施 超，胡 斌,2，梁曉瑜

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的超聲測(cè)量

施 超1，胡 斌1,2，梁曉瑜1

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

針對(duì)固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度測(cè)量的工程需求，比較了目前工業(yè)中應(yīng)用較多的熱電偶測(cè)溫法、光纖光柵測(cè)溫法、中子共振譜法和超聲測(cè)溫技術(shù)，發(fā)現(xiàn)超聲測(cè)溫技術(shù)具有非接觸式測(cè)量、測(cè)溫范圍廣、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)而更適用于固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的測(cè)量.調(diào)研了超聲測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展歷史與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，重點(diǎn)對(duì)超聲溫度場(chǎng)重建方法進(jìn)行了介紹與分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的重建方法主要是針對(duì)一維溫度場(chǎng)的而且都存在參數(shù)獲取困難的局限性，導(dǎo)致重建方法的適用性較差并且重建精度較低.綜述了超聲測(cè)溫技術(shù)在火災(zāi)損傷、醫(yī)療衛(wèi)生、核力發(fā)電、冶煉制造等領(lǐng)域中的應(yīng)用，討論了超聲測(cè)溫技術(shù)在測(cè)溫機(jī)理、聲時(shí)測(cè)量算法和時(shí)間測(cè)量分辨率等方面存在的技術(shù)問題，總結(jié)了超聲測(cè)溫技術(shù)在今后發(fā)展中的重點(diǎn)研究方向并提出了展望.

固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)溫；超聲測(cè)溫技術(shù)；溫度場(chǎng)重建

固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)是結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行和健康監(jiān)測(cè)的重要組成部分，固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的測(cè)量與控制在國(guó)防軍事、機(jī)械制造、金屬冶煉、火災(zāi)防治和電力系統(tǒng)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用背景和強(qiáng)烈需求[1-2].冶煉行業(yè)中，由于燃燒工況不合理在高溫爐內(nèi)造成不均勻燃燒、火焰偏移和火焰刷墻等現(xiàn)象，導(dǎo)致爐膛結(jié)焦、滅火、爆炸等事故[3]；航空行業(yè)中，航天器機(jī)身結(jié)構(gòu)在高速飛行時(shí)，受到外部沖擊載荷和摩擦高溫的影響，導(dǎo)致機(jī)身結(jié)構(gòu)破損、爆炸等事故[4]；電力系統(tǒng)中，線圈繞組內(nèi)部溫度異常引起過熱燃燒、電路短路等事故[5]，而且，此類設(shè)施通常處于熱沖擊、物理沖擊、電離輻射、高壓、物理和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境，因此，對(duì)于固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度進(jìn)行有效的檢測(cè)和評(píng)估顯得尤為重要.

對(duì)于固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)溫的方法可以分為接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩大類.接觸式測(cè)溫法主要有：熱電偶測(cè)溫法、光纖光柵測(cè)溫法等，而非接觸式測(cè)溫法主要有：中子共振譜法、超聲測(cè)溫技術(shù)等.本文根據(jù)上述幾種方法的特點(diǎn)，分別從方法的測(cè)溫原理、研究狀態(tài)、應(yīng)用場(chǎng)合等方面進(jìn)行了概述，其中，重點(diǎn)介紹了超聲測(cè)溫技術(shù)的測(cè)溫機(jī)理、工程應(yīng)用和技術(shù)問題，并總結(jié)了超聲測(cè)溫技術(shù)今后的重點(diǎn)發(fā)展方向.

1 結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)溫方法及技術(shù)分析

1.1 熱電偶測(cè)溫法

熱電偶測(cè)溫法作為傳統(tǒng)的測(cè)溫方法，具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、測(cè)溫范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于大型橋梁、房屋建筑和冶煉燃燒爐等結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度測(cè)量中[6-7]，而且能實(shí)現(xiàn)-200～+1 600 ℃的連續(xù)溫度測(cè)量，一些特殊的熱電偶甚至可測(cè)+2 800 ℃的高溫.但其侵入式的安裝方式不僅會(huì)影響內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布，而且在傳感器安裝區(qū)域容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，破壞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而加大了結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度[8]；逐點(diǎn)的測(cè)溫方式也僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)區(qū)域的溫度測(cè)量，無法良好地評(píng)估結(jié)構(gòu)內(nèi)部整體溫度場(chǎng)；對(duì)于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境，傳感器還容易出現(xiàn)腐蝕失效、溫度漂移、嚴(yán)重?zé)釗p等問題，導(dǎo)致測(cè)溫精度變低，難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè).

