[发明专利]一种基于超声的内部热源强度大小和位置的无损测量方法

说明书

本发明提供了一种基于超声的内部热源强度大小和位置的无损测量方法，其特征在于：同时考虑超声在结构内部传播过程中的时延特性和边界上的温度变化，结合热传导反问题求解，用于无损、快速地测量结构内部随时间变化的热源的强度和位置。本发明不需要获取结构内部点的温度信息，简化了测量装置，操作简便；相比内部热源的红外检测技术，能够更有效地探测结构内部热源的强度和位置的状况，具有测量速度快、测量范围大等优点。

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内部热源强度大小和位置的无损测量方法。

背景技术

结构内部热源的测量在无损检测、微生物发酵、弹药和食物存储等领域都有重要的应用。例如，医学上的肿瘤诊断和治疗等问题本质上可归结为对物体内部热源的位置识别的问题。内部热源的识别问题，特别是强度和位置同时识别，属于高度的不适定(ill-posed)问题，即解的惟一性和解的稳定性都不满足。尽管内部热源识别问题的研究已有大量报道，但研究多集中在通过数值算法求解热源逆问题，求解的稳定性和准确度不易达到预期，并且多数研究方法也并没有进行实验验证，同时一些方法的局限性在于仍需要探测少数内部点的温度信息。

本发明以超声在结构内部传播过程中的时延特性和边界温度变化为共同出发点，根据超声在材料介质中传播特性随温度变化的特性反映了内部热源引发的结构内部温度变化，同时边界温度进一步提供了优化的边界约束条件，从而可快速、简便、准确地测量内部热源的强度和位置。相比现有方法，本发明不需要获取内部点的温度信息，这大大简化了测量装置，操作相对简便；与内部热源的红外探测技术相比，本发明提供了一种可进行内部热源探测的新途径，将超声传播的时间变为识别内部热源强度和位置的参数，能够更有效地探测结构内部热源参数的分布状况。此外，由于声学设备可以实现非接触式测量，其提高了传感器耐高温性能和温度效应的抗干扰能力，有效地提升了测温范围和测温精度。

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内部热源强度大小和位置的无损测量方法，适用于单个或多个内部热源的强度和位置的无损测量。该方法根据超声在金属、复合材料等介质中随温度变化而出现的传播速度变化特性，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、快速地测量结构内部随时间变化的热源的强度和位置。

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：获取被测构件内超声传播速度V与不同温度条件下温度T的相关关系，拟合出V与T的关系式V(T)，其中，T为被测试件整体温度达到一致的条件下的温度值；

步骤二：对被测构件进行加热，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；沿被测方向x方向从被测构件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，进行以下步骤三至步骤五，随后，基于步骤三至步骤五的结果，进行步骤六；

步骤三：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，即在步骤二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；

步骤四：基于步骤一的关系式V(T)，和步骤三的超声传播测量时间t_i,exp，建立被测构件内部热源的热传导反问题目标函数为：