[发明专利]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

说明书

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。

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；