1.2 光纖光柵測(cè)溫法

光纖光柵測(cè)溫法是基于光纖材料的光敏特性來實(shí)現(xiàn)測(cè)溫，目前已經(jīng)能成功應(yīng)用于復(fù)合材料固化的溫度監(jiān)控、大型電力設(shè)備繞組的內(nèi)部溫度監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等工業(yè)領(lǐng)域中[9-10]，具有體積小、質(zhì)量輕、抗腐蝕性能強(qiáng)、能分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，易于埋在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部而不影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.其分布式的安裝方式也能實(shí)現(xiàn)對(duì)固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部整體溫度場(chǎng)連續(xù)且實(shí)時(shí)的安全測(cè)量，具有良好的優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿11].但是，由于其本身傳感器的價(jià)格比較昂貴、測(cè)溫時(shí)需要的校正時(shí)間較長(zhǎng)、溫度的響應(yīng)靈敏度較低等原因的影響，導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中受到了較大的限制.其中，圖1是光纖光柵測(cè)溫法具體的結(jié)構(gòu)原理圖.

圖1 光纖光柵結(jié)構(gòu)原理圖Figure 1 Fiber bragg grating structure schematic diagram

1.3 中子共振譜法

中子共振譜法是利用當(dāng)中子穿過物體時(shí)，會(huì)形成透射譜，通過研究透射譜中共振形狀的多普勒展寬來進(jìn)行溫度評(píng)估與測(cè)量.理論上，中子共振譜法具有測(cè)溫的無上限性，對(duì)測(cè)溫材料也幾乎沒有限制，而且非接觸式的測(cè)量方式能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量一些以往方法難以獲取的溫度數(shù)據(jù)，是一種非常理想的結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)溫方法[12-13]. Los Alamos實(shí)驗(yàn)室[14]即利用中子共振譜法實(shí)現(xiàn)了對(duì)經(jīng)歷沖擊波后樣品的瞬時(shí)溫度、爆轟外濺的金屬碎片溫度并針對(duì)高速摩擦界面溫度的測(cè)量，為動(dòng)態(tài)載荷系統(tǒng)狀態(tài)方程的研究、武器設(shè)計(jì)等領(lǐng)域作出了重大貢獻(xiàn).但由于方法需要的高強(qiáng)度白光中子源十分有限，致使中子共振譜法的發(fā)展緩慢，難以滿足工業(yè)應(yīng)用需求.

1.4 小 結(jié)

上述三種方法雖然都能實(shí)現(xiàn)對(duì)固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度進(jìn)行測(cè)量，但是都存在較大的局限性，或是需要接觸式測(cè)量破壞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性或是測(cè)溫條件欠缺而不易推廣.而近年來發(fā)展迅速的超聲測(cè)溫技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，而且具有響應(yīng)速度快、不受輻射影響、沒有溫度漂移、測(cè)溫范圍大、靈敏度高等特點(diǎn)，更加適合于結(jié)固體構(gòu)內(nèi)部溫度的測(cè)量.

2 超聲測(cè)溫技術(shù)研究概述

2.1 研究歷史與現(xiàn)狀

聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)始于1687年，由牛頓發(fā)現(xiàn)了聲速與介質(zhì)溫度之間存在的相關(guān)性.一般在氣體或液體介質(zhì)中，超聲聲速與溫度呈正相關(guān)，而在固體介質(zhì)中，呈負(fù)相關(guān).在20世紀(jì)六七十年代，美國(guó)L. C. Lynnworth、S. C. Wilkins和英國(guó)J. F. W. Bell等科學(xué)先驅(qū)對(duì)聲學(xué)理論和測(cè)溫方法等進(jìn)行了研究，完善和推進(jìn)了聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展[15].其中，美內(nèi)華達(dá)大學(xué)的John A. Kleppe教授完善了聲學(xué)測(cè)溫在高溫測(cè)量中的基本理論并且構(gòu)建了測(cè)溫系統(tǒng)的基本框架，奠定了聲學(xué)測(cè)溫的理論基礎(chǔ).

