的變形形式
② 其中，藍為超聲波在固體介質中單向傳播的距離；是固體介質中聲波的傳播速度， 與材料性能和結構所受溫度相關； (4)、基于熱傳導的反問題計算獲得等效的熱邊界條件：用于熱傳導的反問題時，利用測 量獲得的相位差后帶入熱聲學方程的變形形式，即式②，或利用時間-相位關系換算超聲 傳播時間后再代入熱聲學方程的傳統(tǒng)形式，即式①； 腳、根據熱傳導的正問題求解獲得被測結構內部不同時刻的溫度場分布狀態(tài)。
[0006] 進一步地，在基于熱傳導反問題進行物體內部穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)非均勻溫度場探測中， 利用發(fā)射波和被測目標反射的接收回波之間聲波的相位差所包含的超聲波傳播時間信息， 直接將測量獲得的相位差代入熱聲學方程的變形形式，或將時間-相位關系換算超聲傳播 時間后代入熱聲學方程的傳統(tǒng)形式。
[0007] 與現有技術相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)點： 1、測量分辨率高：W2MHz超聲激發(fā)信號、16位A/D轉換器的超聲測溫系統(tǒng)為例，理論 超聲傳播時間的分辨率可達到7.化S。
[0008] 2、相比直接時間差需要設計高頻時鐘電路和選擇高頻器件，該方法對硬件性能的 要求較低，常規(guī)的相位檢測儀器和硬件電路即可滿足要求。
【附圖說明】
[0009] 圖1是超聲測溫系統(tǒng)的硬件框圖； 圖2是基于相位差法的結構內部溫度測量流程圖； 圖3是采用相位法探測SKD鋼試件內部溫度場的實測結果； 圖4是不同超聲傳播時間測量精度對預測SKD鋼試件內部溫度場效果的理論分析結 果。
【具體實施方式】
[0010] 下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應 對本發(fā)明的保護范圍有任何的限制作用。
[0011] 如圖1所示的超聲測溫系統(tǒng)，（OFPGA通過控制信號發(fā)生器產生數字信號，經D/ A轉換及濾波、放大之后，驅動超聲波換能器發(fā)出超聲波信號；（2)超聲換能器將接收到的 聲波轉換為電壓信號，并將電信號經過放大處理；（3)整數倍波長部分的測量電路可W采 用包絡峰值檢測電路或鎖存器/跟蹤計數器電路等，其作用在于對超聲波所經歷的整周期 進行計數；（4)經A/D采樣模塊所采集的數據通過FPGA忍片傳輸給上位機進行非整數倍 波長部分的相位估計，最終獲取發(fā)射波和被測目標反射的接收回波之間聲波的相位差潔。
[0012] 采用基于熱傳導反問題的物體內部溫度場探測方法，基本流程如圖2所示：（1)將 信號處理數據用于熱傳導的反問題時，可直接利用測量獲得的相位差代入熱聲學方程的變 形形式，也可W利用時間-相位關系換算超聲傳播時間后代入熱聲學方程的傳統(tǒng)形式；（2) 基于熱傳導的反問題計算獲得等效的熱邊界條件；（3)根據熱傳導的正問題求解獲得被測 結構內部不同時刻的溫度場分布狀態(tài)。
[0013] 采用本發(fā)明基于相位檢測的結構內部溫度場測量方法，對SKD鋼試件(長X寬X 高為200X50X30mm，被測方向的長度為30mm)加熱時間5s后，采用相位法進行探測后預 測的試件內部非均勻溫度場結果。實測中探頭頻率為2MHz、數采模塊則采用了 16位A/D 轉換器，經相位差法換算的超聲傳播時間測量精度量級實際可達到
[0014] 測試表明，該探測方法與熱電偶測量結果較為一致，如圖3所示，試件被測方向的 厚度為30mm，沿被測方向每隔5mm布置一個熱電偶(加熱面除外)，共5個。圖示給出了距離 加熱面5mm、15mm和25mm^個測點不同時刻熱電偶測溫所得數據與基于本發(fā)明所預測的溫 度數據對比。
[0015] 為進一步說明高精度測量超聲傳播時間的必要性，圖4給出了理論分析所得到的 超聲傳播時間測量精度量級打分別為1瓣1載心i 讓腺|Γ@ S和礦WS時SKD鋼 試件內部溫度場結果。分析表明，打為lx10 一8S和;lxS時最大溫度偏差分別為 12%和1% ;顯然，提高超聲傳播時間的測量精度對準確預測結構內部穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)非均勻溫度 場有重要意義。基于相位法可W使得超聲傳播時間測量精度達到1k1〇~WsW上，滿足固體 內部溫度高精度預測的需求。測試試件被測方向的長度為50mm。圖示給出了加熱時間5s 后，超聲傳播時間測量精度量級巧分別為1X10-SS、！X·! 0--9S和1/.: 1G-WS時各自對 結構內部溫度場預測精度的影響。
[0016] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于相位檢測的結構內部溫度場測量方法，包括W下步驟： 山、獲取超聲波的發(fā)射波和被測固體反射的接收回波之間聲波的相位差 φ; 口)、根據超聲波在固體結構內傳播時間和相位的關系，得到超聲波傳播時間其中f為超聲波發(fā)射頻率； 口)、由熱聲學方程① 得熱聲學方程的變形形式② 其中，^為超聲波在固體介質中單向傳播的距離；是固體介質中聲波的傳播速度， 與材料性能和結構所受溫度相關； (4)、基于熱傳導的反問題計算獲得等效的熱邊界條件：用于熱傳導的反問題時，利用測 量獲得的相位差后帶入熱聲學方程的變形形式，即式②，或利用時間-相位關系換算超聲 傳播時間后再代入熱聲學方程的傳統(tǒng)形式，即式①； 腳、根據熱傳導的正問題求解獲得被測結構內部不同時刻的溫度場分布狀態(tài)。2. 如權利要求1所述基于相位檢測的結構內部溫度場測量方法，其特征在于：在基于 熱傳導反問題進行物體內部穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)非均勻溫度場探測中，利用發(fā)射波和被測目標反射 的接收回波之間聲波的相位差所包含的超聲波傳播時間信息，直接將測量獲得的相位差代 入熱聲學方程的變形形式，或將時間-相位關系換算超聲傳播時間后代入熱聲學方程的傳 統(tǒng)形式。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于相位檢測的結構內部溫度場測量方法，利用發(fā)射波和被測目標反射的接收回波之間聲波的相位差所包含的超聲波傳播時間信息，用于熱傳導的反問題時，可以直接利用測量獲得的相位差代入熱聲學方程的變形形式，也可以利用時間-相位關系換算超聲傳播時間后代入熱聲學方程的傳統(tǒng)形式，在基于熱傳導反問題計算獲得等效的熱邊界條件后，再根據熱傳導的正問題求解獲得被測結構內部不同時刻的溫度場分布狀態(tài)。本發(fā)明在常規(guī)相位檢測儀器和硬件電路的基礎上即可實現高精度測量固體內部非均勻溫度場的需求。
【IPC分類】G01K11/22
【公開號】CN105403323
【申請?zhí)枴緾N201511016387
【發(fā)明人】魏東, 石友安, 杜雁霞, 胡斌, 桂業(yè)偉, 曾磊, 肖光明, 楊肖峰
【申請人】中國空氣動力研究與發(fā)展中心計算空氣動力研究所
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年12月31日