CN109470772A - 一种基于超声的内部热源强度大小和位置的无损测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于超声的内部热源强度大小和位置的无损测量方法，其特征在于：同时考虑超声在结构内部传播过程中的时延特性和边界上的温度变化，结合热传导反问题求解，用于无损、快速地测量结构内部随时间变化的热源的强度和位置。本发明不需要获取结构内部点的温度信息，简化了测量装置，操作简便；相比内部热源的红外检测技术，能够更有效地探测结构内部热源的强度和位置的状况，具有测量速度快、测量范围大等优点。

Description

一种基于超声的内部热源强度大小和位置的无损测量方法
技术领域
本发明属于超声检测技术领域，具体涉及一种基于超声的内部热源强度大小和位置的无损测量方法。
背景技术
结构内部热源的测量在无损检测、微生物发酵、弹药和食物存储等领域都有重要的应用。例如，医学上的肿瘤诊断和治疗等问题本质上可归结为对物体内部热源的位置识别的问题。内部热源的识别问题，特别是强度和位置同时识别，属于高度的不适定(ill-posed)问题，即解的惟一性和解的稳定性都不满足。尽管内部热源识别问题的研究已有大量报道，但研究多集中在通过数值算法求解热源逆问题，求解的稳定性和准确度不易达到预期，并且多数研究方法也并没有进行实验验证，同时一些方法的局限性在于仍需要探测少数内部点的温度信息。
本发明以超声在结构内部传播过程中的时延特性和边界温度变化为共同出发点，根据超声在材料介质中传播特性随温度变化的特性反映了内部热源引发的结构内部温度变化，同时边界温度进一步提供了优化的边界约束条件，从而可快速、简便、准确地测量内部热源的强度和位置。相比现有方法，本发明不需要获取内部点的温度信息，这大大简化了测量装置，操作相对简便；与内部热源的红外探测技术相比，本发明提供了一种可进行内部热源探测的新途径，将超声传播的时间变为识别内部热源强度和位置的参数，能够更有效地探测结构内部热源参数的分布状况。此外，由于声学设备可以实现非接触式测量，其提高了传感器耐高温性能和温度效应的抗干扰能力，有效地提升了测温范围和测温精度。
发明内容
针对现有技术存在的以上问题，本发明提出一种基于超声的内部热源强度大小和位置的无损测量方法，适用于单个或多个内部热源的强度和位置的无损测量。该方法根据超声在金属、复合材料等介质中随温度变化而出现的传播速度变化特性，采用超声回波法，由瞬态传热条件下超声传播时间，基于热传导反问题的参数识别方法，可无损、快速地测量结构内部随时间变化的热源的强度和位置。
为实现上述目的，本发明的技术方案具体如下：
包括以下步骤：
步骤一：获取被测构件内超声传播速度V与不同温度条件下温度T的相关关系，拟合出V与T的关系式V(T)，其中，T为被测试件整体温度达到一致的条件下的温度值；
步骤二：对被测构件进行加热，选定某一被测方向，设定其为x方向，L为被测试件沿被测方向的长度，L大于一个超声波波长；沿被测方向x方向从被测构件x＝0处的一端进行加热，直至被测试件所述x＝0处的加热端的温度高于测量的预定温度时，结束加热；
在所述加热初始至结束的过程中，进行以下步骤三至步骤五，随后，基于步骤三至步骤五的结果，进行步骤六；
步骤三：由超声波脉冲回波法，获得被测试件ti时刻的超声波传播测量时间ti,exp，即在步骤二所述加热初始至结束的过程中进行多次测量，下标i表示测量时间序数，i＝1,2,……,n，共测量n次；
步骤四：基于步骤一的关系式V(T)，和步骤三的超声传播测量时间ti,exp，建立被测构件内部热源的热传导反问题目标函数为：
式(1)中，x表示点热源的位置，即沿被测方向x方向被测点热源的坐标值；Q(x,t)为点热源的强度，其随时间t而变化；ti,cal为超声波传播计算时间，是将ti时刻对应的被测试件加热端的温度值T(ti)代入步骤二所得的相关关系式V(T)得到的V，再根据L与V计算得到的；ti,exp为步骤三中实际测量得到的ti时刻的超声波传播测量时间；
所述热传导反问题目标函数的约束条件为:
