CN106768464A - 一种均匀材质构件内部温度场的激光超声探测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种均匀材质构件内部温度场的激光超声探测方法与系统，该探测方法包括：步骤一、基于标定试样，确定均匀材质中超声声速与温度之间的关系；步骤二、确定待测均匀材质构件的厚度L及其冷端的温度T_冷；步骤三、利用激光超声测量待测均匀材质构件中的超声渡越时间t_tof；步骤四、利用超声温度场重建机理，获得待测均匀材质构件的内部温度场分布。通过采用本发明的探测方法和系统，实现了对物体内部温度场的快速、准确、非接触和高精度测量，能够适应高温、高压和强腐蚀性的恶劣环境，满足多种复杂工况需求。

Description

一种均匀材质构件内部温度场的激光超声探测方法与系统

技术领域

本发明涉及物体内部温度场的非接触式探测技术领域，具体涉及一种均匀材质构件内部温度场的激光超声探测方法与系统。

背景技术

对于物体内部温度的测量一般采用接触式测温法，即测温传感器与物体充分接触，二者之间通过热交换而达到热平衡，从而测得该物体接触部位的温度值。但上述方法测量物体温度时，存在诸多问题：(1)由于需要等待热平衡，因此实时响应速率相对缓慢，存在一定的延迟；(2)为了接触到物体内部，测温传感器需要打孔安装，这直接影响了物体内部温度场分布，导致较大的测量误差；(3)在测温环境十分恶劣的情况下，由于热平衡需要一定时间，因此对测温传感器的耐高温、耐高压、耐腐蚀性等材料性能要求较高，大大增加了传感器的制造难度和成本，并且，当遇到温度瞬间过低或者过高的情况容易影响传感器精度和寿命；(4)仅能测量所接触位置的局部温度，无法获得沿物体结构方向(比如轴向、径向或厚度方向)分布的温度场。

因此，需要一种测温实时响应速率快、能适应恶劣环境、能实时显示整个温度场的无损测温装置。

发明内容

本发明针对现有技术存在的以上问题，提出了一种均匀材质构件内部温度场的激光超声探测方法和系统，该探测方法和系统实现了对物体内部温度场的快速、准确、非接触和高精度测量，能够适应高温、高压和强腐蚀性的恶劣环境，满足多种复杂工业应用环境。

本发明的技术方案为：

一种均匀材质构件内部温度场的激光超声探测方法，包括以下步骤：

步骤一、基于标定试样，确定均匀材质中超声声速与温度之间的关系：1)选取与待测均匀材质构件材质相同的材料制成厚度为d的标定试样；2)将标定试样放入温控装置中，通过温控装置的加热和保温使标定试样达到整体温度为T_i，其中i＝1，2，3，...，N，共N个温度状态；3)利用激光超声测量标定试样在不同温度状态T_i下的超声渡越时间t_i，将发射激光入射至标定试样的顶面，发射激光在标定试样的顶面发生反射并在入射点处激发形成超声波，该超声波传播至标定试样的底面后经反射返回至顶面，在激光入射点处超声波的产生和返回均引起标定试样的表面振动，导致反射激光的光程发生改变，从而可从原发射激光与反射激光形成的干涉光中获取所激发的超声波在标定试样的顶面与底面间往返的超声渡越时间t_i；4)根据V＝2d/t计算在不同温度状态T_i下的超声传播速度V_i，采用最小二乘法拟合，得到标定试样的温度T与超声传播速度V(T)之间的关系：

V(T)＝mT+n (1)

式中，m、n为标定系数；

步骤二、确定待测均匀材质构件的厚度L及其冷端的温度T_冷；

步骤三、利用激光超声测量待测均匀材质构件中的超声渡越时间t_tof，将发射激光入射至待测均匀材质构件的顶面并在入射点处激发形成超声波，该超声波传播至待测均匀材质构件的底面后经反射而返回至顶面，在激光入射点处超声波的产生和返回均引起待测均匀材质构件的表面振动，导致反射激光的光程发生改变，从而可从原发射激光与反射激光形成的干涉光中获取所激发的超声波在待测均匀材质构件对应于冷端的顶面与对应于热端的底面间往返的超声渡越时间t_tof；

步骤四、利用超声温度场重建机理，获得待测均匀材质构件的内部温度场分布：

1)确定待测均匀材质构件内部温度场的解析式；

依据均匀材质中一维稳态常物性导热方程：

d²T(x)/dx²＝0 (2)

