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
专利汇可以提供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专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 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ttof；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。，下面是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专利的具体信息内容。
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Ti，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Ti下的超声渡越时间ti，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ti；4)根据V＝2d/t计算在不同温度状态Ti下的超声传播速度Vi，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ttof，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ttof；
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部任一点X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部任一点X在坐标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ttof理论方程：
将式(1)、(5)代入式(6)，可得：
ttof＝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ttof、标定系数m，n，构件厚度L代入式(8)求解，其中，迭代收敛-6
准则取|aj+1-aj|≤10 ，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ttof，随后在获得冷端温度T冷、渡越时间ttof、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。
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
背景技术
发明内容
具体实施方式
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