基于瞬态热边界反演的结构内部非均匀温度场的重建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及结构内部温度的非接触测量技术领域，即基于超声波的渡越时间，通 过反演瞬态热边界重建结构内部不同时刻温度分布的方法，具体地，涉及一种基于瞬态热 边界反演的结构内部非均匀温度场的重建方法。
【背景技术】
[0002] 结构内部温度的探测和实时监控，不仅在军事领域如航空航天中有重要价值，而 且在民用领域的材料制备、医学探测、铸造与冶金等工程问题中也有广泛的应用前景。目 前，结构内部的温度测量主要采用接触式，即通过安装温度传感器进行测量。但这种方法 有一些局限性，如打孔安装传感器容易破坏结构的原有形态导致局部的温度变化或应力集 中，并且其响应速度较缓，内部温度的实时测量尚存在一些问题。红外热图、磷光热图等可 以实现温度的无损测量，但是仅限于结构表面。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于瞬态热边界反演的结构内部非 均匀温度场的重建方法，以实现在不破坏结构的原有形态下，实时高精度重建结构内部不 同时刻温度分布的优点。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0005] -种基于瞬态热边界反演的结构内部非均匀温度场的重建方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤一：使用超声波探头向热边界的方向激发脉冲信号，经热边界反馈后接收返 回的回波信号，得到h时刻超声传播路径上的渡越时间，根据反演质量的需要记录热 传导过程特征时刻点的超声波渡越时间；
[0007] 步骤二：根据超声波渡越时间的测量误差建立目标泛函：
【主权项】
1. 一种基于瞬态热边界反演的结构内部非均匀温度场的重建方法，其特征在于，包括 W下步骤： 步骤一；使用超声波探头向热边界的方向激发脉冲信号，经热边界反馈后接收返回的 回波信号，得到ti时刻超声传播路径上的渡越时间根据反演质量的需要记录热传导 过程特征时刻点的超声波渡越时间； 步骤二；根据超声波渡越时间的测量误差建立目标泛函：
式中，q(t)为待辨识的等效热边界条件；em是渡越时间测量误差的标准差；t 为 数值计算得到的ti时刻的超声波传播时间，下标i表示测量时间序数，n表示总的测量时间 点数； 步骤基于优化思想，将反问题求解过程，转为带约束条件的优化问题； 反问题描述；已知测量得到的超声波渡越时间tt。,，求解约束条件中的边界热流q(t); 约束条件：
式中：P为材料密度；Cp为材料比热；k=k(T)为材料的热传导系数；L为试件被测方 向的长度； 步骤四：基于超声波传播速度与温度的相关性，将约束条件代入目标函数即公式（1)， 引入伴随变量，建立伴随方程：
式中：A是伴随变量；e是克罗内克符号，V表示超声波的传播速度；下标C表示计算 值； 步骤五：数值求解伴随方程，得出目标函数的梯度矢量，并构造共辆梯度； 步骤六；W共辆梯度为优化方向，由一维精确捜索确定步长，对参数值进行优化，得到 本轮优化的瞬态热边界q(t)i; 步骤走：基于反演的瞬态热边界q(t) 1，数值求解热传导方程，根据计算得到的内部温 度分布计算超声波的渡越时间 步骤八：判断优化过程是否收敛，收敛准则取IeemI/ele-6,若收敛，则停止计 算；否则返回步骤五，重复迭代，直到到达收敛准则； 步骤九：基于收敛的瞬态热边界q(t)，数值求解热传导方程，得到不同时刻的内部温 度分布。
2. 根据权利要求1所述的基于瞬态热边界反演的结构内部非均匀温度场的重建方法， 其特征在于，在上述基于超声脉冲回波的渡越时间反演瞬态热边界条件的方法中，瞬态热 边界的反演需要求解基于超声波波速与温度相关性的伴随方程。
3. 根据权利要求1所述的基于瞬态热边界反演的结构内部非均匀温度场的重建方法， 其特征在于，不同时刻的温度分布是根据热传导方程计算而重建，温度分辨率高，实现实时 高精度分辨温度。
【专利摘要】本发明公开了一种基于瞬态热边界反演的结构内部非均匀温度场的重建方法，该方法基于超声脉冲回波的渡越时间，反演导致结构温度变化的瞬态热边界条件，在此基础上，通过求解热传导方程，重建结构内部非稳态的温度分布。相较于现有的超声测温方法而言，超声探测的内部温度并非直接由渡越时间获得，而是通过反演的瞬态热边界条件计算得到，因此本发明获得的温度不再是传播路径上的单一平均值，而是具体的温度分布，其温度分辨率更高、稳定性更好，可实现固体结构内部不同时刻温度分布的实时高精度重建。
【IPC分类】G01K11-24
【公开号】CN104792435
【申请号】CN201510190566
【发明人】石友安, 魏东, 曾磊, 桂业伟, 杜雁霞, 官睿, 张昊元, 邱波
【申请人】中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月21日