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专利名称：一种固体内部二维平面稳态温度场的探测方法与系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411298763.9

专利申请（专利权）人：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
权利人地址：四川省绵阳市涪城区二环路南段6号

专利发明（设计）人：向静,魏东,胡天勇,曾磊

专利摘要：本发明公开了一种固体内部二维平面稳态温度场的探测方法与系统，该方法包括：利用超声波在被测固体内部的传播速度与被测固体内部的二维平面的温度的关联关系，将激光超声在被测固体内部采集的不同点的超声传播时间作为测量量，通过温度场重建算法计算得到被测固体的二维平面温度分布。本发明可实现对固体内部二维稳态温度场的无损、非接触、远距离测量，能够适应高温、高压、腐蚀等复杂环境。

主权利要求：
1.一种固体内部二维平面稳态温度场的探测方法，其特征在于，包括：利用超声波在被测固体内部的传播速度与被测固体内部的二维平面的温度的关联关系，将激光超声在被测固体内部采集的不同点的超声传播时间作为测量量，通过温度场重建算法计算得到被测固体的二维平面温度分布；
所述通过温度场重建算法计算得到被测固体的二维平面温度分布，包括：求解边界热流，等价于寻求边界热流使得目标函数达到极小值，目标函数为测量得到的超声波传播时间与计算所得的超声波传播时间差值的最小值；根据边界热流求解二维稳态热传导方程，获得温度。
还包括：
根据温度场和时移模型，计算目标函数中的K条路径上超声波传播时间；采用脉冲回波法，依次测量K条路径上的超声波传播时间，判断目标函数的取值是否小于或等于阈值，如果是，则停止反演，否则更新等效热边界，重新获取二维平面温度分布；
利用扫查装置移动激光超声激发器和接收器，依次采集被测固体内部K个不同位点的超声波传播时间；
将被测固体内部的二维温度场重构问题设为基于热传导方程的优化问题，已知第k条超声波传播路径 和采用脉冲回波法，测量k条路径上的超声波传播时间 ，求解边界热流 ，等价于寻求 使得目标函数J达到极小值 的过程；x为x轴坐标；
目标函数J表示为：
(1)
式中， 为第k条超声波的传播时间；
将边界条件、材料参数输入公式(1)中，预估待辨识边界热流 ；材料参数包括结构二维尺寸、导热系数、比热容和密度；
根据边界热流 的数值求解二维稳态热传导方程，获得温度场T(x,y)；x和y分别为x轴和y轴坐标；
二维稳态热传导方程的主控方程为：
(2)
二维稳态热传导方程的边界条件为：
(3)
二维稳态热传导方程的其余边界为绝热边界；
二维稳态热传导方程的初值条件为： ；
其中， 为y轴方向的最大值，T为结构的温度，t为时间， 为结构的初始温度；
根据计算得到的温度场T(x,y)以及被测固体内部的传播速度与被测固体内部的二维平面的温度的关联关系，获得波速场V(x,y)；V(x,y)为超声波在固体中的当地传播速度，与材料物性和结构温度T(x,y)有关；在指定温度范围内，表示为V(T,x,y)=mT(x,y)+n，m和n为常数，由预先标定实验获得，V(T,x,y)为超声波在固体中的当地传播速度；
根据以下时移模型，依次计算K条路径上的超声波传播时间；
(4)
式中， 为第k条超声波的传播时间，L为结构厚度。
2.一种固体内部二维平面稳态温度场的探测系统，用于实现权利要求1所述的一种固体内部二维平面稳态温度场的探测方法，其特征在于，包括激光超声激发器、激光超声接收器、扫查装置、信号处理模块和数据处理模块；激光超声激发器用于在被测固体中激发超声波，激光超声接收器用于接收从被测固体底部返回的超声回波信号，然后由信号处理模块采集超声波传播时间；扫查装置用于移动激光超声激发器和接收器，并按设定的扫查策略在被测固体表面的不同位点采集超声信号，再将各位置的超声波传播时间输入数据处理模块计算得到二维平面的温度场分布。
3.根据权利要求2所述的固体内部二维平面稳态温度场的探测系统，其特征在于，所述设定的扫查策略为：激光超声激发器和接收器的移动方向与边界热流的热量扩散方向垂直。 说明书 : 一种固体内部二维平面稳态温度场的探测方法与系统技术领域[0001] 本发明涉及无损非接触测量技术领域，特别是涉及一种固体内部二维平面稳态温度场的探测方法与系统。背景技术[0002] 温度是表征物质的冷热程度、确定物质状态的关键参数，其中蕴含着物理、化学等变化的基本规律。固体温度的测量与控制在航空航天、冶金锻造、化工生产等领域都有着重要作用。比如，对航天器表面、发动机叶片等高温部件的工作温度和极限温度测量，对部件的安全运行和使用范围评估有着重要意义；在钢铁冶炼的过程中，对金属的温度分布进行测量，能够有效评估和控制钢铁的生产质量。