CN115950916A - 一种物体表面热流密度检测方法、装置以及设备 - Google Patents

一种物体表面热流密度检测方法、装置以及设备 Download PDF

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CN115950916A CN202310241424.6A CN202310241424A CN115950916A CN 115950916 A CN115950916 A CN 115950916A CN 202310241424 A CN202310241424 A CN 202310241424A CN 115950916 A CN115950916 A CN 115950916A
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Abstract

本发明具体涉及热测试技术，具体公开了一种物体表面热流密度检测方法、装置以及设备，该方法包括设定物体待测面上热流随时间变化的初步热流密度函数；采集物体待测面的初始温度和超声波传播时长；根据初始温度和初步热流密度函数，确定理论超声波传播时长；若是超声波传播时长和理论超声波传播时长之间的差异较小，则该初步热流密度函数即为物体待测面的热流密度函数；否则对初步热流密度函数进行调整，并重新按照上述方式确定该初步热流密度函数是否准确，直到获得准确的热流密度函数。本申请无需对物体结构进行破坏及其他任何处理，且超声波信号仅仅在物体内部传播，避免外部环境的干扰，降低热流密度的测量难度且保证热流密度函数的准确性。

Description

一种物体表面热流密度检测方法、装置以及设备
技术领域
本发明涉及物体表面热流密度检测技术领域，特别是涉及一种物体表面热流密度检测方法、装置以及设备。
背景技术
日常生产生活中，热量的传递现象广泛存在；温度和表面热流密度是热测试中最为常见的参数，其中，温度表征物体的冷热程度，表面热流密度则表示热量传递的大小和方向。表面热流密度的测量对物体热设计和性能评估都有着重要意义。
目前，物体表面热流密度的测量可分为接触式测热技术和非接触测热技术。接触式测热技术需要将传感器内埋或者嵌入到物体内部。“内埋式”传感器需要对物体内部进行打孔，会导致物体内部出现局部温度变化或应力集中等问题；“嵌入式”传感器由于物体本体和传感器之间存在物性差异，导致物体表面温度不均匀进而引起的“热匹配”问题（如冷点效应）和开孔后的结构补强、缝隙密封等“结构匹配”问题。而对于相变热图、液晶热图、温敏漆等非接触测热技术虽可实现表面热流的非接触测量，但存在工艺要求高、表面喷涂物影响表面性能等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种物体表面热流密度检测方法、装置、设备，在无需破坏被测物体结构的基础上实现被测物体表面热流密度的简单准确的检测。
为了解决上述技术问题，本申请公开了一种物体表面热流密度检测方法，包括：
设定物体待测面上热流随时间变化的初步热流密度函数；
采集所述物体待测面的初始温度和超声波传播时长，其中，所述超声波传播时长为超声波信号被发射到物体内部传播被所述物体待测面反射后传播至被接收的过程所经过的时长；
根据所述初始温度和所述初步热流密度函数，确定所述物体内部的温度分布函数，并根据所述温度分布函数确定理论超声波传播时长；
判断所述超声波传播时长和所述理论超声波传播时长之间的差异是否小于设定差异；
若是，则以所述初步热流密度函数作为所述物体待测面的热流密度函数；
若否，则对所述初步热流密度函数进行优化更新，并以新的初步热流密度函数重新执行采集所述物体待测面的初始温度和超声波传播时长的步骤，直到获得所述物体待测面的热流密度函数。
可选地，根据所述初始温度和所述初步热流密度函数，确定所述物体内部的温度分布函数，包括：根据边界条件
Figure SMS_1
和初始条件
Figure SMS_5
对所述物体内部满足的热传导方程
Figure SMS_9
进行求解，确定所述物体内部的温度分布函数
Figure SMS_4
；其中，
Figure SMS_8
为所述物体的密度；
Figure SMS_11
为所述物体的比热容；
Figure SMS_13
为所述物体的导热系数；
Figure SMS_2
为所述初步热流密度函数；
Figure SMS_6
为时间；
Figure SMS_10
为所述物体内沿所述超声波信号传播方向上的位置点坐标；
Figure SMS_12
为所述物体沿所述超声波信号传播方向上的厚度，且
Figure SMS_3
；
Figure SMS_7
为所述初始温度。
可选地，根据所述温度分布函数确定理论超声波传播时长，包括：根据所述超声波信号在所述物体内部传播满足的关系式
Figure SMS_14
，确定所述理论超声波传播时长
Figure SMS_15
；其中，
Figure SMS_16
为超声波在所述物体内随温度变化的传播速度；
Figure SMS_17
为所述物体内部的温度分布函数，
Figure SMS_18
和
Figure SMS_19
均为预先标定的常系数。
可选地，采集所述超声波传播时长的过程包括：
按照设定时间间隔连续采集多个所述超声波传播时长；
判断所述超声波传播时长和所述理论超声波传播时长之间的差异是否小于设定差异，包括：判断各个所述超声波传播时长和对应的所述理论超声波传播时长是否满足使得收敛判据
Figure SMS_20
收敛；其中，
Figure SMS_21
为所述理论超声波传播时长，
Figure SMS_22
为所述超声波传播时长，
Figure SMS_23
为最后一个超声波传播时长的采样时间点；
Figure SMS_24
为收敛半径。
可选地，设定物体待测面上热流随时间变化的初步热流密度函数，包括：
按照预设时间间隔连续多次采集所述物体待测面的温度数据；
根据随时间变化的所述温度数据，确定所述初步热流密度函数。