式中，x为待测均匀材质构件内一点沿热端至冷端方向与热端的距离，T(x)为待测均匀材质构件内点x处的温度；

对式(2)积分得到待测均匀材质构件内部的导热方程：

T(x)＝ax+b (3)

式中，a，b为常数；

根据待测均匀材质构件冷端的边界条件：

T(x)|_x＝L＝T_冷 (4)

式中，L为所述待测均匀材质构件冷端与热端间距，即构件的厚度，T_冷为所述构件冷端温度；

将式(4)代入式(3)，得到待测均匀材质构件内部温度场的解析式：

T(x)＝a(x-L)+T_冷 (5)

2)确定式(5)中的系数a；

根据超声渡越时间t_tof理论方程：

将式(1)、(5)代入式(6)，可得：

t_tof＝2[ln(AL+B)-ln(B)]/A (7)

其中，A＝am，B＝mT_冷+n-amL；

根据牛顿迭代法，求解上述方程，可得：

将冷端温度T_冷、渡越时间t_tof、标定系数m，n，构件厚度L代入式(8)求解，其中，迭代收敛准则取|a_j+1-a_j|≤10^-6，j为迭代次数，待收敛后求解得到a；

3)将a代入式(5)即可得到待测均匀材质构件内部任一点x的温度T(x)。

其中，待测均匀材质构件为金属构件。

一种采用上述激光超声探测方法来测量均匀材质构件内部温度场的激光超声探测系统，包括激光发射器、激光接收器、光路调节装置、发射控制器、信号采集器、主控制器、信号处理器、数据分析器和显示器；其特征在于：进行温度探测时，主控制器激活发射控制器，使得发射控制器控制激光发射器发出激光，激光经过光路调节装置的调整后垂直入射待测均匀材质构件的顶面并在该激光入射点处被反射并同时激发出超声波，反射激光经光路调节装置调整后与原发射激光形成干涉光，激发出的超声波在待测均匀材质构件的内部传播，经待测均匀材质构件的底面反射后返回至激光入射点，由于超声回波引起待测均匀材质构件顶面振动，使得此时在激光入射点反射的激光受到该顶面振动的影响从而使与原发射激光形成的干涉光发生变化，干涉光由激光接收器接收后进入信号采集器并转换为电信号，所述电信号经信号处理器处理后，送入数据分析器，数据分析器根据干涉光的变化获得超声波待测均匀材质构件中的超声渡越时间t_tof，随后在获得冷端温度T_冷、渡越时间t_tof、标定系数m和n、以及构件厚度L后根据公式(8)进行j次牛顿迭代解算出系数a，再将系数a代入式(5)以得到待测均匀材质构件内部任一点x的温度场重建曲线T(x)，最终将待测均匀材质构件的内部温度场重建曲线在显示器上显示。

其中，所述探测系统能测量0.5～1m范围内的均匀材质构件的内部温度场；

优选的，所述探测系统的温度测量范围为-100～500℃；

优选的，所述信号采集器中的A/D转换模块采样频率≥1GHz；

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)实现均匀材质构件的内部温度场的重建并实时显示，满足了工业应用对快速、高效的需求；

(2)本发明采用激光激发的超声波来作为物体内部温度场测量手段，能测量距离该系统0.5～1m范围内的均匀材质构件的内部温度场，实现了非接触式测温而且不会对待测均匀材质构件本身的温度场产生影响。

(3)本发明的信号采集器中采用了高频A/D转换器，结合硬件电路可实现超声渡越时间纳秒级测量，对温度的分辨率达到0.01℃。

(4)本发明利用了超声波为高频机械波的属性，具有抗干扰能力强、实时响应速度快、测量精度高的优点。

附图说明

图1为激光超声探测方法的原理简图；

图2位本发明所述激光超声探测系统的工作流程图；

图3为本发明所述激光超声探测系统的光路布置图；

图1-3中部件与附图标记的对应关系为：1、待测均匀材质构件，2、激光超声装置，3、计算机，4、分束器，5、半波片，6、反射镜，7、延迟装置，8、偏振耦合器，9、1/4波片，10、凸透镜，11、半波片，12、铌酸锂晶体，13、凸透镜，14、反射镜，15、反射镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

