一種新的超聲表面波測溫方法研究?

王瑾玨?　張金　高望

（中國人民解放軍陸軍軍官學(xué)院　合肥　230000）

?研究報告?

一種新的超聲表面波測溫方法研究?

王瑾玨?張金高望

（中國人民解放軍陸軍軍官學(xué)院合肥230000）

在材料科學(xué)和材料工程領(lǐng)域，對受熱材料溫度分布測量的需求一直在持續(xù)增長。這主要是因?yàn)閷τ诓牧系母鞣N特性和行為，溫度都是其重要參量。以往的聲表面波溫度計依然需要敏感元件基片與被測區(qū)域達(dá)到熱平衡才能測量，在時間上有一定的滯后性，在反映快速變化的溫度場時缺陷明顯。本文設(shè)計一種新的聲表面波測量方法測量在加熱或冷卻過程中的材料表面的溫度梯度。這種方法涉及到超聲波回波測量和導(dǎo)熱反問題的分析方法來得到材料中沿超聲傳播方向的一維溫度場分布，不依賴敏感元件測溫。使用激光超聲設(shè)備激勵和檢測超聲波，對鋁塊和鋁板分別進(jìn)行了測溫實(shí)驗(yàn)，得到了理想的結(jié)果。超聲測溫技術(shù)作為一種新型的熱點(diǎn)技術(shù)，配合非接觸式的超聲激光方法，在材料高溫處理領(lǐng)域前景可觀。

聲表面波，溫度場成像，鋁板，激光-超聲

1　引言

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究及工程應(yīng)用領(lǐng)域，溫度的測量是當(dāng)今最基礎(chǔ)也是最熱點(diǎn)的問題之一。尤其隨著材料科學(xué)的發(fā)展，在材料高溫加工處理過程中，任何一部分微小的溫度改變都將影響到最終生產(chǎn)出產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量。故在此過程中精準(zhǔn)的動態(tài)溫度控制以及靜態(tài)、動態(tài)溫度測量顯得尤為迫切和重要［1-2］。

常見的溫度測量手段如熱電偶，盡管擁有不錯的溫度響應(yīng)，但是因其安裝困難，在材料科學(xué)、工程材料加工的高溫工作環(huán)境中很難得到應(yīng)用。另外常見熱電偶的時間響應(yīng)特性不足以滿足實(shí)時測控的需求，這就限制了其在需要實(shí)時測控的各種環(huán)境中的應(yīng)用。對于表面溫度測量，熱電偶的表現(xiàn)依然不盡人意，這主要是大氣效應(yīng)的影響以及材料表面熱電偶的安裝困難造成的［3］。在此領(lǐng)域廣為人知的另外一種測溫方法——紅外熱成像法，因其非接觸式測溫特性，較易應(yīng)用在在線測溫領(lǐng)域。然而背景環(huán)境復(fù)雜的折射率與反射率制約著其測量精度，使其很難在精確測控中有很大發(fā)展。超聲波在固體表面?zhèn)鞑バ纬陕暠砻娌ǎ渌俣纫部梢苑从澄矬w表面溫度信息，并且在測量精度上遠(yuǎn)高于紅外技術(shù)溫度測量［4］。超聲波測溫被譽(yù)為是當(dāng)今時代溫度測量最精確的手段。故近年來很多專家學(xué)者投入此領(lǐng)域進(jìn)行研究［5-7］。

傳統(tǒng)的超聲表面波測溫方法始終無法脫離敏感元件與待測環(huán)境之間的熱平衡前提。而敏感元件與待測環(huán)境的熱平衡將會帶來兩個問題，首先熱平衡會在一定程度上影響待測環(huán)境的整體溫度分布，敏感元件的置入本身會吸收或散發(fā)一部分熱量；其次熱平衡的形成需要時間，所以這種方法的快速響應(yīng)能力較弱，無法對快速變化的溫度進(jìn)行很好地跟蹤。本文將提出一種新的基于超聲表面波的測溫方法，能夠很好地解決以上兩個問題。