[0003] 目前，对于固体内部的温度测量一般采用热电偶等接触式测量方法，传感器与被测物体充分接触，两者之间达到热平衡，从而得到接触位置的温度。但接触式的测量存在安装打孔对结构产生破坏、达到热平衡带来的响应时间缓慢、传感器需要耐高温、耐腐蚀等问题。而且得到固定内部多点或者二维的温度分布需要安装多个传感器，测量困难。红外、磷光等非接触测量方法，仅能获得物体表面的温度信息。[0004] 利用超声波在固体中的传播过程受到温度的影响，可实现固体表面温度和内部温度的同时、无损测量。要实现二维平面稳态温度场的测量，需要在固体上设置多个超声探测点，但由于压电超声的使用需要耦合剂，其耐温性能和可移动性较差，电磁超声使用无需耦合剂，但仅能通过洛伦兹力在磁性材料中超声波，材料的适用范围较窄。激光超声则是通过热弹效应在固体中收发超声波，具有测点移动方便、材料使用范围广和远距离非接触带来的耐高温等优点，在多维温度场测量中存在较大优势。现有的激光超声测温方法多用于表面温度和一维温度测量，多维温度场测量方法有待发展。发明内容[0005] 鉴于此，本发明提供一种固体内部二维平面稳态温度场的探测方法与系统，可实现对固体内部二维稳态温度场的无损、非接触、远距离测量，能够适应高温、高压、腐蚀等复杂环境。[0006] 本发明公开了一种固体内部二维平面稳态温度场的探测方法，其包括：[0007] 利用超声波在被测固体内部的传播速度与被测固体内部的二维平面的温度的关联关系，将激光超声在被测固体内部采集的不同点的超声传播时间作为测量量，通过温度场重建算法计算得到被测固体的二维平面温度分布。[0008] 进一步地，所述通过温度场重建算法计算得到被测固体的二维平面温度分布，包括：[0009] 求解边界热流，等价于寻求边界热流使得目标函数达到极小值，目标函数为测量得到的超声波传播时间与计算所得的超声波传播时间差值的最小值；根据边界热流求解二维稳态热传导方程，获得温度场。[0010] 进一步地，还包括：[0011] 根据温度场和时移模型，计算目标函数中的K条路径上超声波传播时间；采用脉冲回波法，依次测量K条路径上的超声波传播时间，判断目标函数的取值是否小于或等于阈值，如果是，则停止反演，否则更新等效热边界，重新获取二维平面温度分布。[0012] 进一步地，利用扫查装置移动激光超声激发器和接收器，依次采集被测固体内部K个不同位点的超声波传播时间。[0013] 进一步地，将被测固体内部的二维温度场重构问题设为基于热传导方程的优化问题，已知第k条超声波传播路径 和采用脉冲回波法，测量k条路径上的超声波传播时间，求解边界热流 ，等价于寻求 使得目标函数J达到极小值 的过程；x为x轴坐标；[0014] 目标函数J表示为：[0015] (1)[0016] 式中， 为第k条超声波的传播时间；[0017] 将边界条件、材料参数输入公式(1)中，预估待辨识边界热流 ；材料参数包括结构二维尺寸、导热系数、比热容和密度。[0018] 进一步地，根据边界热流 的数值求解二维稳态热传导方程，获得温度场T(x,y)；x和y分别为x轴和y轴坐标；[0019] 二维稳态热传导方程的主控方程为：[0020] (2)[0021] 二维稳态热传导方程的边界条件为：[0022] (3)[0023] 二维稳态热传导方程的其余边界为绝热边界；[0024] 二维稳态热传导方程的初值条件为： ；[0025] 其中， 为y轴方向的最大值，T为结构的温度，t为时间， 为结构的初始温度。[0026] 进一步地，根据计算得到的温度场T(x,y)以及被测固体内部的传播速度与被测固体内部的二维平面的温度的关联关系，获得波速场V(x,y)；V(x,y)为超声波在固体中的当地传播速度，与材料物性和结构温度T(x,y)有关；在指定温度范围内，表示为V(T,x,y)=mT(x,y)+n，m和n为常数，由预先标定实验获得，V(T,x,y)为超声波在固体中的当地传播速度。[0027] 进一步地，根据以下时移模型，依次计算K条路径上的超声波传播时间；[0028] (4)[0029] 式中， 为第k条超声波的传播时间，L为结构厚度。[0030] 本发明还公开了一种固体内部二维平面稳态温度场的探测系统，用于上述任一项所述的一种固体内部二维平面稳态温度场的探测方法，其包括激光超声激发器、激光超声接收器、扫查装置、信号处理模块和数据处理模块；激光超声激发器用于在被测固体中激发超声波，激光超声接收器用于接收从被测固体底部返回的超声回波信号，然后由信号处理模块采集超声波传播时间；扫查装置用于移动激光超声激发器和接收器，并按设定的扫查策略在被测固体表面的不同位点采集超声信号，再将各位置的超声波传播时间输入数据处理模块计算得到二维平面的温度场分布。[0031] 进一步地，所述设定的扫查策略为：[0032] 激光超声激发器和接收器的移动方向与边界热流的热量扩散方向垂直。[0033] 由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：[0034] 1.