燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及瞬态温度场的检测领域，具体而言涉及一种燃烧室内壁瞬态温度场的 超声波非侵入式测量方法。
【背景技术】
[0002] 高温高压封闭空间内的燃烧、爆炸和等离子体放电等现象始终是国防科技相关研 究的热点问题之一。通过直接测试获取送些发生物理化学反应的高压容器内部瞬态温度场 变化规律，对促进相关现象的基础研究和应用研究具有重要理论意义和实用价值。例如火 炮药室、火箭发动机燃烧室、电磁轨道炮导轨和巧克马克等装置的瞬态热力学过程，或内燃 机、航空发动机和核反应堆的工作状态，在容器的内部或者内壁面上存在着条件极为苛刻 的光学不可视瞬态温度场，传统的接触式和非接触式测量方法往往不能满足要求。接触式 测温法将温度敏感探头直接接触被测对象，一方面温度探头的置入会不可避免地对被测温 度场造成干扰，另一方面温度探头的时间响应特性也影响瞬态温度场的测量结果。例如，目 前火炮内膛温度测试所采用的盲孔法，利用热电偶测量距离身管内壁面一定距离上盲孔底 部的温度来推算内壁面的温度，由于盲孔破坏了原有温度场结构，W及热电偶的热惯性的 影响，其测试结果往往不能真实反映燃烧室内壁面的温度。非接触式测温法主要包括各种 光学测温法，通过分析被测对象的光谱福射特性来确定对象的温度，送种方法在实验室和 工程上都得到了应用，由于光学测温法要求被测对象必须是光学可视的，因此对于前述光 学不可视装置内部温度场的测试无能为力。
[0003] 利用超声波在不同声阻抗材料中传播特性不同的特点，超声波检测技术在机械电 子工程中的无损探伤、食品和医学工程上的温度检测W及新型功能材料的物理特性的测试 中具有广泛的应用。众所周知，超声波在介质中的传播速度取决于材料的弹性模量，而大多 数材料的弹性模量是温度的函数，因此当超声波在介质中传播时，其速度可W表示成温度 的函数。脉冲超声波穿越时差（Time-of-fli曲t)测温法就是通过测量脉冲超声波穿越某 种材料的时间差来完成对象温度的测量：在已知超声波发射和接收所经历的路径长度、材 料的温度和弹性模量之间关系的条件下，就可W利用测量得到的时间差计算出超声波路径 上材料温度的平均值。基于送种原理，国内外已经研究开发出各种利用超声波测量气体、 液体或固体的平均温度的仪器设备，并在工业生产和国民生活中得到应用。超声波测温大 多数的应用是医学工程上的人体内部温度非侵入式测量，要求定位精确，温度分辨率和测 温精度高，但是送类研究通常W稳态温度场为研究对象，对超声波的频率、数据采集和处理 速率要求较低，并且测温范围较小。孟立凡等根据气体的温度与声波在气体中传播速度之 间的关系，初步设计了用于测量高温气体瞬态温度场的超声波传感器，其测温范围可达到 220(TC，可用于火炸药燃烧、爆炸火焰、发动机燃气等温度场的瞬态测试，但是，有关实验研 究结果和应用情况未见后续报道。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于提供一种燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法。
[0005] 根据本发明的目的，一种燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法的实 现包括W下步骤：
[0006] 步骤1、检测燃烧室外壁非加热端的温度；
[0007] 步骤2、利用超声探头采集非加热端在其另一端受到加热情况下的超声波时延波 形；
[0008] 步骤3、根据超声波传播速率与步骤1测得的外壁温度间函数关系，推算燃烧室壁 面的温度；W及
[0009] 步骤4、重复上述步骤1-3 W实现检测燃烧室内壁面温度场的变化。
[0010] 进一步的实施例中，前述方法中，更包含：
[0011] 通过一温度测试仪测量被测对象的温度。
[0012] 进一步的实施例中，前述方法中，前述超声探头采用2. 5MHz W及5MHz高频脉冲单 晶直探头，并通过一超声波脉冲发生器为超声探头提供激励信号，然后通过示波器记录超 声波脉冲及回波信号。
[0013] 进一步的实施例中，前述方法中，更包含：