一种物体表面热流密度检测装置，包括：
函数设定模块，用于设定物体待测面上热流随时间变化的初步热流密度函数；
数据采集模块，用于采集所述物体待测面的初始温度和超声波传播时长，其中，所述超声波传播时长为超声波信号被发射到物体内部传播被所述物体待测面反射后传播至被接收的过程所经过的时长；
数据运算模块，用于根据所述初始温度和所述初步热流密度函数，确定所述物体内部的温度分布函数，并根据所述温度分布函数确定理论超声波传播时长；
数据对比模块，用于判断所述超声波传播时长和所述理论超声波传播时长之间的差异是否小于设定差异；若是，则以所述初步热流密度函数作为所述物体待测面的热流密度函数；若否，则对所述初步热流密度函数进行优化更新，并以新的初步热流密度函数重新执行采集所述物体待测面的初始温度和超声波传播时长的步骤，直到获得所述物体待测面的热流密度函数。
可选地，所述数据运算模块具体用于根据边界条件
Figure SMS_28
和初始条件
Figure SMS_30
对所述物体内部满足的热传导方程
Figure SMS_34
进行求解，确定所述物体内部的温度分布函数
Figure SMS_27
；其中，
Figure SMS_32
为所述物体的密度；
Figure SMS_35
为所述物体的比热容；
Figure SMS_37
为所述物体的导热系数；
Figure SMS_25
为所述初步热流密度函数；
Figure SMS_29
为时间；
Figure SMS_33
为所述物体内沿所述超声波信号传播方向上的位置点坐标；
Figure SMS_36
为所述物体沿所述超声波信号传播方向上的厚度，且
Figure SMS_26
；
Figure SMS_31
为所述初始温度。
可选地，所述数据运算模块具体用于根据所述超声波信号在所述物体内部传播满足的关系式
Figure SMS_38
，确定所述理论超声波传播时长
Figure SMS_39
；其中，
Figure SMS_40
为超声波在所述物体内随温度变化的传播速度；
Figure SMS_41
为所述物体内部的温度分布函数，
Figure SMS_42
和
Figure SMS_43
均为预先标定的常系数。
一种物体表面热流密度检测设备，包括：
用于产生超声波信号的信号发生器；
和所述信号发生器相连接，用于向物体内发射所述超声波信号，并接收经过物体待测面反射后传播的所述超声波信号的超声波探针；
用于检测所述物体待测面的初始温度的温度传感器；
和所述超声波探针以及所述温度传感器相连接的处理器，用于根据所述初始温度以及所述超声波探针向所述物体发射所述超声波信号和接收所述超声波信号之间的超声波传播时长，执行如上任一项所述的物体表面热流密度检测方法。
可选地，所述超声波探针还连接有增益模块，用于对所述超声波信号进行增强处理。
本发明所提供的一种物体表面热流密度检测方法、装置以及设备，该方法包括设定物体待测面上热流随时间变化的初步热流密度函数；采集物体待测面的初始温度和超声波传播时长，其中，超声波传播时长为超声波信号被发射到物体内部传播被物体待测面反射后传播至被接收的过程所经过的时长；根据初始温度和初步热流密度函数，确定物体内部的温度分布函数，并根据温度分布函数确定理论超声波传播时长；判断超声波传播时长和理论超声波传播时长之间的差异是否小于设定差异；若是，则以初步热流密度函数作为物体待测面的热流密度函数；若否，则对初步热流密度函数进行优化更新，并以新的初步热流密度函数重新执行采集物体待测面的初始温度和超声波传播时长的步骤，直到获得物体待测面的热流密度函数。
本申请中在对物体表面热流密度进行检测过程中，采集超声波信号发射至物体内传播并被物体待测面反射传播后被接收这一过程中的超声波传播时长；在此基础上，设定一个初步热流密度函数，并基于该初步热流密度函数推导出超声波信号理论上在该物体内传播的理论超声波传播时长；显然，若是该设定的初步热流密度函数准确，则该理论超声波传播时长应当和实际的超声波传播时长相同或近似，由此反演调整该初步热流密度函数，最终获得能够正确表征物体表面热流密度的热流密度函数。
综上所述，本申请中无需对物体结构进行破坏以及对物体进行其他任何处理，且超声波信号仅仅只在物体这一单一材料内部进行传播，能够避免外部环境的干扰，即降低了热流密度的测量难度又保证了热流密度函数的可靠性。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的物体表面热流密度检测方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的物体表面热流密度检测设备的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的物体表面热流密度检测装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，图1为本申请实施例提供的物体表面热流密度检测方法的流程示意图；图2为本申请实施例提供的物体表面热流密度检测设备的结构示意图。
在本申请的一种具体实施例中，该物体表面热流密度检测方法可以包括：
S11：设定物体待测面上热流随时间变化的初步热流密度函数。
对于需要测定某一特定表面的热流密度而言，在物体的材质、密度、尺寸等特性确定的情况下，其表面的热流密度所满足的变化规律可以大体预测，为此，也就可以大体上推断出热量密度所满足的随时间变化的热流密度函数，由此，可以先由工作人员的经验，或者是常规条件下热流密度一般所满足的热流密度函数作为物体待测面上的初步热流密度。在后续过程中可以通过对该初步热流密度函数的准确性进行验证从而反演调整初步热流密度函数中的系数或结构等等。
可选地，本实施例中还可以包括按照预设时间间隔连续多次采集物体待测面的温度数据；根据随时间变化的温度数据，确定初步热流密度函数。
