CN105403323B - 一种基于相位检测的结构内部温度场测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于相位检测的结构内部温度场测量方法，利用发射波和被测目标反射的接收回波之间声波的相位差所包含的超声波传播时间信息，用于热传导的反问题时，可以直接利用测量获得的相位差代入热声学方程的变形形式，也可以利用时间‑相位关系换算超声传播时间后代入热声学方程的传统形式，在基于热传导反问题计算获得等效的热边界条件后，再根据热传导的正问题求解获得被测结构内部不同时刻的温度场分布状态。本发明在常规相位检测仪器和硬件电路的基础上即可实现高精度测量固体内部非均匀温度场的需求。

Description

一种基于相位检测的结构内部温度场测量方法
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域，尤其是一种基于相位检测的结构内部温度场测量方法。
背景技术
当前普遍使用的固体结构内部温度测量技术，还主要依赖于打孔安装式，即将温度传感器如热电偶等预埋入结构内部。这种破坏式探测方法会一定程度上破坏结构的原有形态，并会导致材料内部局部的温度变化，使得温度的测量存在较大误差。
超声波测温是一种基于超声波传播速度与介质温度的相关性实现介质内部温度无损高精度探测的测温技术，然而其测量对象主要是空气和液态材料。针对固体的金属或合金物体温度测量分辨率要求小于1℃时，直接时间差（或称声波飞行时间）测量法在满足固体温度测量所需的时间测量精度方面存在难度，有必要采用时间测量精度小于1ns量级的测量方法，或变换传统热声学方程的形式。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于相位检测的结构内部温度场测量方法，测量分辨率高、常规超声设备基础上易检测的固体结构内部稳态/瞬态非均匀温度场。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种基于相位检测的结构内部温度场测量方法，包括以下步骤：
⑴、获取超声波的发射波和被测固体反射的接收回波之间声波的相位差；
⑵、根据超声波在固体结构内传播时间和相位的关系，得到超声波传播时间，其中为超声波发射频率；
⑶、由热声学方程
①
得热声学方程的变形形式
②
其中，为超声波在固体介质中单向传播的距离；是固体介质中声波的传播速度，与材料性能和结构所受温度相关；
⑷、基于热传导的反问题计算获得等效的热边界条件：用于热传导的反问题时，利用测量获得的相位差后带入热声学方程的变形形式，即式②，或利用时间-相位关系换算超声传播时间后再代入热声学方程的传统形式，即式①；
⑸、根据热传导的正问题求解获得被测结构内部不同时刻的温度场分布状态。
进一步地，在基于热传导反问题进行物体内部稳态/瞬态非均匀温度场探测中，利用发射波和被测目标反射的接收回波之间声波的相位差所包含的超声波传播时间信息，直接将测量获得的相位差代入热声学方程的变形形式，或将时间-相位关系换算超声传播时间后代入热声学方程的传统形式。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、测量分辨率高：以2MHz超声激发信号、16位A/ D 转换器的超声测温系统为例，理论超声传播时间的分辨率可达到7.6ps。
2、相比直接时间差需要设计高频时钟电路和选择高频器件，该方法对硬件性能的要求较低，常规的相位检测仪器和硬件电路即可满足要求。
附图说明
图1是超声测温系统的硬件框图；
图2是基于相位差法的结构内部温度测量流程图；
图3是采用相位法探测SKD钢试件内部温度场的实测结果；
图4是不同超声传播时间测量精度对预测SKD钢试件内部温度场效果的理论分析结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
如图1所示的超声测温系统，（1）FPGA 通过控制信号发生器产生数字信号，经D/A转换及滤波、放大之后，驱动超声波换能器发出超声波信号；（2）超声换能器将接收到的声波转换为电压信号，并将电信号经过放大处理；（3）整数倍波长部分的测量电路可以采用包络峰值检测电路或锁存器/跟踪计数器电路等，其作用在于对超声波所经历的整周期进行计数；（4）经 A/D 采样模块所采集的数据通过 FPGA 芯片传输给上位机进行非整数倍波长部分的相位估计，最终获取发射波和被测目标反射的接收回波之间声波的相位差。
采用基于热传导反问题的物体内部温度场探测方法，基本流程如图2所示：（1）将信号处理数据用于热传导的反问题时，可直接利用测量获得的相位差代入热声学方程的变形形式，也可以利用时间-相位关系换算超声传播时间后代入热声学方程的传统形式；（2）基于热传导的反问题计算获得等效的热边界条件；（3）根据热传导的正问题求解获得被测结构内部不同时刻的温度场分布状态。
采用本发明基于相位检测的结构内部温度场测量方法，对SKD钢试件（长×宽×高为200×50×30 mm，被测方向的长度为30mm）加热时间5s后，采用相位法进行探测后预测的试件内部非均匀温度场结果。实测中探头频率为2MHz、数采模块则采用了16位A/ D 转换器，经相位差法换算的超声传播时间测量精度量级实际可达到s。
测试表明，该探测方法与热电偶测量结果较为一致，如图3所示，试件被测方向的厚度为30mm，沿被测方向每隔5mm布置一个热电偶（加热面除外），共5个。图示给出了距离加热面5mm、15mm和25mm三个测点不同时刻热电偶测温所得数据与基于本发明所预测的温度数据对比。
为进一步说明高精度测量超声传播时间的必要性，图4给出了理论分析所得到的超声传播时间测量精度量级分别为 s、 s和 s时SKD钢试件内部温度场结果。分析表明，为s和s时最大温度偏差分别为12%和1%；显然，提高超声传播时间的测量精度对准确预测结构内部稳态/瞬态非均匀温度场有重要意义。基于相位法可以使得超声传播时间测量精度达到s以上，满足固体内部温度高精度预测的需求。测试试件被测方向的长度为50mm。图示给出了加热时间5s后，超声传播时间测量精度量级分别为s、s和s时各自对结构内部温度场预测精度的影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于相位检测的结构内部温度场测量方法，包括以下步骤：
⑴、获取超声波的发射波和被测固体反射的接收回波之间声波的相位差
⑵、根据超声波在固体结构内传播时间和相位的关系，得到超声波传播时间其中f为超声波发射频率；
⑶、由热声学方程
得热声学方程的变形形式
其中，L为超声波在固体介质中单向传播的距离；V是固体介质中声波的传播速度，与材料性能和结构所受温度相关；
⑷、基于热传导的反问题计算获得等效的热边界条件：用于热传导的反问题时，利用测量获得的相位差后代入如式②所示的热声学方程的变形形式，或利用时间-相位关系换算超声传播时间后再代入如式①所示的热声学方程的传统形式；
⑸、根据热传导的正问题求解获得被测结构内部不同时刻的温度场分布状态。
2.如权利要求1所述基于相位检测的结构内部温度场测量方法，其特征在于：在基于热传导反问题进行物体内部稳态/瞬态非均匀温度场探测中，利用发射波和被测目标反射的接收回波之间声波的相位差所包含的超声波传播时间信息，直接将测量获得的相位差代入热声学方程的变形形式，或将时间-相位关系换算超声传播时间后代入如式①所示的热声学方程的传统形式。
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