CN114001685B - 基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法，属于测量领域。本发明的基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法，包括超声波阵列，超声波阵列布置在防热层的内表面，阵列由一列超声波发射器和多列超声波接收器组成，每个超声波发射器由防热层内表面向外表面发射超声波，超声波的入射角为θ；超声波阵列中每一行的超声波发射器和超声波接收器分布在同一条直线上，超声波阵列中每一列的超声波发射器和超声波接收器随型分布于防热层内表面。本发明无需在防热层上开孔，可以适用大部分防热结构，且能够实时连续测量表面烧蚀后退量，以及防热层的各分层厚度，满足在航天飞行器飞行试验或者地面风洞试验使用要求。
Description
技术领域
本发明属于航天飞行器测量技术领域，尤其是涉及一种基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法。
背景技术
飞行器在进入大气层时，结构外表面承受高速飞行带来的高温环境，最高温度可超过2000℃。一般金属结构难以承受此高温，因此一般需要在金属结构外部覆盖一层耐高温的复合材料结构，称为防热层。在高温作用下，防热层外表面会发生燃烧，燃烧会带走表面物质，从而使得防热层表面产生后退现象，称为表面烧蚀后退量。航天飞行器在大气层内飞行，需要控制防热层的表面烧蚀后退量，避免内部结构和仪器设备暴露在高温环境下，以确保航天飞行器能够正常工作。由于高温下防热层的烧蚀是一个涉及物理、化学变化的复杂过程，目前需要通过地面风洞试验的方法模拟航天飞行器再入大气层过程，并实际测量防热层表面烧蚀后退量，以便于对防热层方案的合理性进行评估。
由于航天飞行器结构表面的温度高达2000℃以上，温度梯度高达200℃/mm以上，防热层在高温作用下发生热解、碳化。部分组分在高温下还会熔化成液态，防热层由外表面到内部可能存在液态熔融层、碳化层、热解层、原始层等多种形态，准确测得烧蚀后退量以及各层厚度非常困难。目前烧蚀后退量测量主要是通过测量实验前后防热层的厚度差计算得到，无法获得试验过程中的表面烧蚀后退量变化过程，也无法考虑表面熔融层的影响。采用嵌入式烧蚀传感器，可以测得表面烧蚀量变化过程，但是无法测得熔融层、碳化层、热解层、原始层等各层厚度，并且需要在防热层上开孔安装传感器，对安装精度、传热和烧蚀同步性提出更高要求，适用范围有限。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法，无需在防热层上开孔，可以适用大部分防热结构，且能够实时连续测量表面烧蚀后退量，以及防热层分层后的各层厚度，满足在航天飞行器飞行试验或者地面风洞试验使用要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法，包括超声波阵列，所述超声波阵列布置在防热层的内表面，所述超声波阵列由一列超声波发射器和多列超声波接收器组成，每个超声波发射器由防热层的内表面向外表面发射超声波，所述超声波的入射角为θ；
所述超声波阵列中每一行中的超声波发射器和超声波接收器分布在同一条直线上，所述超声波阵列中每一列的超声波发射器和超声波接收器均随型分布于防热层内表面；
所述防热层在高温作用下发生分解、碳化、熔化等化学或物理变化，由外到内依次形成组分或状态差异明显的P层(P≥1)，由外到内依次命名为第1层、第2层、…、第j层、…第P层，所述防热层的总厚度为h(t)，第1层的厚度、第2层的厚度、…、第j层的厚度、…第P层的厚度分别为h1(t)、h2(t)、...、hj(t)、…、hP(t)，其中t为时间，h(t)＝h1(t)+h2(t)+…+hj(t)+…+hP(t)；
所述的无损测量方法包括以下步骤：