对于物体待测面的热流密度变化和物体待测面的温度变化直接相关；为此，也可以在一段时间内连续检测物体待测面的温度数据，基于该物体待测面的温度数据变化规律，分析确定该物体待测面大致满足的热流密度函数。具体的分析方法可以依据热力学热传导规律进行分析运算，也可以通过计算机学习训练确定温度数据变化和热流密度函数之间的对应关系，进而推断出初步热流密度函数等，还可以是基于工作人员的实际经验而设定一个初步热流密度函数等，还有其他确定该物体待测面的初步热流密度函数的方式，本实施例中不一一列举。
S12：采集物体待测面的初始温度和超声波传播时长。
其中，超声波传播时长为超声波信号被发射到物体内部传播被物体待测面反射后传播至被接收的过程所经过的时长。
参照图2，图2中是以具有一定厚度的平板结构的物体10为例进行说明的，超声波信号被超声波探头21从物体10上背离物体待测面11的一侧表面发射入射至物体10内部并向物体待测面11传播；当超声波信号入射至物体待测面11时，被该物体待测面11反射后，又继续沿远来的路径返回并重新入射至超声波探头21所在位置而被接收，在这一过程中超声波探头21发出超声波信号和接收该超声波信号之间的时间差值也即是超声波传播时长。
对于物体10的材质、密度、比热容、尺寸等相关特性确定的条件下，这一超声波传播时长仅仅受物体10内部的温度场影响，且因为整个过程中超声波信号都是在物体10这一单一介质内部传播，也就不受不同材质之间热传递以及外部环境的影响，是的超声波传播时长的数据更为精准，后续以此作为确定物体待测面的热流密度函数也就更为精准。
此外，在图2所示的实施例中，是以物体10为一个平板结构的物体为例进行说明的，超声波探头21发射超声波信号的表面和物体待测面11之间相互平行，由此超声波探头21只需要垂直与其所接触的物体表面发射信号，即可保证超声波信号经过物体待测面11之后仍然按照远路径返回并重新被超声波探头21中的接收器所接收。
但是在实际应用中需要进行物体待测面的热流密度检测的物体并不必然是平板结构，也即是说物体上并不必然存在一个和物体待测面相互平行的表面。此时，超声波探头可以相对于其所接触的表面呈一定的入射角发射该超声波信号，保证该超声波信号在入射至物体内部之后的传播方向是垂直与物体待测面的，进而保证超声波经过物体待测面之后还能够沿原来的传播路径回传，进而在一定程度上降低超声波信号的检测难度。
当然，本申请中也并不排出超声波信号和物体待测面呈一定夹角的在物体内部传播，此时超声波信号入射至物体待测面被反射后，也就无法沿原来的路径返回传播，此时物体的发射和接收超声波信号的位置点也就不在同一位置点；由此超声波探针需要配置有两个，一个接收超声波信号一个输出超声波信号，最终也能够实现本申请的技术方案，但仅仅后续分析物体内部的温度分布更为复杂。此外，无论超声波信号在物体内的传播路径是怎样的，本申请中的超声波传播时长均是指超声波信号入射到物体内到超声波信号被接收到这一过程中的时长。
因为本申请中最终需要确定物体待测面的热流密度随时间的变化规律，由此对超声波信号在物体内部传播的超声波传播时长的检测，也应当持续一段时间内连续对超声波传播时长进行检测，进而显示出超声波传播时长随时间的变化规律。
为此在本申请的一种可选地实施例中，采集超声波传播时长的过程可以是按照设定时间间隔连续采集多个超声波传播时长。
设定对超声波传播时长进行检测的持续时间段为[0，
Figure SMS_44
]，也即是以t=0时刻作为超声波传播时长的初始采样时刻，向物体内发送超声波信号并测得一个超声波传播时长，在间隔设定时间间隔后，例如可以是t=1s的时刻点再次向物体内发送一个超声波信号并测得第二个超声波传播时长，以此类推，最终在最后一个时刻点t=
Figure SMS_45
时刻测得最后一个超声波传播时长。在[0，
Figure SMS_46
]的时间段内，可以采用脉冲回波法进行超声波传播时长的检测。热流密度测量精度要达到10%，超声波传播时长的采集精度需高于1ns，且对超声波进行接收的采样频率应大于1GHz。
此外，对于超声波探头输出的超声波信号的激发方式可为电磁超声、压电超声或激光超声。并且因为超声横波对温度的敏感性优于纵波，因此，激发和接收的超声波优先采用横波。
在进行超声波传播时长的检测的同时，还需要检测物体待测面的初始温度，需要说明的是，本实施例中所指的初始温度是指在t=0时刻第一次进行超声波传播时长检测时，对应的物体待测面的温度。
S13：根据初始温度和初步热流密度函数，确定物体内部的温度分布函数，并根据温度分布函数确定理论超声波传播时长。
在物体内部各个不同位置的温度遵循热传导方程，由此在本申请中的一种可选地实施例中，可以以此为依据，对物体内部的温度场分布进行推测。
可选地，在确定物体内的温度分布函数的过程可以包括：根据边界条件
Figure SMS_48
和初始条件
Figure SMS_54
对物体内部满足的热传导方程
Figure SMS_57
进行求解，确定物体内部的温度分布函数
Figure SMS_49
；其中，
Figure SMS_52
为物体的密度；
Figure SMS_55
为物体的比热容；
Figure SMS_58
为物体的导热系数；
Figure SMS_47
为初步热流密度函数；
Figure SMS_53
为时间；
Figure SMS_56
为物体内沿超声波信号传播方向上的位置点坐标；
Figure SMS_59
为物体沿超声波信号传播方向上的厚度，且
Figure SMS_50
；
Figure SMS_51
为初始温度。
需要说明的是，本实施例中所指的温度分布函数是指超声波信号在物体内部传播路径上的温度变化函数。由此，本实施例中以物体待测面反射超声波的位置点作为一维坐标的原点，以该原点指向超声波探头所在位置点为一维坐标轴的方向建立一维坐标系，设该超声波探头在物体上的探测位置点和物体待测面反射超声波的位置点之间的距离为L，由此超声波探头发射和接收超声波信号的位置的坐标即为L。
基于热力学常识可知，在物体内部沿一维坐标轴上的温度分布函数应当满足热传导方程：
Figure SMS_60
；其中，
Figure SMS_61
为物体的密度；
Figure SMS_62