T(x,t),t＞0,x∈[0,L] (3)
式中，k(T)为被测构件材料的导热系数，为温度T的函数；Cp和ρ分别为被测构件材料的比热容和密度；T(x,t)表示所述加热初始至结束的过程中所述试件内部形成的温度梯度场中，沿被测方向x方向上一点的温度随时间t和坐标x的分布；T(x,t)|x＝0/x＝L为边界条件；
步骤五：由红外测温方法或热电偶测温方法，获得T(x,t)|x＝0/x＝L的边界温度；
步骤六：根据步骤五所得的温度边界条件T(x,t)|x＝0/x＝L，求解上述公式(1)和(2)，获得x和t，从而测出构件内部热源沿被测方向的强度和位置；
进一步地，该方法能够测量被测构件内部已知或未知位置的单个或多个热源的强度。
进一步地，该方法适用于金属或复合材料的被测构件。
进一步地，该方法步骤一所述V与T的关系式V(T)是线性关系式或二次函数关系式。
本发明具有如下优点和积极效果：
1、所述方法不需要获取内部点的温度信息，大大简化了测量装置，操作相对简便；相比内部热源的红外探测技术，能够更有效地探测结构内部热源的强度和位置。
2、基于超声进行非接触测量时，内部热源强度和位置的测量几乎不受传感器耐温性能的影响，具有测量范围大的优点。
附图说明
图1为基于超声的构件内部热源强度和位置的无损测量方法的流程；
图2为随时间变化的内部热源测量。
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。
实施例1：
被测构件为长方体，长度为0.1m，中心位置设置单个点热源Q＝1e+6W/m3，即理论上近似为一维含内部热源的传热问题。
步骤一：获取被测构件内超声传播速度V与不同温度条件下温度T的相关关系，拟合出V与T的关系式V(T)，其中，T为被测试件整体温度达到一致的条件下的温度值；
步骤二：选定长度方向为被测方向，设定其为x方向，L为被测试件沿被测方向的长度，L＝0.1m；沿长度方向除上、下表面外，加装隔热层，沿被测方向x方向从被测构件x＝0处的一端进行加热，直至被测试件所述x＝0处的加热端的温度高于测量的预定温度时，结束加热；
预定温度是为加热端加热的加热器所事先设定的停止加热工作的温度值；采用平板加热器，加热器与被测构件的加热端紧密接触；
在所述加热初始至结束的过程中，进行以下步骤三至步骤五，随后，基于步骤三至步骤五的结果，进行步骤六；
步骤三：将超声探头置于x＝L的一端的端面上，采用垂直入射方式激发脉冲超声，由超声波脉冲回波法，获得被测试件ti时刻的超声波传播测量时间ti,exp，即在步骤二所述加热初始至结束的过程中进行多次测量，下标i表示测量时间序数，i＝1,2,……,n，共测量n次；
步骤四：基于步骤一的关系式V(T)，和步骤三的超声传播测量时间ti,exp，建立被测构件内部热源的热传导反问题目标函数为：
式(1)中，x表示点热源的位置，即沿被测方向x方向被测点热源的坐标值；Q(x,t)为点热源的强度，其随时间t而变化；ti,cal为超声波传播计算时间，是将ti时刻对应的被测试件加热端的温度值T(ti)代入步骤二所得的相关关系式V(T)得到的V，再根据L与V计算得到的；ti,exp为步骤三中实际测量得到的ti时刻的超声波传播测量时间；
所述热传导反问题目标函数的约束条件为:
T(x,t),t＞0,x∈[0,L] (3)
式中，k(T)为被测构件材料的导热系数，为温度T的函数；Cp和ρ分别为被测构件材料的比热容和密度；T(x,t)表示所述加热初始至结束的过程中所述试件内部形成的温度梯度场中，沿被测方向x方向上一点的温度随时间t和坐标x的分布；T(x,t)|x＝0/x＝L为边界条件；
步骤五：由红外测温方法或热电偶测温方法，获得T(x,t)|x＝0/x＝L的边界温度；
步骤六：根据步骤五所得的温度边界条件T(x,t)|x＝0/x＝L，求解上述公式(1)和(2)，获得x和t，从而测出构件内部热源沿被测方向的强度和位置；点热源强度和位置的测量误差均小于0.01％。