采用脉冲发射模式，超声波发射器将超声波由防热层内表面发射到防热层外表面，超声波发射器每发射一次超声波信号，该超声波先后依次在第P层的外表面、…第j层的外表面、…第2层的外表面以及第1层的外表面进行反射且被超声波接收器接收；超声波接收器根据其坐标以及接收到的信号强度分别拟合得到不同层反射的信号强度函数，根据该函数计算得到信号最强的位置，为超声波反射波最强接收位置；最后由发射位置、反射位置和最强接收位置组成等腰三角形，根据三角公式计算得到三角形高度，由相邻层高度之差即可获得相应层的厚度；根据不同时刻防热层厚度计算防热层外表面的烧蚀后退量为Δh(t)，Δh(t)＝h(0)-h(t)，其中h(0)为t＝0时刻的防热层厚度，即防热层初始厚度。
随着飞行器的飞行，防热层的整体的温度升高，部分材料发生热解、碳化和熔化等物理化学变化，从而形成组分或状态差异明显的P层，由外到内分别命名为第1层、第2层、…、第j层、…第P层，最内部的第P层为原始层，即未发生任何化学或物理变化的防热层；超声波在由防热层内表面传播到外表面时，在密度或状态变化明显的固-固、固-液、固-气界面发生反射，反射的超声波由多个超声波接收器共同接收，由于超声波的传递需要时间，因此同一个超声波接收器先后接收到的信号分别是由内到外不同层界面反射后的信号；利用超声波发射-接收时间差、超声波入射角、超声波发射器和超声波接收器的几何位置，可以计算得到相应反射面相对于防热层内表面的厚度，由相邻层厚度差即可计算得到防热层中不同分层的厚度，另外由防热层初始厚度减去防热层的现厚度可以得到防热层外表面的烧蚀后退量。
进一步地，所述的入射角θ为[15°，75°]，所述的超声波阵列呈k×(1+N)矩形分布，其中第一列为超声波发射器，剩下N列为超声波接收器；k≥1，N≥5。
其中，入射角θ为发出的超声波与防热层的内表面法向之间的夹角；入射角越小，超声波的穿透性越好，能够穿透的层数越多，但是反射性不好，在不同层界面的反射强度较弱，接收器有可能接收不到反射信号；因此，将入射角θ保持在[15°，75°]之间，并根据防热层结构尺寸、组分、使用环境等选择一个最优角度，以保证超声波信号能够穿透所有层到达外表面，并且超声波接收器能够正常接收到反射信号。将超声波接收器至少设置5个，便于在接收信号后进行拟合，计算相应的分层的厚度。
进一步地，所述超声波发射器发射的超声波为纵波，所述超声波接收器只接收反射后的纵波。
进一步地，所述信号强度函数拟合步骤如下所示：
所述超声波阵列中第k个发射器记为Tk，发射器超声波速度矢量与防热层内表面法向夹角为θk，第k行第i个超声波接收器记为Rki，i∈{1,2,…，N}，第i列与超声波发射器列之间的距离记为xi，从超声波发射器Tk发射超声波到超声波接收器Rki接收到反射信号的时间记为Δtki，反射信号强度记为Aki；
在超声波发射器Tk发射一次脉冲超声波后，根据防热层组分不同、温度分布不同，防热层形成P层，超声波接收器Rki接收到P次纵波反射信号，即Δtki，Aki均为数组，则
所述超声波脉冲信号间隔时间为ΔT，满足以下关系：
所述超声波接收器Rki接收到的每一次反射信号强度为接收器位置坐标xi的函数，采用最小二乘法拟合得到反射信号强度函数A(x)：
Aj(x)＝ajx2+bjx+cj,j∈{1,2,…j…,P}
其中aj、bj、cj为拟合得到的常数。
进一步地，防热层的总厚度h(t)由以下公式计算得到：a1、b1为时间为t(t＞0)时，第1层外表面反射信号拟合得到的函数中的常数。
进一步地，第j层的厚度hj(t)由以下公式计算得到： aj、bj为时间为t(t＞0)时，第j层表面反射信号拟合得到的函数中的常数；aj+1、bj+1为时间为t(t＞0)时，第j+1层外表面反射信号拟合得到的函数中的常数，其中，1≤j≤P-1。
进一步地，第P层的厚度hP(t)由以下公式计算得到： aP、bP为时间为t(t＞0)时，第P层外表面反射信号拟合得到的函数中的常数。
进一步地，所述超声波发射器的超声波发射频率为f：
其中，vj为超声波在防热层第j层中的传播速度；dj为防热层第j层的微孔孔径均值，σj为孔径标准差。