为物体的比热容；
Figure SMS_63
为物体的导热系数。
而根据物体待测面的热流密度的定义，可以确定在坐标x=0的位置点，也即是温度分布函数
Figure SMS_64
的边界位置点应当满足边界条件
Figure SMS_65
，其中预先设定的初步热流密度函数即可作为
Figure SMS_66
。
在坐标x=L的位置点，因为整个检测过程中所经过的时长非常短，可以视为物体上该位置点在短时间内其并不存在热流变化，由此即存在物体上在坐标x=L的位置点满足边界条件
Figure SMS_67
。此外，在t=0这一时刻，还测得在x=0的位置点物体待测面上的初始温度
Figure SMS_68
。将结合上述边界条件和上述初始温度即可对热传导方程进行求解，即可获得温度分布函数
Figure SMS_69
。
需要说明的是，在实际应用中也并不必然依据上述热传递方程求解的方式确定该温度分布函数，例如还可以利用仿真技术对该物体内部的温度场进行仿真，进而确定出温度场分布；还可以采用一个和被测的物体材质相同、尺寸相同的试件和被测的物体至于同一环境中，并将试件内打孔，进而测得试件内部各个不同的位置点的温度分布情况，并由此确定出物体内部温度场分布和其物体待测面的温度数据之间的对应关系，基于该对应关系，在确定初始温度的基础上即可确定温度分布函数。当然，还可以有其他确定温度分布函数的方式，本实施例中不再一一列举。
此外，对于上述初始温度的检测，可以采用热像仪或者其他常规的测温方式确定，对此本实施例中不详细说明。
在确定出物体内的温度分布函数的基础上，超声波信号在物体内传播的速度和物体内的温度分布相关，为此，在基于初步热流密度函数确定出温度分布函数的基础上，即可间接推断出超声波信号在物体内理论上的超声波传播时长。
由此，在本申请的另一可选地实施例中，基于温度分布函数确定理论超声波传播时长的过程可以包括：根据超声波信号在物体内部传播满足的关系式
Figure SMS_70
，确定理论超声波传播时长
Figure SMS_71
；其中，
Figure SMS_72
为超声波在物体内随温度变化的传播速度；
Figure SMS_73
为物体内部的温度分布函数，
Figure SMS_74
和
Figure SMS_75
均为预先标定的常系数。
需要说明的是，超声波在固体内部的传播速度受到固体内部温度分布的影响。并且在各向同性介质中，该超声波的传播速度满足公式
Figure SMS_76
；其中
Figure SMS_77
为和温度相关的超声波传播速度，
Figure SMS_78
和
Figure SMS_79
均为常系数，其具体和固体也即是本实施例中的物体的材料物性相关，在实际应用中，可以针对需要测量的物体的材料物性进行试验标定进而预先确定出
Figure SMS_80
和
Figure SMS_81
的大小。
在此基础上，超声传播时长可视为超声传播速度在传播路径上的积分；在采用脉冲回波法进行超声波探测的过程中，则超声波传播时长即可表示为：
Figure SMS_82
。
由此基于上述公式，即可对每个超声波传播时长的检测时间点对应的理论超声传播时长进行求解。
可以理解的是，该
Figure SMS_83
是基于初步热流密度函数推导获得，由此该
Figure SMS_84
是基于初步热流密度函数确定的理论超声波传播时长，可以以该理论超声波传播时长和实际的超声波传播时长之间的差异大小评价该初步热流密度函数是否能够准确表征物体待测面的热流密度。
S14：判断超声波传播时长和理论超声波传播时长之间的差异是否小于设定差异，若是，则进入S15，若否，则进入S16。
基于上述论述，本实施例中所检测的超声传播时长包含有在一定时间段内以设定时间间隔检测的多个超声波传播时长；而基于初步热流密度函数，也可以相应的推导出每个超声波传播时长对应的同一采样时刻点的理论超声波传播时长，可以基于每个超声波传播时长和对应的理论超声波传播时长之间的偏差综合确定各个理论超声波传播时长整体的准确性。
由此在本申请的一种可选地实施例中，可以将各个超声波传播时长和对应的各个理论超声波传播时长代入收敛判据
Figure SMS_85
中；其中，
Figure SMS_86
为理论超声波传播时长，
Figure SMS_87
为超声波传播时长，
Figure SMS_88
为最后一个超声波传播时长的采样时间点；
Figure SMS_89
为收敛半径。
若是各个超声波传播时长和对应的各个理论超声波传播时长可以使得该收敛判据收敛，则可以认为各个超声波传播时长和对应的各个理论超声波传播时长之间基本相同，也即是说基于初步热流密度函数推断出的理论超声波传播时长和实际超声波传播时长基本相同，也就表明该初步热流密度函数能够表征该物体待测面的热流密度函数。
而若是各个超声波传播时长和对应的各个理论超声波传播时长可以不能够使得该收敛判据收敛，那么说明该初步热流密度函数所推断出的理论超声波传播时长不准确，也即是该初步热流密度函数不能表征物体待测面的热流密度。
S15：以初步热流密度函数作为物体待测面的热流密度函数。
S16：对初步热流密度函数进行优化更新，获得新的初步热流密度函数并进入S12。
在确定初步热流密度函数不准确的基础上，可以进一步地对该初步热流密度函数进行调整，例如可以采用共轭梯度法、遗传算法、顺序函数法等各种不同的优化算法中任意一种算法对该初步热流密度函数进行调整，总之尽可能采用效率较高的算法对初步热流密度函数进行优化更新即可，在获得优化更新后的初步热流密度函数，再重新根据上述S12至S16的过程即可，直到最终获得能够表征物体待测面的热流密度函数。
综上所述，本申请中在对物体表面热流密度进行检测过程中，设定一个初步热流密度函数，并基于该初步热流密度函数推导出超声波信号理论上在该物体内传播的理论超声波传播时长，与此同时，又利用超声波信号对实际的超声波传播时长进行检测，利用该理论超声波传播时长应当和实际的超声波传播时长相同或近似，由此反演调整该初步热流密度函数，最终获得能够正确表征物体表面热流密度的热流密度函数；在此过程中，无需对物体结构进行破坏以及对物体进行其他任何处理，且超声波信号仅仅只在物体这一单一材料内部进行传播，能够避免外部环境的干扰，即降低了热流密度的测量难度又保证了的热流密度函数的可靠性。
