超声波探测物体内部瞬态非均匀温度场的灵敏度方法

摘要

本发明公开了一种超声波探测物体内部瞬态非均匀温度场的灵敏度方法，根据标定不同温度条件下被测试件母材内超声波传播时间                                               与温度的相关关系以及由超声波脉冲回波法获得的测量全过程时间及对应时刻下的超声波传播时间，求解基于解灵敏度方程的热传导反问题，要求优化所得等效的温度边界条件使得数值模拟所得的超声在物体内传播时间与实测的超声波传播时间差值最小，再通过热传导正问题的求解即可获得试件内部不同时刻的温度场分布状态。实现快速准确地获得金属或金属合金物体表面温度和内部非均匀温度场的优点。实现对金属或合金物体表面温度和温度内部瞬态非均匀温度场的实时测量。

主权项

一种超声波探测物体内部瞬态非均匀温度场的灵敏度方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：加工一个与被测物体母材相同的长方体试件，该长方体试件被测方向的长度大于一个超声波波长；并标定不同温度条件下长方体试件内超声波传播时间t与温度T的相关关系，由最小二乘法拟合出其线性或二次函数关系式T(t)；步骤二：使用耐高温超声波探头，由超声波脉冲回波法，获得上述被测物体母材t_i时刻的超声波传播时间t_i,exp，并同步记录测量全过程时间及对应时刻下的超声波传播时间；步骤三：基于上述步骤一中的线性或二次函数关系式T(t)，以及步骤二的超声波传播时间t_i,exp和超声波传播时间，求解热传导的反问题：热传导反问题的目标函数为:$J\left(T_{\mathrm{equivalent}}\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left(ϵ\left(t_i\right)\right)}^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\{t_{i,\mathrm{cal}}-t_{i,\exp }\}}^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\{2{\int }_0^L\frac{1}{V\left[T\left(t_i\right)\right]}\mathrm{dx}-t_{i,\exp }\}}^2$式中，T_equivalent为待辨识的被测物体等效温度边界条件；ε是实际测量值与计算值之间的误差；t_i,cal为数值计算得到的t_i时刻的超声波传播时间，下标i表示的测量时间序数，n表示总的测量时间点数；目标函数约束条件为:$S.t.\frac{\partial }{\partial x}\left[k\left(T\right)\frac{\partial T}{\partial x}\right]=\rho C_p\frac{\partial T}{\partial t}$T(x,t),t＞0,x∈[0,L]式中，ρ为材料密度；C_p为材料比热；k＝k(T)为材料的热传导系数，是温度的函数；L为试件被测方向的长度；根据热传导反问题的目标函数和约束条件得出等效的温度边界条件T_equivalent；步骤四：根据步骤三所得的等效的温度边界条件T_equivalent，基于热传导的正问题求解获得试件内部不同时刻的温度场分布状态。