在进行设置时，超声波发射器和超声波接收器的谐振频率、机械品质、声阻抗等主要参数保持一致。
进一步地，所述防热层包括但不限于由石英酚醛材料、碳酚醛材料、碳石英材料、石英/石英材料、石英/氮化硅材料、氮化硅/氮化硅材料、碳/碳化硅材料或碳/碳材料制成。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明采用超声波作为检测源，不需要在防热层上开孔，可以适用于大部分防热材料；超声波遇到密度或者状态变化较大的界面会发生强烈反射，因此可以准确测量防热层在高温作用下产生的不同层的厚度；进而计算准确计算烧蚀后退量。
2、本发明的烧蚀后退量测试中未引入其它材料，防热层烧蚀量测量不存在异质材料烧蚀不同步性问题，测量精度高。
3、本发明可广发应用于航天飞行器烧蚀结构内部分层厚度和表面烧蚀后退量的测量。
附图说明
图1是本发明的实施例1中t＝0时，超声波发射和界面反射路线；
图2是本发明的实施例1中t＝120s时，超声波发射和界面反射路线；
图3是本发明的实施例2中t＝0时，超声波发射和界面反射路线；
图4是本发明的实施例2中t＝60s时，超声波发射和界面反射路线；
图中：1-第1层，2-第2层，3-第3层，4-第4层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
一种基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法，包括超声波阵列，所述超声波阵列布置在防热层的内表面，所述超声波阵列由一列超声波发射器和多列超声波接收器组成，每个超声波发射器由防热层的内表面向外表面发射超声波，所述超声波的入射角为θ；
所述超声波阵列中每一行的超声波发射器和超声波接收器分布在同一条直线上，所述超声波阵列中每一列的超声波发射器和超声波接收器随型分布于防热层内表面；
所述防热层在高温作用下发生分解、碳化、熔化等化学或物理变化，由外到内依次形成组分或状态差异明显的P层(P≥1)，由外到内依次命名为第1层、第2层、…、第j层、…第P层，所述防热层的总厚度为h(t)，第1层的厚度、第2层的厚度、…、第j层的厚度、…第P层的厚度分别为h1(t)、h2(t)、...、hj(t)、…、hP(t)，其中t为时间，h(t)＝h1(t)+h2(t)+…+hj(t)+…+hP(t)；
所述的无损测量方法包括以下步骤：
采用脉冲发射模式，超声波发射器将超声波由防热层内表面发射到防热层外表面，超声波发射器每发射一次超声波信号，该超声波先后依次在第P层的外表面、…第j层的外表面、…第2层的外表面以及第1层的外表面进行反射且被超声波接收器接收；超声波接收器根据其坐标以及接收到的信号强度分别拟合得到不同层反射的信号强度函数，根据该函数计算得到反射信号最强的位置，为超声波反射波最强接收位置；最后由发射位置、反射位置和最强接收位置组成等腰三角形，根据三角公式计算得到三角形高度，由相邻层高度之差即可获得相应层的厚度；根据不同时刻防热层厚度计算防热层外表面的烧蚀后退量为Δh(t)，Δh(t)＝h(0)-h(t)，其中h(0)为t＝0时刻的防热层厚度，即防热层初始厚度。
随着飞行器的飞行，防热层的整体的温度升高，部分材料发生热解、碳化和熔化等物理化学变化，从而形成组分或状态差异明显的P层，由外到内分别命名为第1层、第2层、…、第j层、…第P层，最内部的第P层为原始层，即未发生任何化学或物理变化的防热层；超声波在由防热层内表面传播到外表面时，在密度或状态变化明显的固-固、固-液、固-气界面发生反射，反射的超声波由多个超声波接收器共同接收，由于超声波的传递需要时间，因此同一个超声波接收器先后接收到的信号分别是由内到外不同层界面反射后的信号；利用超声波发射-接收时间差、超声波入射角、超声波发射器和超声波接收器的几何位置，可以计算得到相应反射面相对于防热层内表面的厚度，由相邻层厚度差即可计算得到防热层中不同分层的厚度，另外由防热层初始厚度减去防热层的现厚度可以得到防热层外表面的烧蚀后退量。