下面对本发明实施例提供的物体表面热流密度检测装置进行介绍，下文描述的物体表面热流密度检测装置与上文描述的物体表面热流密度检测方法可相互对应参照。
图3为本发明实施例提供的物体表面热流密度检测装置的结构框图，参照图3中物体表面热流密度检测装置可以包括：
函数设定模块100，用于设定物体待测面上热流随时间变化的初步热流密度函数；
数据采集模块200，用于采集所述物体待测面的初始温度和超声波传播时长，其中，所述超声波传播时长为超声波信号被发射到物体内部传播被所述物体待测面反射后传播至被接收的过程所经过的时长；
数据运算模块300，用于根据所述初始温度和所述初步热流密度函数，确定所述物体内部的温度分布函数，并根据所述温度分布函数确定理论超声波传播时长；
数据对比模块400，用于判断所述超声波传播时长和所述理论超声波传播时长之间的差异是否小于设定差异；若是，则以所述初步热流密度函数作为所述物体待测面的热流密度函数；若否，则对所述初步热流密度函数进行优化更新，并以新的初步热流密度函数重新执行采集所述物体待测面的初始温度和超声波传播时长的步骤，直到获得所述物体待测面的热流密度函数。
在本申请的一种可选地实施例中，所述数据运算模块300具体用于根据边界条件
Figure SMS_93
和初始条件
Figure SMS_97
对所述物体内部满足的热传导方程
Figure SMS_100
进行求解，确定所述物体内部的温度分布函数
Figure SMS_90
；其中，
Figure SMS_94
为所述物体的密度；
Figure SMS_98
为所述物体的比热容；
Figure SMS_101
为所述物体的导热系数；
Figure SMS_92
为所述初步热流密度函数；
Figure SMS_95
为时间；
Figure SMS_99
为所述物体内沿所述超声波信号传播方向上的位置点坐标；
Figure SMS_102
为所述物体沿所述超声波信号传播方向上的厚度，且
Figure SMS_91
；
Figure SMS_96
为所述初始温度。
在本申请的另一可选地实施例中，所述数据运算模块300具体用于根据所述超声波信号在所述物体内部传播满足的关系式
Figure SMS_103
，确定所述理论超声波传播时长
Figure SMS_104
；其中，
Figure SMS_105
为超声波在所述物体内随温度变化的传播速度；
Figure SMS_106
为所述物体内部的温度分布函数，
Figure SMS_107
和
Figure SMS_108
均为预先标定的常系数。
在本申请的另一可选地实施例中，数据采集模块200具体用于按照设定时间间隔连续采集多个所述超声波传播时长；数据对比模块400具体用于判断各个所述超声波传播时长和对应的所述理论超声波传播时长是否满足使得收敛判据
Figure SMS_109
收敛；其中，
Figure SMS_110
为所述理论超声波传播时长，
Figure SMS_111
为所述超声波传播时长，
Figure SMS_112
为最后一个超声波传播时长的采样时间点；
Figure SMS_113
为收敛半径。
在本申请的另一可选地实施例中，函数设定模块100具体用于按照预设时间间隔连续多次采集物体待测面的温度数据；根据随时间变化的温度数据，确定初步热流密度函数。
本实施例的物体表面热流密度检测装置用于实现前述的物体表面热流密度检测方法，因此物体表面热流密度检测装置中的具体实施方式可见前文中的物体表面热流密度检测方法的实施例部分，在此不再赘述。
本申请还提供了一种物体表面热流密度检测设备，参照图2，该设备可以包括：
用于产生超声波信号的信号发生器23；
和信号发生器23相连接，用于向物体10内发射超声波信号，并接收经过物体待测面11反射后传播的超声波信号的超声波探针21；
用于检测物体待测面11的初始温度的温度传感器；
和超声波探针21以及温度传感器相连接的处理器24，用于根据初始温度以及超声波探针21向物体发射超声波信号和接收超声波信号之间的超声波传播时长，执行如上任一项的物体表面热流密度检测方法的步骤。
可选地，该超声波探针21还连接有增益模块22，对超声波信号进行增强处理。
该增益模块22可以将超声波探针21所接收检测到的信号进行增强处理，也即是对信号进行放大处理，有利于保证超声波传播时长检测的准确性。
该信号发生器23可以是电磁超声、压电超声或激光超声任意一种超声信号的发生器，对此本申请中不做具体限制。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、 “包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种物体表面热流密度检测方法，其特征在于，包括：
设定物体待测面上热流随时间变化的初步热流密度函数；
采集所述物体待测面的初始温度和超声波传播时长，其中，所述超声波传播时长为超声波信号被发射到物体内部传播被所述物体待测面反射后传播至被接收的过程所经过的时长；
根据所述初始温度和所述初步热流密度函数，确定所述物体内部的温度分布函数，并根据所述温度分布函数确定理论超声波传播时长；
判断所述超声波传播时长和所述理论超声波传播时长之间的差异是否小于设定差异；
若是，则以所述初步热流密度函数作为所述物体待测面的热流密度函数；
若否，则对所述初步热流密度函数进行优化更新，并以新的初步热流密度函数重新执行采集所述物体待测面的初始温度和超声波传播时长的步骤，直到获得所述物体待测面的热流密度函数。
2.如权利要求1所述的物体表面热流密度检测方法，其特征在于，根据所述初始温度和所述初步热流密度函数，确定所述物体内部的温度分布函数，包括：
根据边界条件
Figure QLYQS_4
和初始条件