2　方法

2.1超聲波測溫原理

聲波在介質(zhì)中傳播速度受到介質(zhì)溫度的影響，當(dāng)這種影響可以被提取時，就使得新的溫度測量方法成為可能。

假設(shè)一個介質(zhì)中只存在一維的溫度梯度，表面波在其表面?zhèn)鞑ニ俣扔?/p>

式中：α——約為0.93；μ′——拉梅常數(shù)。

其中拉梅常數(shù)和密度顯然都是溫度的函數(shù)。超聲波回波穿越介質(zhì)溫度梯度方向的傳播時間tL可以由下式給出：

式中：L——超聲回波傳播距離；v（T）——超聲波速度，溫度T的函數(shù)。

超聲波傳播速度隨溫度的改變與介質(zhì)的材料特性有關(guān)，在特定的溫度區(qū)間內(nèi)可以用一個簡單的線性或二次方程來表示［2］。若測量區(qū)間跨度較大，則可以事先用試塊進(jìn)行速度-溫度標(biāo)定，繪制超聲聲速-溫度擬合曲線。介質(zhì)中的一維溫度分布T（x，t）是位置和時間的函數(shù)，受到被加熱物質(zhì)邊界條件的影響。因此根據(jù)（2）式，只要合理地列出熱控制方程并找出合適的邊界條件和初始條件，通過測量超聲波傳播時間tL即可得到被測物體的溫度分布。

2.2有限差分計算與熱傳導(dǎo)分析方法的結(jié)合

在實(shí)際加熱或冷卻過程中，邊界條件并不總是一成不變的，更多時候是隨時間在不停變化的，是很難準(zhǔn)確描述的，是幾乎無法得到的。所以通過以上方式來求得溫度場梯度的想法幾乎無法實(shí)現(xiàn)。為了克服以上問題，本文提出了一種新的可以有效測量聲波路徑上溫度場分布的方法。這種方法主要包括超聲脈沖回波的測量、熱傳導(dǎo)理論方法以及一維有限差分方程計算。這種方法的優(yōu)勢是不需要知道邊界條件。

一維有限差分模型主要由非常多的微小元素結(jié)構(gòu)體組成，用來分析薄板材料中的溫度傳導(dǎo)，如圖1所示。

圖1　超聲波測溫示意圖Fig.1 Diagram of acoustic thermometry

使用梯形積分法，（1）式中的飛行時間tL可以通過（3）式確定：式中：h——積分步長；N——總步數(shù)；vin ——表示聲速在每個網(wǎng)格中的傳播速度，其中i，n分表代表網(wǎng)格的編號和時間。

其中r=ατ/h2，且根據(jù)馮諾依曼穩(wěn)定判據(jù)，其值必須小于0.5。τ表示時間步長。

假設(shè)加熱面元i=1，在無法明確邊界條件的情況下，通過聯(lián)立有限差分方程與超聲渡越時間方程，依然可以解得待測平面上的一維溫度場分布。在n+1時刻，被加熱單元的溫度可以表示為

其中tL為n+1時刻測得的時渡越時間。

以上推導(dǎo)表明，在假設(shè)SAW傳播速度與介質(zhì)溫度成線性關(guān)系時，只要確定了任意時刻（初始時刻）待測面的溫度分布，通過測量SAW在待測面上的渡越時間，即可求得下一時刻待測面的溫度分布。只要持續(xù)不間斷測量SAW信號，即可求得任意時刻的待測面溫度分布。

2.3激光-超聲原理簡介

激光-超聲作為一種聲源，其主要基于熱彈效應(yīng)。以圖2中鋁塊為例，其表面受到激光脈沖照射，較低的吸收效率下，表面吸收的熱能使局部區(qū)域向空氣界面短暫地自由彈性膨脹，之后收縮，形成應(yīng)力波。

對于自由截面而言，縱波的傳播方向并不沿垂直界面的方向傳播，而是在延半頂角為α度的錐形中傳播；橫波延半頂角為β的錐形傳播。通常情況下α＞β，其值與界面材料有關(guān)，兩者疊加形成延截面?zhèn)鞑サ谋砻娌ā?/p>

激光干涉儀作為超聲檢測設(shè)備，其主要基于多普勒效應(yīng)。當(dāng)其接收到經(jīng)檢測面反射回來的激光束時，經(jīng)檢測面反射和散射的激光束由于檢測面的振動發(fā)生了頻率的變化。加載了檢測面振動頻率信息的反射光束被轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化，再經(jīng)過一系列的處理手段，最終在示波器上以電信號的形式表現(xiàn)出來。