进一步地，所述的入射角θ为[15°，75°]，所述的超声波阵列呈k×(1+N)矩形分布，其中第一列为超声波发射器，剩下N列为超声波接收器；k≥1，N≥5。
其中，入射角θ为发出的超声波与防热层的内表面法向之间的夹角；入射角越小，超声波的穿透性越好，能够穿透的层数越多，但是反射性不好，在不同层界面的反射强度较弱，接收器有可能接收不到反射信号；因此，将入射角θ保持在[15°，75°]之间，并根据防热层结构尺寸、组分、使用环境等选择一个最优角度，以保证超声波信号能够穿透所有层到达外表面，并且超声波接收器能够正常接收到反射信号。将超声波接收器至少设置5个，便于在接收信号后进行拟合，计算相应的分层的厚度。
进一步地，所述超声波发射器发射的超声波为纵波，所述超声波接收器只接收反射后的纵波。
进一步地，所述信号强度函数拟合步骤如下所示：
所述超声波阵列中第k个发射器记为Tk，发射器超声波速度矢量与防热层内表面法向夹角为θk，第k行第i个超声波接收器记为Rki，i∈{1,2,…，N}，第i列与超声波发射器列之间的距离记为xi，从超声波发射器Tk发射超声波到超声波接收器Rki接收到反射信号的时间记为Δtki，反射信号强度记为Aki；
在超声波发射器Tk发射一次脉冲超声波后，根据防热层组分不同、温度分布不同，防热层形成P层，超声波接收器Rki接收到P次纵波反射信号，即Δtki，Aki均为数组，则
所述超声波脉冲信号间隔时间为ΔT，满足以下关系：
所述超声波接收器Rki接收到的每一次反射信号强度为接收器位置坐标xi的函数，采用最小二乘法拟合得到反射信号强度函数A(x)：
Aj(x)＝ajx2+bjx+cj,j∈{1,2,…j…,P}
其中aj、bj、cj为拟合得到的常数。
进一步地，防热层的总厚度h(t)由以下公式计算得到：a1、b1为时间为t(t＞0)时，第1层外表面反射信号拟合得到的函数中的常数。
进一步地，第j层的厚度hj(t)由以下公式计算得到： aj、bj为时间为t(t＞0)时，第j层表面反射信号拟合得到的函数中的常数；aj+1、bj+1为时间为t(t＞0)时，第j+1层外表面反射信号拟合得到的函数中的常数，其中，1≤j≤P-1。
进一步地，第P层的厚度hP(t)由以下公式计算得到： aP、bP为时间为t(t＞0)时，第P层外表面反射信号拟合得到的函数中的常数。
进一步地，所述超声波发射器的超声波发射频率为f：
其中，vj为超声波在防热层第j层中的传播速度；dj为防热层第j层的微孔孔径均值，σj为孔径标准差。
在进行设置时，超声波发射器和超声波接收器的谐振频率、机械品质、声阻抗等主要参数保持一致。
进一步地，所述防热层包括但不限于由石英酚醛材料、碳酚醛材料、碳石英材料、石英/石英材料、石英/氮化硅材料、氮化硅/氮化硅材料、碳/碳化硅材料或碳/碳材料制成。
实施例1：
本实施例中的防热层由石英酚醛材料制成；其中，超声波入射角θ为45°；所述超声波阵列为5*(1+5)矩形阵列，包含一列超声波发射器和5列超声波接收器，其中，每行中的超声波发射器和超声波接收器位于同一直线，相邻的超声波发射器和超声波接收器之间的间距、两个超声波接收器之间的间距不同；
石英酚醛材料制备的防热层随着温度升高，部分材料发生热解、碳化和熔化等物理化学变化，从而形成组分或状态差异明显的四层，即该实施例中P＝4；由内到外依次为原始层(第4层)、热解层(第3层)、碳化层(第2层)和熔融层(第1层)；其中原始层是指防热层材料未发生化学变化的区域；热解层是指防热层中酚醛树脂等有机物在高温下发生热解，释放多种小分子的区域，热解层密度会随着温度升高而逐渐降低；碳化层是指防热层中酚醛树脂等有机物在更高的温度下发生碳化、其主要残留物为碳，其密度基本不再随着温度升高而发生变化的区域；熔融层是指防热层中石英组分在高温作用下发生熔化，形成液态层并且附着在防热层外表面的部分。
在本实施例中，采用石英酚醛材料制备防热层并结合多次实验计算得到，