Figure QLYQS_8
对所述物体内部满足的热传导方程
Figure QLYQS_11
进行求解，确定所述物体内部的温度分布函数
Figure QLYQS_2
；其中，
Figure QLYQS_6
为所述物体的密度；
Figure QLYQS_10
为所述物体的比热容；
Figure QLYQS_13
为所述物体的导热系数；
Figure QLYQS_1
为所述初步热流密度函数；
Figure QLYQS_5
为时间；
Figure QLYQS_9
为所述物体内沿所述超声波信号传播方向上的位置点坐标；
Figure QLYQS_12
为所述物体沿所述超声波信号传播方向上的厚度，且
Figure QLYQS_3
；
Figure QLYQS_7
为所述初始温度。
3.如权利要求1所述的物体表面热流密度检测方法，其特征在于，根据所述温度分布函数确定理论超声波传播时长，包括：
根据所述超声波信号在所述物体内部传播满足的关系式
Figure QLYQS_14
，确定所述理论超声波传播时长
Figure QLYQS_15
；其中，
Figure QLYQS_16
为超声波在所述物体内随温度变化的传播速度；
Figure QLYQS_17
为所述物体内部的温度分布函数，
Figure QLYQS_18
和
Figure QLYQS_19
均为预先标定的常系数。
4.如权利要求1所述的物体表面热流密度检测方法，其特征在于，采集所述超声波传播时长的过程包括：
按照设定时间间隔连续采集多个所述超声波传播时长；
判断所述超声波传播时长和所述理论超声波传播时长之间的差异是否小于设定差异，包括：
判断各个所述超声波传播时长和对应的所述理论超声波传播时长是否满足使得收敛判据
Figure QLYQS_20
收敛；其中，
Figure QLYQS_21
为所述理论超声波传播时长，
Figure QLYQS_22
为所述超声波传播时长，
Figure QLYQS_23
为最后一个超声波传播时长的采样时间点；
Figure QLYQS_24
为收敛半径。
5.如权利要求1至4任一项所述的物体表面热流密度检测方法，其特征在于，设定物体待测面上热流随时间变化的初步热流密度函数，包括：
按照预设时间间隔连续多次采集所述物体待测面的温度数据；
根据随时间变化的所述温度数据，确定所述初步热流密度函数。
6.一种物体表面热流密度检测装置，其特征在于，包括：
函数设定模块，用于设定物体待测面上热流随时间变化的初步热流密度函数；
数据采集模块，用于采集所述物体待测面的初始温度和超声波传播时长，其中，所述超声波传播时长为超声波信号被发射到物体内部传播被所述物体待测面反射后传播至被接收的过程所经过的时长；
数据运算模块，用于根据所述初始温度和所述初步热流密度函数，确定所述物体内部的温度分布函数，并根据所述温度分布函数确定理论超声波传播时长；
数据对比模块，用于判断所述超声波传播时长和所述理论超声波传播时长之间的差异是否小于设定差异；若是，则以所述初步热流密度函数作为所述物体待测面的热流密度函数；若否，则对所述初步热流密度函数进行优化更新，并以新的初步热流密度函数重新执行采集所述物体待测面的初始温度和超声波传播时长的步骤，直到获得所述物体待测面的热流密度函数。
7.如权利要求6所述的物体表面热流密度检测装置，其特征在于，所述数据运算模块具体用于根据边界条件
Figure QLYQS_26
和初始条件
Figure QLYQS_31
对所述物体内部满足的热传导方程
Figure QLYQS_34
进行求解，确定所述物体内部的温度分布函数
Figure QLYQS_27
；其中，
Figure QLYQS_29
为所述物体的密度；
Figure QLYQS_33
为所述物体的比热容；
Figure QLYQS_36
为所述物体的导热系数；
Figure QLYQS_25
为所述初步热流密度函数；
Figure QLYQS_32
为时间；
Figure QLYQS_35
为所述物体内沿所述超声波信号传播方向上的位置点坐标；
Figure QLYQS_37
为所述物体沿所述超声波信号传播方向上的厚度，且
Figure QLYQS_28
；
Figure QLYQS_30
为所述初始温度。
8.如权利要求6所述的物体表面热流密度检测装置，其特征在于，所述数据运算模块具体用于根据所述超声波信号在所述物体内部传播满足的关系式
Figure QLYQS_38
，确定所述理论超声波传播时长
Figure QLYQS_39
；其中，
Figure QLYQS_40
为超声波在所述物体内随温度变化的传播速度；
Figure QLYQS_41
为所述物体内部的温度分布函数，
Figure QLYQS_42
和
Figure QLYQS_43
均为预先标定的常系数。
9.一种物体表面热流密度检测设备，其特征在于，包括：
用于产生超声波信号的信号发生器；
和所述信号发生器相连接，用于向物体内发射所述超声波信号，并接收经过物体待测面反射后传播的所述超声波信号的超声波探针；
用于检测所述物体待测面的初始温度的温度传感器；
和所述超声波探针以及所述温度传感器相连接的处理器，用于根据所述初始温度以及所述超声波探针向所述物体发射所述超声波信号和接收所述超声波信号之间的超声波传播时长，执行如权利要求1至5任一项所述的物体表面热流密度检测方法。
10.如权利要求9所述的物体表面热流密度检测设备，其特征在于，所述超声波探针还连接有增益模块，用于对所述超声波信号进行增强处理。
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Citations (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050033171A1 (en) * 2003-07-24 2005-02-10 Stergios Stergiopoulos Non-invasive monitoring of intracranial dynamic effects and brain density fluctuations
