CN105628790B - 一种基于材料物性参数变化的结构内部温度场测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于材料物性参数变化的结构内部温度场测量方法，该方法的检测原理是利用材料弹性模量随温度而变化的相关关系，即热声学方程中采用关系代替了传统超声测温的超声传播速度与温度的关系。本发明从反映被测介质声弹性特性和热声学特性的物理本质上出发，能够更全面地掌握和评估被测结构的内部状态，并减少检测的工作量，节约经济成本。

Description

一种基于材料物性参数变化的结构内部温度场测量方法
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域，尤其是一种基于材料物性参数变化的结构内部温度场测量方法。
背景技术
结构内部非均匀温度场的无损探测对结构安全评估、资源节约、产品质量保证、提高生产效率等工程实际问题有非常重要的作用，因此其在航空航天、铸造加工、高温管道、火灾防治等领域都具有广泛的应用背景和强烈需求。
传统超声波测温的基本原理是采用超声波传播速度与介质温度的相关性实现介质内部温度无损探测，但其测量精度不仅受限与超声波传播速度(通常转换为超声传播时间或相位差等)的测量，而且也受限于超声波传播速度与介质温度相关性的准确性。
目前工程实际中还非常缺乏相关传播速度与温度相关性的数据库，其建立需要经大量耗时的标定试验，以较为准确地给出不同材料不同温度下超声波传播速度与介质温度的关系式，工作量繁重。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于材料物性参数变化的结构内部温度场测量方法，利用材料弹性模量随温度而变化的相关关系，操作简单。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种基于材料物性参数变化的结构内部温度场测量方法，包括以下步骤：
⑴、获取金属或合金弹性模量E与温度T的相关关系式E-T；
⑵、获取发射波和被测目标反射的接收回波之间声波的相位差
⑶、基于超声回波法，根据超声波在固体结构内传播时间和相位的关系，由热声学方程得
其中，f为超声波发射频率；S为超声波在固体介质中单向传播的距离；V是固体介质中声波的传播速度；
⑷、根据声弹性理论，分别得到采用纵波和横波测量结构内部温度场的热声学方程：
其中，VL为纵波声速；VS为横波声速；E为材料的弹性模量；υ为材料的泊松比；ρ为材料的密度；
⑸、基于一维热传导的反问题计算获得等效的热边界条件q；
⑹、根据热传导的正问题求解获得金属或合金结构内部不同时刻的温度场分布状态T(x,t)，其中t为不同的时刻，x为被测结构S方向的位置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、由于常用典型材料，特别是高温使用的材料，通过文献或材料手册等基本上都能够获取其弹性模量与温度的相关关系式，因此基于材料物性参数变化的结构内部温度测量不需要进行标定试验，这可以极大地减少工作量，节约经济成本。
2、相比传统测温原理，基于材料物性参数变化的超声测温方法，更能从物理本质上反映被测固体介质声弹性特性和热声学特性的变化规律，并更全面地掌握和评估被测结构的内部状态。
附图说明
图1是基于材料物性参数变化的结构内部温度测量流程图(以横波法为例)；
图2是某复合材料其弹性模量随温度的变化关系；
图3是采用超声法探测图2复合材料试件内部温度场的实测结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
采用基于材料物性参数变化的物体内部温度场探测方法，基本流程如图1所示：
(1)由标定试验或文献获得被测试件其材料弹性模量与温度的关系E-T，本试验用的复合材料其弹性模量随温度的变化关系如图2所示；
(2)针对一长方体形的某复合材料试件进行底部加热，即可视为一维加热问题。试件沿受热面厚度为120mm，沿被测方向布置7组共10个一个热电偶；
(3)采用超声脉冲回波法，获得发射波和接收回波之间的相位差其中相位差的测量推荐采用整数倍波长部分的测量加上非整数倍波长部分的相位测量，以提高相位差测量的准确性；
(4)根据获得的E-T关系，将热弹性方程代入到热声学方程中，并采用热传导的反问题计算获得等效的热边界条件，该热边界能够使得测量获得的和计算得到的两者差值的最小二乘估计值最小；
(5)根据热传导的正问题求解获得被测试件内部不同时刻的温度场分布状态，如图3所示,试件被测方向的厚度为120mm，沿被测方向布置7组共10个热电偶。图示给出了热电偶测温所得数据与基于本发明所预测的温度数据对比。结果表明，该方法能较好地预测钢试件内部非均匀温度场的分布状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于材料物性参数变化的结构内部温度场测量方法，包括以下步骤：
⑴、获取金属或合金弹性模量E与温度T的相关关系式E-T；
⑵、获取发射波和被测目标反射的接收回波之间声波的相位差
⑶、基于超声回波法，根据超声波在固体结构内传播时间和相位的关系，由热声学方程得
其中，f为超声波发射频率；S为超声波在固体介质中单向传播的距离；V是固体介质中声波的传播速度；
⑷、根据声弹性理论，分别得到采用纵波和横波测量结构内部温度场的热声学方程：
其中，VL为纵波声速；VS为横波声速；E为材料的弹性模量；υ为材料的泊松比；ρ为材料的密度；
⑸、基于一维热传导的反问题计算获得等效的热边界条件q；
⑹、根据热传导的正问题求解获得金属或合金结构内部不同时刻的温度场分布状态T(x,t)，其中t为不同的时刻，x为被测结构S方向的位置。
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