因此，超声波发射器的谐振频率f为：
28.8MHz≤f≤39.6MHz
在本实施例中f具体为35MHz。
一、测量防热层初始厚度h(0)
当t＝0时，超声波发射器发射第一次超声波信号，因此时防热层还未发生化学和物理变化，因此无熔融层、碳化层和热解层，此时超声波接收器仅接收到一次信号；如图1给出了t＝0时，超声波发射和界面反射路线，该超声波仅在防热层的外表面进行一次反射；
所述超声波阵列中第1个发射器记为T1，发射器超声波速度矢量与防热层内表面法向夹角为θ1，为45°，第1行第i个超声波接收器记为R1i，i∈{1,2,…，5}，第i列与超声波发射器列之间的距离记为xi，从超声波发射器T1发射超声波到超声波接收器R1i接收到反射信号的时间记为Δt1i，反射信号强度记为A1i；
在超声波发射器T1发射一次脉冲超声波后，超声波接收器R1i接收到一次反射信号，所述超声波接收器R1i接收到的反射信号强度为超声波接收器位置坐标xi的函数，超声波接收器的位置坐标以及接收的超声波信号强度如表1所示：
表1
| 超声波接收器编号 | 坐标/mm | 信号强度/dB |
| R11 | 25 | 63.45 |
| R12 | 32 | 82.81 |
| R13 | 45 | 87.17 |
| R14 | 50 | 78.49 |
| R15 | 60 | 42.34 |
采用最小二乘法拟合得到反射信号强度函数A(x)：
A(x)＝a1x2+b1x+c1＝-0.1198x2+9.5784x-101.12；
即，a1＝-0.1198，b1＝9.5784，c1＝-101.12。
根据反射波强度计算得到的与入射波对称的反射波示意图，根据反射定理，在该位置反射波强度最大，而左右两侧远离该位置的超声波接收器收到的超声波强度逐渐降低。据此原理，根据超声波接收器坐标及其接收到的超声波强度，可以拟合得到二次函数，并且根据函数计算得到超声波反射波最强接收位置位于二次函数对称轴上，其在内表面的位置坐标为-b1/2a1。
因此，防热层初始厚度
由此可得防热层的初始厚度h(0)为19.99mm。
二、测量t＝120s时，防热层的厚度以及各层的厚度
如图2给出了t＝120s时，超声波发射和界面反射路线，该超声波在原始层的外表面、热解层的外表面、碳化层的外表面和熔融层的外表面分别进行反射后被超声波接收器进行接收，则每个超声波接收器分别接收四次纵波信号。
在超声波发射器Tk发射一次脉冲超声波后，超声波接收器Rki接收到四次纵波反射信号，即Δtki，Aki均为数组，则 k，i∈{1,2,…，5}。
所述超声波脉冲信号间隔时间为ΔT，满足以下关系：
本实施例中，第5列距离超声波发射器最远，其接收到的第四次纵波反射信号时间最长，即因此，超声波发射间隔设置为ΔT＝50μs。
本实施例中，Rki超声波接收器的位置坐标以及接收的超声波信号强度如表2所示：
表2
采用最小二乘法拟合得到反射信号强度函数A(x)：
Aj(x)＝ajx2+bjx+cj,j∈{1,2,3,4}
其中aj、bj、cj为拟合得到的常数。
从而得到以下的的反射信号强度函数：
(1)根据超声波接收器的坐标以及第四次接收的信号强度，拟合得到熔融层外表面的反射信号强度函数为：
A1(x)＝a1x2+b1x+c1＝-0.0196x2+1.4x+11.11；
其中，a1＝-0.0196，b1＝1.4，c1＝11.11；
发射位置、反射位置和最强接收位置组成等腰三角形，发射位置、反射位置和最强接收位置的坐标可知，根据三角公式计算得到三角形高度，此时，该高度为熔融层外表面到防热层内表面的厚度，记为d：
(2)根据超声波接收器的坐标以及第三次接收的信号强度，拟合得到碳化层外表面的反射信号强度函数为：
A2(x)＝a2x2+b2x+c2＝-0.0244x2+1.6877x+25.281；
其中，a2＝-0.0244，b2＝1.6877，c2＝25.281；