JP2007059292A (ja) * 2005-08-26 2007-03-08 Tokuyama Corp 加熱装置の設定方法
CN101844214A (zh) * 2009-03-23 2010-09-29 高妮 板坯连铸结晶器热流密度的确定方法
US20120323539A1 (en) * 2011-06-14 2012-12-20 National Chiao Tung University Method and Non-Transitory Computer Readable Medium Thereof for Thermal Analysis Modeling
JP2013076593A (ja) * 2011-09-30 2013-04-25 Nippon Steel & Sumitomo Metal 金属板の温度分布の予測方法及び金属板の製造方法
US20140345948A1 (en) * 2011-06-13 2014-11-27 Baker Hughes Incorporated Apparatuses and methods for determining temperature data of a component of an earth-boring drilling tool
CN104596667A (zh) * 2015-01-05 2015-05-06 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 超声波探测物体内部瞬态非均匀温度场的灵敏度方法
JP2015152397A (ja) * 2014-02-13 2015-08-24 三菱重工業株式会社 表面熱流束取得装置、熱処理装置、表面熱流束取得方法、および、プログラム
CN105366029A (zh) * 2015-12-14 2016-03-02 北京航空航天大学 高超声速飞行器主动冷却结构和气液两相流离心螺旋强化换热方法
EP3092466A1 (en) * 2014-01-08 2016-11-16 Smilesonica Inc. Apparatuses and methods for measuring and characterizing ultrasound
WO2016202971A1 (en) * 2015-06-18 2016-12-22 Eth Zurich Heat flux sensor and system with a heat flux system
CN106650093A (zh) * 2016-12-21 2017-05-10 浙江大学 电磁器件分析中电磁‑热‑应力三场耦合的去耦合计算方法
CN106768466A (zh) * 2016-11-16 2017-05-31 石友安 一种基于超声波的瞬态转捩热流的无损探测方法
CN107324276A (zh) * 2017-06-22 2017-11-07 华南理工大学 一种微图案化润湿性表面及其制备方法与应用于喷雾冷却装置
CN108051475A (zh) * 2017-12-05 2018-05-18 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 一种对流换热系数的快速测量方法
CN108333213A (zh) * 2018-01-11 2018-07-27 哈尔滨工业大学 半透明多孔材料高温传导及辐射性质多参数同步测量方法
CN109324079A (zh) * 2018-10-23 2019-02-12 中国特种设备检测研究院 一种基于超声的材料热膨胀系数的测量方法
CN111460578A (zh) * 2020-03-23 2020-07-28 南京航空航天大学 高超声速飞行器头锥热环境高精度流-固耦合计算方法
CN112525826A (zh) * 2020-11-13 2021-03-19 中国科学院合肥物质科学研究院 一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法及系统
CN113686965A (zh) * 2021-09-16 2021-11-23 南方电网科学研究院有限责任公司 一种gis盆式绝缘子次表面热应力超声检测方法及系统
CN114818505A (zh) * 2022-05-10 2022-07-29 南京净环热冶金工程有限公司 基于粒子群优化算法预测加热炉内钢坯温度分布的方法
CN114841023A (zh) * 2022-07-04 2022-08-02 中山大学 一种热学数据确定方法、装置和设备

Patent Citations (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050033171A1 (en) * 2003-07-24 2005-02-10 Stergios Stergiopoulos Non-invasive monitoring of intracranial dynamic effects and brain density fluctuations
JP2007059292A (ja) * 2005-08-26 2007-03-08 Tokuyama Corp 加熱装置の設定方法
CN101844214A (zh) * 2009-03-23 2010-09-29 高妮 板坯连铸结晶器热流密度的确定方法
US20140345948A1 (en) * 2011-06-13 2014-11-27 Baker Hughes Incorporated Apparatuses and methods for determining temperature data of a component of an earth-boring drilling tool