21世紀(jì)初，超聲測(cè)溫技術(shù)得到迅猛發(fā)展，國(guó)外已有相應(yīng)的產(chǎn)品，如美國(guó)SEI公司的Boiler Watch及英國(guó)COEDL公司的PyroSonicII，等等.而且對(duì)于超聲測(cè)溫技術(shù)的研究已較為深入，已成功實(shí)現(xiàn)了在高溫鍋爐、核反應(yīng)堆、飛機(jī)結(jié)構(gòu)高溫?zé)嵩吹冉Y(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的測(cè)量.針對(duì)高溫測(cè)量，所設(shè)計(jì)的超聲測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量分辨率已達(dá)±1 ℃[16-17].

而國(guó)內(nèi)對(duì)于超聲測(cè)溫技術(shù)的認(rèn)知是在20世紀(jì)90年代才開始的，研究的時(shí)間短，尚處于初步階段.超聲測(cè)溫技術(shù)的研究對(duì)象主要為高溫氣和液體，如東北大學(xué)邵富群研究小組[18]，對(duì)高溫爐膛內(nèi)聲源信號(hào)、溫度重建算法和彎曲路徑補(bǔ)償算法進(jìn)行了研究，提出了相關(guān)的修正算法；華北電力大學(xué)的王立軍、田亮、葉艷等人[19]研究了風(fēng)速對(duì)超聲信號(hào)的影響，實(shí)現(xiàn)了30～90 ℃熱風(fēng)的溫度測(cè)量，測(cè)量誤差為±0.8 ℃；浙江工業(yè)大學(xué)的張祝軍、杭州電子科技大學(xué)的蔡勇、樊煒等人[20]對(duì)海底熱液溫度場(chǎng)進(jìn)行了初步研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)54 ℃熱水的溫度測(cè)量，最大誤差僅3.2 K.

整體上，國(guó)內(nèi)在技術(shù)上相比于國(guó)外還存在較大的差距，國(guó)外研制的超聲測(cè)溫系統(tǒng)已走上了產(chǎn)品化和商業(yè)化的道路.而國(guó)內(nèi)大多為理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，還難以應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中.然而，在固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)溫方面，國(guó)內(nèi)外都存在測(cè)溫精度差、測(cè)溫機(jī)理不完善等問題，對(duì)于超聲測(cè)溫技術(shù)的研究還有待深入.

2.2 超聲測(cè)溫機(jī)理研究

超聲測(cè)溫技術(shù)是基于超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，超聲聲速與介質(zhì)溫度之間存在一定的相關(guān)性.如圖2，結(jié)構(gòu)在底面受到均勻熱流的作用.假設(shè)超聲傳播路徑已知，即結(jié)構(gòu)厚度L，被檢結(jié)構(gòu)的材料為各向同性且溫度分布均勻，則超聲波傳過此結(jié)構(gòu)時(shí)渡越時(shí)間與溫度之間的關(guān)系如下[21]:

(1)

其中：ttof為超聲脈沖回波的渡越時(shí)間，s；L為材料結(jié)構(gòu)厚度，m；T為固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度，K；v(T)是超聲聲速與溫度的關(guān)系，m/s，與材料性能和溫度相關(guān)，則結(jié)構(gòu)所受溫度的線性函數(shù)為

v(T)=mT+n.

(2)

其中，m和n為常數(shù)，一般通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定.

對(duì)于固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的重建方法，主要可以分為三類：解析法、反演法和有限差分法.

圖2 超聲測(cè)溫技術(shù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)溫原理圖Figure 2 Priciple diagram of the ultrasonic temperature measuring technology for structure internal temperature

2.2.1 溫度場(chǎng)解析重建算法

無內(nèi)熱源的一維熱傳導(dǎo)方程可以表示為[22]

(3)

其中：t為結(jié)構(gòu)加熱時(shí)間，s；ρ為材料的密度，kg/m3；Cp為材料比熱容，J/(kg·K)；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K).

初始條件，T(x,t)|t=0=T0=const，為均勻溫度場(chǎng)，則方程(1)的基本解的表達(dá)式為

(4)

邊界條件

T(x,t)|x=0=Tre，T(x,t)|x=L=Tleng，t>0.

(5)

其中：Tleng可由熱電偶、紅外測(cè)溫等方式測(cè)量得到，K；加熱端Tre未知，K.

設(shè)一維熱傳導(dǎo)方程的通用解為

(6)

其中：a，b為待求的參數(shù).

式(6)中代入式(5)x=L的冷端邊界條件可得

(7)

假設(shè)在t時(shí)刻，測(cè)得的超聲波在結(jié)構(gòu)中的渡越時(shí)間為tL，結(jié)合(2)、(3)和(7)可得

(8)

通過求解式(7)、(8)即可求解獲得在t時(shí)刻的a、b值，則得到了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布T(x,t).