发射位置、反射位置和最强接收位置组成等腰三角形，发射位置、反射位置和最强接收位置的坐标可知，根据三角公式计算得到三角形高度，此时，该高度为碳化层外表面到防热层内表面的厚度，记为d1：
(3)根据超声波接收器的坐标以及第二次接收的信号强度，拟合得到热解层外表面的反射信号强度函数为：
A3(x)＝A3x2+b3x+c3＝-0.0269x2+1.5249x+50.69；
其中，a3＝-0.0269，b3＝1.5249，c3＝50.69；
发射位置、反射位置和最强接收位置组成等腰三角形，发射位置、反射位置和最强接收位置的坐标可知，根据三角公式计算得到三角形高度，此时，该高度为热解层外表面到防热层内表面的厚度，记为d2：
(4)根据超声波接收器的坐标以及第一次接收的信号强度，拟合得到原始层外表面的反射信号强度函数为：
A4(x)＝a4x2+b4x+c4＝-0.0188x2+0.6379x+85.598；
其中，a4＝-0.0188，b4＝0.6379，c4＝85.598；
发射位置、反射位置和最强接收位置组成等腰三角形，发射位置、反射位置和最强接收位置的坐标可知，根据三角公式计算得到三角形高度，此时，该高度为原始层外表面到防热层内表面的厚度，记为d3：
因此，由以上的计算公式可知：
防热层的总厚度h(120)：
熔融层的厚度h1(120)：
碳化层的厚度h2(120)：
热解层的厚度h3(120)：
原始层的厚度h4(10)：
则此时的烧蚀后退量Δh(t)由以下公式计算得到：Δh(120)＝h(0)-h(120)＝2.13mm。
实施例2：
本实施例中的防热层由碳石英材料制成；其中，超声波入射角θ为30°；所述超声波阵列为5*(1+7)矩形阵列，包含一列超声波发射器和7列超声波接收器，其中，每行中的超声波发射器和超声波接收器位于同一直线，相邻的超声波发射器之间的间距不同，相邻两列超声波接收器之间的间距相同；
碳石英材料制备的防热层随着温度升高，部分材料发生熔化，从而形成组分或状态差异明显的两层，即该实施例中P＝2；由内到外依次为原始层(第2层)和熔融层(第1层)；其中原始层是指防热层材料未发生化学变化的区域；熔融层是指防热层中石英组分在高温作用下发生熔化，形成液态层并且附着在防热层外表面。
在本实施例中，采用碳石英材料制备防热层并结合多次实验计算得到，
因此，超声波发射器的谐振频率f为：
29.6MHz≤f≤46.4MHz
在本实施例中f具体为36MHz。
一、测量防热层初始厚度h(0)
当t＝0时，超声波发射器发射第一次超声波信号，因此时防热层还未发生化学和物理变化，因此无熔融层，此时超声波接收器仅接收到一次信号；如图3给出了t＝0时，超声波发射和界面反射路线，该超声波仅在防热层的外表面进行一次反射；
所述超声波阵列中第3个发射器记为T3，发射器超声波速度矢量与防热层内表面法向夹角为θ3，为30°，第3行第i个超声波接收器记为R3i，i∈{1,2,…，7}，第i列与超声波发射器列之间的距离记为xi，从超声波发射器T3发射超声波到超声波接收器R3i接收到反射信号的时间记为Δt3i，反射信号强度记为A3i；
在超声波发射器T3发射一次脉冲超声波后，超声波接收器R3i接收到一次反射信号，所述超声波接收器R3i接收到的反射信号强度A3i为超声波接收器位置坐标xi的函数，超声波接收器的位置坐标以及接收的超声波信号强度如表3所示：
表3
| 超声波接收器编号 | 坐标/mm | 信号强度/dB |
| R31 | 13.39 | 58.82 |
| R32 | 16.39 | 72.35 |
| R33 | 19.39 | 80.19 |
| R34 | 22.39 | 79.07 |
| R35 | 25.39 | 72.27 |
| R36 | 28.39 | 57.31 |
| R37 | 31.39 | 35.69 |
采用最小二乘法拟合得到反射信号强度函数A(x)：
A(x)＝a1x2+b1x+c1＝-0.3982x2+16.556x-91.612；
即，a1＝-0.3982，b1＝16.556，c1＝-91.612。
