[发明专利]一种基于超声的材料热膨胀系数的测量方法

说明书

本发明提供了一种基于超声的材料热膨胀系数的测量方法，该方法基于声传播特性、介质温度、材料热膨胀系数三者之间的关联关系，采用超声回波法，根据超声传播测量时间和参数识别，实现了高温条件下材料热膨胀系数的无损、快速测量。本发明仅需进行升温测量一次，例如将被测试件加热面进行升温到预定温度值如500℃，即可获得室温至500℃不同温度下的材料热膨胀系数，具有测量速度快、周期短、成本低、操作简便等特点。

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材料热膨胀系数的测量方法。

背景技术

热膨胀系数是材料的重要热学性能参数之一，也是结构热固耦合特性分析中的关键参数。目前，热膨胀系数的测量方法主要有相对比较法和绝对比较法两种，按测量原理又分为电测量法、光测量法和位移测量法。总体来说，国内外关于材料热膨胀系统的测量研究较为成熟，但多数实验测量存在测量设备价格昂贵、测量系统构成复杂、或者抗干扰或受人为因素制约等局限性。

本发明根据超声传播特性——介质温度——材料热膨胀系数三者之间的关联关系，采用热声理论，基于超声回波技术，可快速、简便、准确地测量材料随温度变化的热膨胀系数。相比现有的热膨胀系数测量方法，本发明一方面，具有测量装置简单，操作相对简便，适用于大尺寸试样测试以及试样内部处于非均匀温度场分布等条件；另一方面，由于该方法可以非接触式测量，提高了传感器耐高温性能，可有效提升测温范围。同时，本发明采用瞬态升温测量法，仅需进行升温测量一次，例如被测试件加热面进行升温到预定温度值如500℃，即可获得室温至500℃不同温度下的材料热膨胀系数，可极大地缩短测量周期。

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材料热膨胀系数的测量方法，适用于材料随温度变化的等效热膨胀系数的无损非接触式测量。其采用超声回波法，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、快速地测量材料随温度变化的热膨胀系数常数。

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：加工一与被测物体材质相同的被测试件，被测试件为长方体或圆柱体，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；

步骤二：获取被测试件内超声波传播速度V与不同温度条件下温度T的相关关系，拟合出V与T的相关关系式V(T)，V(T)为线性函数或二次函数，其中，T为被测试件整体温度达到一致的条件下的温度值；

步骤三：记录被测试件的初始温度T₀，沿被测方向x方向从被测试件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，进行以下步骤四至步骤五，随后，基于步骤四、步骤五的结果，进行步骤六；

步骤四：沿所选定的被测方向x方向，由超声波脉冲回波法，获得被测试件t_i时刻的超声波传播测量时间t_i,exp，即在步骤三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；当被测试件加热端的温度高于测量的预定温度时，进行第n次测量，获得t_n,exp；

步骤五：基于步骤二的相关关系式V(T)，和步骤四的超声波传播时间t_i,exp，建立被测试件内部热源的热传导反问题目标函数为：