這種基于多普勒效應(yīng)的激光干涉儀也叫速度干涉儀，對檢測面的振動非常敏感，對微振動有很好的檢測能力［8］。

3　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1使用激光-超聲方法測量表面溫度

圖2是實(shí)驗(yàn)用到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)中既包含了聲表面波溫度測量模塊，又包含了紅外熱成像模塊，實(shí)驗(yàn)樣品選用一塊30 mm厚的鋁板。激光脈沖發(fā)生器（工作波長1064 nm，單脈沖功率200 mJ，脈沖寬度5 ns）發(fā)射激光脈沖透過偏振片經(jīng)分光鏡分為兩路，分別在點(diǎn)A和點(diǎn)B激勵表面波。在C位置處使用基于光折變二波耦合的干涉儀（工作波長532 nm，功率200 mW）檢波。與此同時，鋁板的下表面由一個300°C的加熱爐加熱。通過筆者之前所做高精度時間測量方案［9］測出聲表面波1和聲表面波2到達(dá)C處的時間延遲，即可計算出表面波從A傳播至B處所需時間。

圖2　聲表面波溫度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of SAW thermometry system

在本次實(shí)驗(yàn)中，表面波傳播距離取50 mm，選用紅外熱成像儀做標(biāo)準(zhǔn)測量得到表面溫度分布參考值。表面波回波由上位機(jī)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)每0.1 s監(jiān)測一次，采樣頻率為100 MHz。圖3顯示了用超聲測溫法以及紅外成像法測得的鋁板表面溫度分布對從加熱起始計算的時間的變化，取0 s，5 s，15 s，40 s 和90 s時刻分別做了溫度分布曲線。超聲聲速隨溫度的變化由v（T）=-0.7560T+2981.7（m/s）［6］確定，鋁板初溫與環(huán)境溫度相同均為23.5°C。

圖3　激光-超聲技術(shù)與紅外測溫技術(shù)對加熱鋁板測溫結(jié)果對比圖Fig.3 Contrast of laser-ultrasonic method and IR method

從圖3還可以看出兩種算法求的表面溫度場分布基本吻合，但是可以從個別點(diǎn)較大的溫度偏差看到該方法的魯棒性有待提高。根據(jù)理論計算，時間測量2 ns左右的偏差將會使測溫結(jié)果相差1°，激光干涉儀檢測超聲波要求待測物固定良好，本次試驗(yàn)15 s邊緣一個數(shù)據(jù)點(diǎn)的5°誤差應(yīng)該就是待測件未能良好地固定所導(dǎo)致的。但是總體上良好的一致性依然可以說明超聲測溫法可以很好地完成表面溫度測量的任務(wù)。

3.2二維表面溫度測量

由于對二維平面上的表面溫度測量和一維表面溫度場的測量同樣重要，我們對此也做了嘗試性的研究。如圖4所示，用激光脈沖發(fā)生器照射點(diǎn)A1至A13從而激發(fā)聲表面波，在B點(diǎn)處使用激光干涉儀接收從前面這些點(diǎn)處傳來的聲表面波，對所有路徑做導(dǎo)熱反問題分析，這樣我們就得到了一個平面內(nèi)數(shù)條直線上的溫度分布情況，進(jìn)而通過這些路徑上的溫度分布來構(gòu)建整個平面的溫度場分布情況。

圖5　加熱鋁板超聲測溫和紅外熱成像結(jié)果對比圖（圖5（a）～圖5（d）左側(cè)為超聲測溫結(jié)果圖，右側(cè)為紅外成像測溫結(jié)果圖）Fig.5 Comparison of heated Al plate acoustic thermometry and infrared thermal imaging（The left is heated Al plate acoustic thermometry，the right is IR thermometry in（a）～（d））