根据反射波强度计算得到的与入射波对称的反射波示意图，根据反射定理，在该位置反射波强度最大，而左右两侧远离该位置的超声波接收器收到的超声波强度逐渐降低。据此原理，根据超声波接收器坐标及其接收到的超声波强度，可以拟合得到二次函数，并且根据方程计算得到超声波反射波最强接收位置位于二次函数对称轴上，其在内表面的位置坐标为-b1/2a1。
因此，防热层初始厚度
由此可得防热层的初始厚度h(0)为18mm。
二、测量t＝60s时，防热层的厚度以及各层的厚度
如图4给出了t＝60s时，超声波发射和界面反射路线，该超声波在原始层的外表面和熔融层的外表面分别进行反射后被超声波接收器进行接收，则每个超声波接收器分别接收2次纵波信号。
在超声波发射器Tk发射一次脉冲超声波后，超声波接收器Rki接收到两次纵波反射信号，即Δtki，Aki均为数组，则k∈{1,2,…，5}，i∈{1,2,…，7}。
所述超声波脉冲信号间隔时间为ΔT，满足以下关系：
本实施例中，第7列距离超声波发射器最远，其接收到的第2次纵波反射信号时间最长，即因此，超声波发射间隔设置为ΔT＝30μs。
本实施例中，第三行超声波接收器R3i的位置坐标以及接收的超声波信号强度如表4所示：
表4
采用最小二乘法拟合得到反射信号强度函数A(x)：
Aj(x)＝ajx2+bjx+cj,j∈{1,2}
其中aj、bj、cj为拟合得到的常数。
从而得到以下的的反射信号强度函数：
(1)根据超声波接收器的坐标以及第2次接收的信号强度，拟合得到熔融层外表面的反射信号强度函数为：
A1(x)＝a1x2+b1x+c1＝-0.4401x2+16.307x-63.426；
其中，a1＝-0.4401，b1＝16.307，c1＝-63.426；
发射位置、反射位置和最强接收位置组成等腰三角形，发射位置、反射位置和最强接收位置的坐标可知，根据三角公式计算得到三角形高度，此时，该高度为熔融层外表面到防热层内表面的厚度，记为d：
(2)根据超声波接收器的坐标以及第1次接收的信号强度，拟合得到原始层外表面的反射信号强度函数为：
A2(x)＝a2x2+b2x+c2＝-0.4022x2+14.427x-38.827；
其中，a2＝-0.4022，b2＝14.427，c2＝-38.827；
发射位置、反射位置和最强接收位置组成等腰三角形，发射位置、反射位置和最强接收位置的坐标可知，根据三角公式计算得到三角形高度，此时，该高度为原始层外表面到防热层内表面的厚度，记为d1：
因此，由以上的计算公式可知：
防热层的总厚度h(60)：
熔融层的厚度h1(60)：
原始层的厚度h2(60)：
则此时的烧蚀后退量Δh(t)由以下公式计算得到：Δh(60)＝h(0)-h(60)＝18-16.04＝1.96mm。
当防热层的材料更换为其他的材料进行制备时，其计算原理同以上两个实施例。
以上对本发明的具体实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法，其特征在于，包括超声波阵列，所述超声波阵列布置在防热层的内表面，所述超声波阵列由一列超声波发射器和多列超声波接收器组成，每个超声波发射器由防热层的内表面向外表面发射超声波，所述超声波的入射角为θ；
所述超声波阵列中每一行的超声波发射器和超声波接收器分布在同一条直线上，所述超声波阵列中每一列的超声波发射器和超声波接收器随型分布于防热层内表面；
所述防热层在高温作用下发生分解、碳化或熔化，由外到内依次形成组分或状态差异明显的P层，由外到内依次命名为第1层、第2层、…、第j层、…第P层，所述防热层的总厚度为h(t)，第1层的厚度、第2层的厚度、…、第j层的厚度、…第P层的厚度分别为h1(t)、h2(t)、...、hj(t)、…、hP(t)，其中t为时间，h(t)＝h1(t)+h2(t)+…+hj(t)+…+hP(t)；
所述的无损测量方法包括以下步骤：