图1为激光超声探测方法的原理简图，整个激光超声测温系统由激光超声装置(2)和计算机(3)组成，激光超声装置(2)内部集成了激光发射器、激光接收器、光路调节装置、发射控制器、信号采集器、主控制器和信号处理器，计算机(3)中主要由数据分析器和显示器组成，系统组成如图2所示。当对一受热待测均匀材质构件(1)进行内部温度探测时，首先通过激光超声装置(2)内部的主控制器激活发射控制器，使得发射控制器控制激光器发射激光，激光经过光路调节装置调整后，垂直入射在待测均匀材质构件(1)的表面并在该激光入射点处被反射并同时激发出超声波，超声波经待测均匀材质构件(1)内部传播后并在底面反射，反射的超声波信号被反射激光信号所携带，并射入激光超声装置(2)中，再经光路调节装置后，与原激光信号形成干涉，干涉光由激光接收器接收后进入信号采集器并转换为电信号，所述电信号经信号处理器处理后送入计算机(3)的数据分析器中，由于获取的干涉光信号与超声波信号的位移是成正比的，通过利用光强信号，即可得出超声在待测均匀材质构件(1)中的超声渡越时间t_tof，随后通过获得待测均匀材质构件(1)的冷端温度T_冷、标定试样(与待测均匀材质构件材料相同)超声声速与温度的标定系数m和n以及待测均匀材质构件(1)的厚度L后，根据公式(8)：

：进行j次牛顿迭代解算出系数a，再将系数a带入公式(5)：T(x)＝a(x-L)+T_冷中，以得到待测均匀材质构件(1)内部的温度场分布T(x)，并且将所重建的内部温度场重建曲线在显示器上显示。

本系统采用的光路调节装置如图3所示。Nd：YAG激光发射器，发射波长为1064nm的连续激光信号，激光通过分束器(4)分成两路激光，第一路激光作为探测光透过半波片(5)后，经反射镜(6)射入延迟装置(7)，经过延迟装置(7)后光路射入偏振耦合器(8)，透射的光束经过1/4波片(9)后再经过凸透镜(10)聚焦至试件表面，激光在试件表面激发超声波，超声波在试件内部传播直至底面反射，反射回来的超声波信号被激光所携带，再次经过凸透镜(10)和1/4波片(9)，携带超声波信号的激光经过偏振耦合器(8)发生全反射，再经过半波片(11)后射入铌酸锂晶体(12)中；第二路激光作为参考激光光束经过反射镜(14)和反射镜(15)射入铌酸锂晶体(12)中，在参考光束进入铌酸锂晶体(12)之前，通过调节反射镜(14)和反射镜(15)的角度，令第二路参考激光光束与第一路携带超声波信号的激光光束以20°～35°之间的角度射入铌酸锂晶体(12)中，在铌酸锂晶体(12)中，两束光波在晶体中混合形成干涉，干涉光经过凸透镜(13)聚焦至光电转换器中，光电转换器将接收到的光信号转换为电信号，以用于超声渡越时间t_tof的计算。

上述实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和/或简化，均应视为等效的置换方式，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种均匀材质构件内部温度场的激光超声探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、基于标定试样，确定均匀材质中超声声速与温度之间的关系：1)选取与待测均匀材质构件材质相同的材料制成厚度为d的标定试样；2)将标定试样放入温控装置中，通过温控装置的加热和保温使标定试样达到整体温度为T_i，其中i＝1，2，3，...，N，共N个温度状态；3)利用激光超声测量标定试样在不同温度状态T_i下的超声渡越时间t_i，将发射激光入射至标定试样的顶面，发射激光在标定试样的顶面发生反射并在入射点处激发形成超声波，该超声波传播至标定试样的底面后经反射返回至顶面，在激光入射点处超声波的产生和返回均引起标定试样的表面振动，导致反射激光的光程发生改变，从而可从原发射激光与反射激光形成的干涉光中获取所激发的超声波在标定试样的顶面与底面间往返的超声渡越时间t_i；4)根据V＝2d/t计算在不同温度状态T_i下的超声传播速度V_i，采用最小二乘法拟合，得到标定试样的温度T与超声传播速度V(T)之间的关系：

V(T)＝mT+n (1)