為了驗(yàn)證這種方法的可行性，我們做了一個實(shí)驗(yàn)，選用一塊30 mm厚的鋁板作為實(shí)驗(yàn)樣本。如圖5所示，鋁板左邊通過一個300°C的加熱爐加熱，使用激光脈沖發(fā)生器（工作波長1064 nm，單脈沖功率200 mJ，脈沖寬度3 ns）通過二維檢流計掃描器不間斷掃描A1到A13激勵聲表面波，在B處用上文提到的激光干涉儀采集聲表面波信號。用這種方法我們可以得到介質(zhì)表面60 mm×60 mm區(qū)域內(nèi)沿多條不同路徑傳播的聲表面波。激光脈沖照射點(diǎn)離散間隔設(shè)定為10 mm，每秒鐘對上述13點(diǎn)完成一輪掃描。通過自動互相關(guān)處理，在B點(diǎn)處得到沿不同路徑傳播的精確的聲表面波傳播時間信息，進(jìn)而通過導(dǎo)熱反問題分析方法解出在每條路徑上的物體表面溫度場一維分布（A1-B，A2-B，···，A13-B）。得到的13條超聲路徑上的物體表面一維溫度場分布情況通過一種插值重構(gòu)算法進(jìn)而接觸在任意瞬間求解平面的表面溫度場分布情況。

通過圖5結(jié)果可以看出，超聲測溫法與熱成像測溫法兩種方法測得的物體表面溫度場分布情況隨時間的變化基本一致，求解過程中所用鋁表面波聲速隨溫度變化函數(shù)為v=-0.7560T+2981.7［3］，單位為m/s。

4　結(jié)論

本文提出了一種新的基于超聲表面波的受熱材料溫度場分布測量方法。這種方法包括超聲脈沖回波測量以及導(dǎo)熱反問題分析方法來求的沿聲波傳播路徑上的一維溫度場分布。通過對鋁塊和鋁板的實(shí)驗(yàn)證明了此方法是可行的。盡管還有進(jìn)一步研究以提高魯棒性和精確度的需求，但是這種方法作為工業(yè)高溫材料處理過程中的現(xiàn)場或在線溫度檢測技術(shù)在將來有很大的應(yīng)用潛力。

該方法的測溫精度取決于時間差測量精度，隨測量區(qū)域大小而改變。待測區(qū)域的增加相當(dāng)于時間信號的放大，從而獲得更高的溫度測量精度。筆者通過設(shè)計一種基于Xilinx Virtex-5的高精度時間電壓轉(zhuǎn)換器，時間測量精度可以達(dá)到80 ps［9-10］，在這種時間測量精度條件下的溫度測量理論精度能夠達(dá)到0.02°。致謝本文中的工作是在裝備預(yù)研基金項(xiàng)目914A17050312JB91202的支持下完成的。感謝在項(xiàng)目研究中張金教授所給予的點(diǎn)撥與意見。同樣感謝所有在論文寫作過程中幫助過作者的人，謝謝大家的寶貴意見和建議，才讓這篇文章得以完成。

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Study on a new method for heated material temperature measuring

WANG JinjueZHANG JinGAO Wang
（Army Officer Academy，Hefei 230000，China）

There is an increasing demand for temperature measurement of heated material in fields like material science and engineering.Temperature is one of the most important parameters for exploring features or behaviors of the heated material.Traditional methods for temperature measurements require a temperaturesensitive element.However，long measurement time is needed for the temperature-sensitive element and the target environment to obtain a thermal equilibrium.When target environment changes continuously，they may not give accurate temperature measurements.This paper offers a new method based on SAW（Surface acoustic wave）to measure temperature gradient directly on the surface of heated material，and it can avoid the usage of temperature-sensitive element and overcome the thermal equilibrium difficulty in the traditional temperature measurement methods.Experiments on Al material are showed and the expected results are achieved.With a new technology of laser-ultrasonics，acoustic thermometry as a new developed remote thermometry technology shows its apparent capability in high-temperature operation on material.

SAW，Temperature profile，Aluminum plate，Laser-ultrasonics

TH811.2

A

1000-310X（2015）03-0278-05

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.03.015

2014-07-13收稿；2015-01-30定稿

?裝備預(yù)研基金（914A17050312JB91202）

王瑾玨（1990-），男，河南安陽人，碩士研究生，研究方向：武器檢測技術(shù)。?

E-mail：leave_day@hotmail.com