实施例2：被测构件为长方体，长度为1m，宽度为0.1m，设置两个点热源，设长度方向为x方向，其中，长方体的中心位置即x＝0.5m，y＝0.05m处设置点热源Q＝1e+6W/m3，距离x＝0的端面0.3m位置即x＝0.3m，y＝0.05m处设置点热源Q＝1.2e+6W/m3。设定宽度方向即y方向为检测方向，从被测构件y＝0处的一端进行加热，将超声探头置于y＝1m的端面上，采用垂直入射方式激发脉冲超声，沿x方向移动超声探头，进行步进超声扫查检测，依次按照前述步骤一至步骤六，基于测量底面回波传播时间的变化，通过求解热源的热传导反问题，获得两个内部热源的强度和位置。内部热源位置测量结果分别为x＝0.29m和x＝0.5m,而两个点热源强度误差分别为3.75％和5.21％。
实施例3：同实施例1的被测构件，中心位置设置单个点热源Q(t)＝133928.57t2+1848214.29t+9250000。将超声探头置于x＝L的一端的端面上，采用垂直入射方式激发脉冲超声，依次按照前述步骤一至步骤六，基于测量底面回波传播时间的变化，通过求解热源的热传导反问题，获得随时间变化内部热源的强度如图2所示。在6个测量点处将直值与测量值比较，平均误差小于1.39％。
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 (4)

1.一种基于超声的内部热源强度大小和位置的无损测量方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤一：获取被测构件内超声传播速度V与不同温度条件下温度T的相关关系，拟合出V与T的关系式V(T)，其中，T为被测试件整体温度达到一致的条件下的温度值；
步骤二：对被测构件进行加热，选定某一被测方向，设定其为x方向，L为被测试件沿被测方向的长度，L大于一个超声波波长；沿被测方向x方向从被测构件x＝0处的一端进行加热，直至被测试件所述x＝0处的加热端的温度高于测量的预定温度时，结束加热；
在所述加热初始至结束的过程中，进行以下步骤三至步骤五，随后，基于步骤三至步骤五的结果，进行步骤六；
步骤三：由超声波脉冲回波法，获得被测试件ti时刻的超声波传播测量时间ti,exp，即在步骤二所述加热初始至结束的过程中进行多次测量，下标i表示测量时间序数，i＝1,2,……,n，共测量n次；
步骤四：基于步骤一的关系式V(T)，和步骤三的超声传播测量时间ti,exp，建立被测构件内部热源的热传导反问题目标函数为：
式(1)中，x表示点热源的位置，即沿被测方向x方向被测点热源的坐标值；Q(x,t)为点热源的强度，其随时间t而变化；ti,cal为超声波传播计算时间，是将ti时刻对应的被测试件加热端的温度值T(ti)代入步骤二所得的相关关系式V(T)得到的V，再根据L与V计算得到的；ti,exp为步骤三中实际测量得到的ti时刻的超声波传播测量时间；
所述热传导反问题目标函数的约束条件为:
T(x,t),t＞0,x∈[0,L] (3)
式中，k(T)为被测构件材料的导热系数，为温度T的函数；Cp和ρ分别为被测构件材料的比热容和密度；T(x,t)表示所述加热初始至结束的过程中所述试件内部形成的温度梯度场中，沿被测方向x方向上一点的温度随时间t和坐标x的分布；T(x,t)|x＝0/x＝L为边界条件；
步骤五：由红外测温方法或热电偶测温方法，获得T(x,t)|x＝0/x＝L的边界温度；
步骤六：根据步骤五所得的温度边界条件T(x,t)|x＝0/x＝L，求解上述公式(1)和(2)，获得x和t，从而测出构件内部热源沿被测方向的强度和位置。
2.根据权利要求1所述的基于超声的内部热源强度和位置的无损测量方法，其特征在于，该方法能够测量被测构件内部已知或未知位置的单个或多个热源的强度。
3.根据权利要求1所述的基于超声的内部热源强度和位置的无损测量方法，其特征在于，该方法适用于金属或复合材料的被测构件。
4.根据权利要求1所述的基于超声的内部热源强度和位置的无损测量方法，其特征在于，步骤一所述V与T的关系式V(T)是线性关系式或二次函数关系式。
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