采用脉冲发射模式，超声波发射器将超声波由防热层内表面发射到防热层外表面，超声波发射器每发射一次超声波信号，该超声波先后依次在第P层的外表面、…第j层的外表面、…第2层的外表面以及第1层的外表面进行反射且被超声波接收器接收；超声波接收器根据其坐标以及接收到的信号强度分别拟合得到不同层反射的信号强度函数，根据该函数计算得到反射信号最强的位置，为超声波反射波最强接收位置；最后由发射位置、反射位置和最强接收位置组成等腰三角形，根据三角公式计算得到三角形高度，由相邻层高度之差即可获得相应层的厚度；根据不同时刻防热层厚度计算防热层外表面的烧蚀后退量为Δh(t)，Δh(t)＝h(0)-h(t)，其中h(0)为t＝0时刻的防热层厚度，即防热层初始厚度。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法，其特征在于：所述的入射角θ为[15°，75°]，所述的超声波阵列呈k×(1+N)矩形分布，其中第一列为超声波发射器，剩下N列为超声波接收器；k≥1，N≥5。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法，其特征在于：所述超声波发射器发射的超声波为纵波，所述超声波接收器只接收反射后的纵波。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法，其特征在于：所述信号强度函数拟合步骤如下所示：
所述超声波阵列中第k个发射器记为Tk，发射器超声波速度矢量与防热层内表面法向夹角为θk，第k行第i个超声波接收器记为Rki，i∈{1,2,…，N}，第i列与超声波发射器列之间的距离记为xi，从超声波发射器Tk发射超声波到超声波接收器Rki接收到反射信号的时间记为Δtki，反射信号强度记为Aki；
在超声波发射器Tk发射一次脉冲超声波后，根据防热层组分不同、温度分布不同，防热层形成P层，超声波接收器Rki接收到P次纵波反射信号，即Δtki，Aki均为数组，则
所述超声波脉冲信号间隔时间为ΔT，满足以下关系：
所述超声波接收器Rki接收到的每一次反射信号强度为接收器位置坐标xi的函数，采用最小二乘法拟合得到反射信号强度函数A(x)：
Aj(x)＝ajx2+bjx+cj,j∈{1,2,…,P}
其中aj、bj、cj为拟合得到的常数。
5.根据权利要求4所述的一种基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法，其特征在于：防热层的总厚度h(t)由以下公式计算得到：a1、b1为时间为t时，第1层外表面反射信号拟合得到的函数中的常数。
6.根据权利要求4所述的一种基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法，其特征在于：第j层的厚度hj(t)由以下公式计算得到：aj、bj为时间为t时，第j层表面反射信号拟合得到的函数中的常数；aj+1、bj+1为时间为t时，第j+1层外表面反射信号拟合得到的函数中的常数，其中，1≤j≤P-1。
7.根据权利要求4所述的一种基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法，其特征在于：第P层的厚度hP(t)由以下公式计算得到：aP、bP为时间为t时，第P层外表面反射信号拟合得到的函数中的常数。
8.根据权利要求1所述的一种基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法，其特征在于：所述超声波发射器的超声波发射频率为f：
其中，vj为超声波在防热层第j层中的传播速度；dj为防热层第j层的微孔孔径均值，σj为孔径标准差。
9.根据权利要求1所述的一种基于超声波的分层厚度及表面烧蚀后退量的无损测量方法，其特征在于：所述防热层由石英酚醛材料、碳酚醛材料或碳石英材料制成。
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