[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

摘要

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。

主权项

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，迭代收敛准则取|aj+1‑aj|≤10‑6，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)。