[0014] 根据超声波时延波形计算出超声波的传播速率，结合步骤1采集的回波信号，利 用计算机计算得到该时刻下时延波形对应超声波的传播速率。
[0015] 由W上本发明的技术方案可知，本发明所提出的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波 非侵入式测量方法，在燃烧室外壁安装超声波发射和接收传感器（超声探头），设计合理的 高频脉冲发生器和换能器及相应的信号检测装置，通过对测量超声波发生器产生的纵波入 射到内壁面后反射到超声波接收器的时间差，结合容器壁面的瞬态传热过程的数值计算得 到燃烧室壁内的温度变化规律。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明较优实施例的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法 的流程图。
[0017] 图2为温度和超声检测的原理示意图。
[0018] 图3为稳态工况下实验示意图。
[0019] 图4为非稳态工况下实验示意图。
[0020] 图5为13. 5°C下铅合金超声波回波波形延时曲线。
[0021] 图6为稳态条件下合金铅温度与超声声速关系图。
【具体实施方式】
[0022] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0023] 本发明所提出的燃烧室内壁（例如火炸药燃烧、爆炸为背景的高压容器壁面）瞬 态温度场的超声波非侵入式测量方法，由超声波在介质中的传播特性可知，当超声波纵波 从声阻抗特性大的介质（钢、合金材料等）传播到声阻抗特性小的介质（空气、燃气）时， 其声强反射系数远远大于透射系数。因此在燃烧室外壁安装超声波发射和接收传感器，设 计合理的高频脉冲发生器和换能器及相应的信号检测装置，通过对测量超声波发生器产生 的纵波入射到内壁面后反射到超声波接收器的时间差，结合容器壁面的瞬态传热过程的数 值计算得到燃烧室壁内的温度变化规律。
[0024] 如图1所示的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法的实现流程，一 种燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法的实现包括W下步骤：
[00巧]步骤1、检测燃烧室外壁非加热端的温度；
[0026] 步骤2、利用超声探头采集非加热端在其另一端受到加热情况下的超声波时延波 形；
[0027] 步骤3、根据超声波传播速率与步骤1测得的外壁温度间函数关系，推算燃烧室壁 面的温度；W及
[0028] 步骤4、重复上述步骤1-3 W实现检测燃烧室内壁面温度场的变化。
[002引如图2所示为温度和超声检测的原理示意，其中，超声探头采用2. 5MHz W及5MHz 高频脉冲单晶直探头，并通过一超声波脉冲发生器（例如CTS-8077PR)为超声探头提供激 励信号，然后通过示波器（例如数字示波器GDS-2102)记录超声波脉冲及回波信号。
[0030] 如图2所示，前述方法中，更包含：
[0031] 通过一温度测试仪（即热电偶温度监视器）测量被测对象的温度。
[0032] 前述方法中，在步骤3中，更包含：
[0033] 根据超声波时延波形计算出超声波的传播速率，结合步骤1采集的回波信号，利 用计算机计算得到该时刻下时延波形对应超声波的传播速率。
[0034] 如图3、4所示，为两个阶段，两种状况下的试验示意图。
[00对一、两个阶段：
[0036] (1)稳态热传导工况下测定波速
[0037] 实验开始，通过监视试件两端温度，记录时间点，并采集初始超声波检测初始回波 图，实验如图3所示。对整段采样试件进行均匀加热，为保证受热均匀，实验采用电热带缠 绕或水浴加热整段采样试件进行模拟，当温度通过测试仪反应到显示屏上时，记录该温度 对应时刻的波形传播图。
[0038] 为了方便取样，保证实验数据充足可用，每隔1(TC进行一次波形采集，直至实验可 用最高温度。
[0039] (2)非稳态传导工况下测定波速
[0040] 对比稳态热传导工况，非稳态热传导下，将采样试件置于固定台上，两端分别WA、 B来区分，如