[发明专利]一种基于超声的材料热膨胀系数的测量方法

摘要

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。

主权项

1.一种基于超声的材料热膨胀系数的测量方法，其特征在于，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ti时刻的超声波传播测量时间ti,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预定温度时，进行第n次测量，获得tn,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ti,exp，建立被测试件内部热源的热传导反问题目标函数为：式中，α(T)为待测量的温度T条件下的材料等效热膨胀系数；T(ti)为被测试件ti时刻加热端的温度值；ti,cal为超声波传播计算时间，是将ti时刻对应的被测试件加热端的温度值T(ti)代入步骤二所得的相关关系式V(T)得到的V，再根据L与V计算得到的；ti,exp为步骤四中实际测量得到的ti时刻的超声波传播测量时间；ΔT＝T(x，ti)‑T0为被测试件内沿被测方向x方向上坐标为x的点的温度的上升值；所述目标函数的约束条件为:T(x，t)，t＞0，x∈[0，L]  (2b)式中，k(T)为被测试件材料的导热系数，为温度T的函数；Cp和ρ分别为被测试件材料的比热容和密度；T(x，t)表示所述加热初始至结束的过程中所述试件内部形成的温度梯度场中，沿被测方向x方向上一点的温度随时间t和坐标x的分布；T(x，t)|x＝0/x＝L为边界条件，通过红外测温方法或热电偶测温方法获得；步骤六：采用灵敏度法或梯度算法求解所述目标函数，获得不同温度条件下被测试件的等效热膨胀系数α(T)，即得到了被测试件材料的热膨胀系数。