US20120323539A1 (en) * 2011-06-14 2012-12-20 National Chiao Tung University Method and Non-Transitory Computer Readable Medium Thereof for Thermal Analysis Modeling
JP2013076593A (ja) * 2011-09-30 2013-04-25 Nippon Steel & Sumitomo Metal 金属板の温度分布の予測方法及び金属板の製造方法
EP3092466A1 (en) * 2014-01-08 2016-11-16 Smilesonica Inc. Apparatuses and methods for measuring and characterizing ultrasound
JP2015152397A (ja) * 2014-02-13 2015-08-24 三菱重工業株式会社 表面熱流束取得装置、熱処理装置、表面熱流束取得方法、および、プログラム
CN104596667A (zh) * 2015-01-05 2015-05-06 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 超声波探测物体内部瞬态非均匀温度场的灵敏度方法
WO2016202971A1 (en) * 2015-06-18 2016-12-22 Eth Zurich Heat flux sensor and system with a heat flux system
CN105366029A (zh) * 2015-12-14 2016-03-02 北京航空航天大学 高超声速飞行器主动冷却结构和气液两相流离心螺旋强化换热方法
CN106768466A (zh) * 2016-11-16 2017-05-31 石友安 一种基于超声波的瞬态转捩热流的无损探测方法
CN106650093A (zh) * 2016-12-21 2017-05-10 浙江大学 电磁器件分析中电磁‑热‑应力三场耦合的去耦合计算方法
CN107324276A (zh) * 2017-06-22 2017-11-07 华南理工大学 一种微图案化润湿性表面及其制备方法与应用于喷雾冷却装置
CN108051475A (zh) * 2017-12-05 2018-05-18 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 一种对流换热系数的快速测量方法
CN108333213A (zh) * 2018-01-11 2018-07-27 哈尔滨工业大学 半透明多孔材料高温传导及辐射性质多参数同步测量方法
CN109324079A (zh) * 2018-10-23 2019-02-12 中国特种设备检测研究院 一种基于超声的材料热膨胀系数的测量方法
CN111460578A (zh) * 2020-03-23 2020-07-28 南京航空航天大学 高超声速飞行器头锥热环境高精度流-固耦合计算方法
CN112525826A (zh) * 2020-11-13 2021-03-19 中国科学院合肥物质科学研究院 一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法及系统
CN113686965A (zh) * 2021-09-16 2021-11-23 南方电网科学研究院有限责任公司 一种gis盆式绝缘子次表面热应力超声检测方法及系统
CN114818505A (zh) * 2022-05-10 2022-07-29 南京净环热冶金工程有限公司 基于粒子群优化算法预测加热炉内钢坯温度分布的方法
CN114841023A (zh) * 2022-07-04 2022-08-02 中山大学 一种热学数据确定方法、装置和设备

Non-Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
IHARA I 等: "Simultaneous measurement of temperature and heat flux using ultrasound", 《2015 9TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON SENSING TECHNOLOGY》 *
JIA YUNLU: "Noninvasive ultrasound measurements of temperature distribution and heat fluxes in solids", 《ENERGY & FUELS》 *
ZHAO JIAN-NING: "Thermal rectification mechanis of one-dimensional composite structure with interface thermal contact resistance", 《ACTA PHYSICA AINICA》 *
刘建霞 等: "高超声速滑翔飞行器气动性能的数值模拟研究", 《国防科技大学学报》 *
张后举 等: "钢管混凝土结构截面温度分布研究", 《黑龙江科技信息》 *
张玉华 等: "端铣切削可转位铣刀片刃前区温度场分析", 《哈尔滨理工大学学报》 *
曾纯: "铝/钛异种合金超声波焊接研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *
杨彦克 等: "用超声法估定火伤混凝土构件截面上的温度分布", 《西南交通大学学报》 *
石友安 等: "超声固体测温中的二维温度场重建算法研究", 《中国科学：技术科学》 *

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