式中，m、n为标定系数；

步骤二、确定待测均匀材质构件的厚度L及其冷端的温度T_冷；

步骤三、利用激光超声测量待测均匀材质构件中的超声渡越时间t_tof，将发射激光入射至待测均匀材质构件的顶面并在入射点处激发形成超声波，该超声波传播至待测均匀材质构件的底面后经反射而返回至顶面，在激光入射点处超声波的产生和返回均引起待测均匀材质构件的表面振动，导致反射激光的光程发生改变，从而可从原发射激光与反射激光形成的干涉光中获取所激发的超声波在待测均匀材质构件对应于冷端的顶面与对应于热端的底面间往返的超声渡越时间t_tof；

步骤四、利用超声温度场重建机理，获得待测均匀材质构件的内部温度场分布：

1)确定待测均匀材质构件内部温度场的解析式；

依据均匀材质中一维稳态常物性导热方程：

d²T(x)/dx²＝0 (2)

式中，x为待测均匀材质构件内一点沿热端至冷端方向与热端的距离，T(x)为待测均匀材质构件内点x处的温度；

对式(2)积分得到待测均匀材质构件内部的导热方程：

T(x)＝ax+b (3)

式中，a，b为常数；

根据待测均匀材质构件冷端的边界条件：

T(x)|_x＝L＝T_冷 (4)

式中，L为所述待测均匀材质构件冷端与热端间距，即构件的厚度，T_冷为所述构件冷端温度；

将式(4)代入式(3)，得到待测均匀材质构件内部温度场的解析式：

T(x)＝a(x-L)+T_冷 (5)

2)确定式(5)中的系数a；

根据超声渡越时间t_tof理论方程：

$t_{tof}=2{\∫}_0^L\[1/V\left(T\right)dx---\left(6\right)$

将式(1)、(5)代入式(6)，可得：

t_tof＝2[ln(AL+B)-ln(B)]/A (7)

其中，A＝am，B＝mT_冷+n-amL；

根据牛顿迭代法，求解上述方程，可得：

将冷端温度T_冷、渡越时间t_tof、标定系数m，n，构件厚度L代入式(8)求解，其中，迭代收敛准则取|a_j+1-a_j|≤10^-6，j为迭代次数，待收敛后求解得到a；

3)将a代入式(5)即可得到待测均匀材质构件内部任一点x的温度T(x)。

2.根据权利要求1所述的均匀材质构件内部温度场的激光超声探测方法，其特征在于，所述均匀材质构件为金属构件。

3.一种根据权利要求1所述的均匀材质构件内部温度场的激光超声探测方法来测量均匀材质构件内部温度场的激光超声探测系统，包括激光发射器、激光接收器、光路调节装置、发射控制器、信号采集器、主控制器、信号处理器、数据分析器和显示器；其特征在于：进行温度探测时，主控制器激活发射控制器，使得发射控制器控制激光发射器发出激光，激光经过光路调节装置的调整后垂直入射待测均匀材质构件的顶面并在该激光入射点处被反射并同时激发出超声波，反射激光经光路调节装置调整后与原发射激光形成干涉光，激发出的超声波在待测均匀材质构件的内部传播，经待测均匀材质构件的底面反射后返回至激光入射点，由于超声回波引起待测均匀材质构件顶面振动，使得此时在激光入射点反射的激光受到该顶面振动的影响从而使与原发射激光形成的干涉光发生变化，干涉光由激光接收器接收后进入信号采集器并转换为电信号，所述电信号经信号处理器处理后，送入数据分析器，数据分析器根据干涉光的变化获得超声波待测均匀材质构件中的超声渡越时间t_tof，随后在获得冷端温度T_冷、渡越时间t_tof、标定系数m和n、以及构件厚度L后根据公式(8)进行j次牛顿迭代解算出系数a，再将系数a代入式(5)以得到待测均匀材质构件内部任一点x的温度场重建曲线T(x)，最终将待测均匀材质构件的内部温度场重建曲线在显示器上显示。

4.根据权利要求3所述的测量均匀材质构件内部温度场的激光超声探测系统，其特征在于，所述探测系统能测量0.5～1m范围内的均匀材质构件的内部温度场。

5.根据权利要求3所述的测量均匀材质构件内部温度场的激光超声探测系统，其特征在于，所述探测系统的温度测量范围为-100～500℃。

6.根据权利要求3所述的测量均匀材质构件内部温度场的激光超声探测系统，其特征在于，所述信号采集器中的A/D转换模块采样频率≥1GHz。