与压电、电磁等超声测温方法相比，激光超声具有测点移动方便、材料使用范围广和远距离非接触带来的耐高温等优点。[0035] 2.与现有的激光超声测温方向相比，由于增加了扫查装置，能够采集不同位点的超声传播时间，再结合温度重建算法，可实现二维平面温度场的测量，增加了激光超声测温的维度。附图说明[0036] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0037] 图1为本发明实施例的一种固体内部二维平面稳态温度场的探测方法的流程示意图；[0038] 图2为本发明实施例的一种固体内部二维平面稳态温度场的探测系统示意图。[0039] 图3为本发明实施例的激光超声二维测温模型与扫查路径示意图。具体实施方式[0040] 结合附图和实施例对本发明作进一步说明，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。[0041] 参见图1，本发明提供了一种固体内部二维平面稳态温度场的探测方法的实施例，其包括：[0042] 利用超声波在被测固体内部的传播速度与被测固体内部的二维平面的温度的关联关系，将激光超声在被测固体内部采集的不同点的超声传播时间作为测量量，通过温度场重建算法计算得到被测固体的二维平面温度分布。[0043] 在一个实施例中，所述通过温度场重建算法计算得到被测固体的二维平面温度分布，包括：[0044] 求解边界热流，等价于寻求边界热流使得目标函数达到极小值，目标函数为测量得到的超声波传播时间与计算所得的超声波传播时间差值的最小值；根据边界热流求解二维稳态热传导方程，获得温度场。[0045] 在一个实施例中，还包括：[0046] 根据温度场和时移模型，计算目标函数中的K条路径上超声波传播时间；采用脉冲回波法，依次测量K条路径上的超声波传播时间，判断目标函数的取值是否小于或等于阈值，如果是，则停止反演，否则更新等效热边界，重新获取二维平面温度分布。[0047] 在一个实施例中，利用扫查装置移动激光超声激发器和接收器，依次采集被测固体内部K个不同位点的超声波传播时间。[0048] 在一个实施例中，将被测固体内部的二维温度场重构问题设为基于热传导方程的优化问题，已知第k条超声波传播路径 和采用脉冲回波法，测量k条路径上的超声波传播时间 ，求解边界热流 ，等价于寻求 使得目标函数J达到极小值的过程；x为x轴坐标；[0049] 目标函数J表示为：[0050] (1)[0051] 式中， 为第k条超声波的传播时间；[0052] 将边界条件、材料参数输入公式(1)中，预估待辨识边界热流 ；材料参数包括结构二维尺寸、导热系数、比热容和密度。[0053] 在一个实施例中，根据边界热流 的数值求解二维稳态热传导方程，获得温度场T(x,y)；x和y分别为x轴和y轴坐标；[0054] 二维稳态热传导方程的主控方程为：[0055] (2)[0056] 二维稳态热传导方程的边界条件为：[0057] (3)[0058] 二维稳态热传导方程的其余边界为绝热边界；[0059] 二维稳态热传导方程的初值条件为： ；[0060] 其中， 为y轴方向的最大值，T为结构的温度，t为时间， 为结构的初始温度。[0061] 在一个实施例中，根据计算得到的温度场T(x,y)以及被测固体内部的传播速度与被测固体内部的二维平面的温度的关联关系，获得波速场V(x,y)；V(x,y)为超声波在固体中的当地传播速度，与材料物性和结构温度T(x,y)有关；在指定温度范围内，表示为V(T,x,y)=mT(x,y)+n，m和n为常数，由预先标定实验获得，V(T,x,y)为超声波在固体中的当地传播速度。[0062] 在一个实施例中，根据以下时移模型，依次计算K条路径上的超声波传播时间；[0063] (4)[0064] 式中， 为第k条超声波的传播时间，L为结构厚度。[0065] 参见图2，本发明还提供了一种固体内部二维平面稳态温度场的探测系统的实施例，用于实现上述实施例所述的一种固体内部二维平面稳态温度场的探测方法，其包括激光超声激发器、激光超声接收器、扫查装置、信号处理模块和数据处理模块；激光超声激发器用于在被测固体中激发超声波，激光超声接收器用于接收从被测固体底部返回的超声回波信号，然后由信号处理模块采集超声波传播时间；扫查装置用于移动激光超声激发器和接收器，并按设定的扫查策略在被测固体表面的不同位点采集超声信号，再将各位置的超声波传播时间输入数据处理模块计算得到二维平面的温度场分布。[0066] 在一个实施例中，所述设定的扫查策略为：[0067] 参见图3，激光超声激发器和接收器的移动方向与边界热流的热量扩散方向垂直。[0068] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

专利地区：四川

专利申请日期：2024-09-18

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN118817107B