2.2.2 溫度場(chǎng)反演重建算法

一維熱傳導(dǎo)方程可以表示為

(9)

其中，k(T)為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，是與溫度相關(guān)的函數(shù)，W/(m·K).

邊界條件

T(x,t)|x=0=Tre，T(x,t)|x=L=Tleng，t>0.

(10)

初值條件

T(x,0)=T0，x∈[0,L].

(11)

超聲波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播過程的觀測(cè)方程為

tm=tex+εm.

(12)

其中：tm為超聲波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部實(shí)測(cè)的傳播時(shí)間，s；tex為超聲波傳播時(shí)間精確值，s；εm為測(cè)量超聲時(shí)的測(cè)量誤差，s.

熱傳導(dǎo)反問題，即變?yōu)椴牧闲阅軈?shù)和邊界條件Tleng、Tre的問題.其中，Tleng可以由熱電偶或者紅外測(cè)溫技術(shù)獲取，而Tre則需要由觀測(cè)方程(12)來辨識(shí)(式中，tex由數(shù)值模擬所得值tc代替).

目標(biāo)函數(shù)

(13)

其中：Tre為待辨識(shí)的溫度邊界條件，K；Tc為ti時(shí)刻下結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，K；tc,i為ti時(shí)刻由數(shù)值模擬計(jì)算得到的超聲波傳播時(shí)間，s；tm,i為ti時(shí)刻實(shí)際測(cè)量得到的超聲波傳播時(shí)間，s;下標(biāo)i為測(cè)量的時(shí)間序數(shù)；n為測(cè)量的采樣點(diǎn)數(shù).

根據(jù)上述辨識(shí)目標(biāo)確定后，熱傳導(dǎo)問題即可歸結(jié)為解析如下的非線性優(yōu)化問題

MinJ(Tre)，

(14)

(15)

T(x,t)，t>0，x∈[0,L].

(16)

2.2.3 溫度場(chǎng)有限差分重建法

結(jié)構(gòu)中一維熱傳導(dǎo)方程可以給出

(17)

T為結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，K；t為加熱開始后的時(shí)間，s；α是熱擴(kuò)散率系數(shù)，m2/s.

假設(shè)加熱前，結(jié)構(gòu)的表面存在一均勻溫度Tn，在時(shí)間步n的時(shí)候，結(jié)構(gòu)底面開始被加熱.在n的時(shí)間步后非常短的時(shí)間n+1時(shí)刻時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部上每個(gè)點(diǎn)的溫度如下[23]：

(18)

r=ατ/h2.

(19)

(20)

利用公式(19)和公式(2)，則時(shí)間步為n+1的加熱端溫度可以給出

(21)

2.3 小 結(jié)

上述方法在原理上實(shí)質(zhì)是對(duì)一維熱傳導(dǎo)方程和超聲傳播方程的解析，通過采用不同的解析方式來獲取固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)重建固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同時(shí)刻的溫度狀態(tài).但方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性：1)解析法重建結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度時(shí)，需要獲取結(jié)構(gòu)的加熱時(shí)間，而實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)已處于加熱狀態(tài)，加熱時(shí)間難以獲?。?)反演法中需要的理論超聲傳播時(shí)間采用了數(shù)值模擬的方式獲取，但實(shí)際結(jié)構(gòu)的加熱情況復(fù)雜，數(shù)值模擬難以保證精度；3)有限差分法則需要獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)部的初始溫度，與解析法存在的問題同樣，此溫度在實(shí)際工程中難以獲取.雖然三種方法都存在一定的局限性，但為超聲測(cè)溫技術(shù)在固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度測(cè)量中提出了新思路，奠定了理論基礎(chǔ).

3 超聲測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用

3.1 在火災(zāi)損傷的應(yīng)用

由于火災(zāi)建筑結(jié)構(gòu)在受到火災(zāi)高溫影響后，其混凝土和鋼筋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形能力嚴(yán)重劣化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)逐漸喪失承載力，進(jìn)而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破裂、坍塌等事故，危及人員和財(cái)產(chǎn)安全.為減少火災(zāi)損失，合理地評(píng)價(jià)災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)損傷程度，根據(jù)構(gòu)件損傷程度不同做出相應(yīng)的損傷評(píng)價(jià)，并提出經(jīng)濟(jì)可行且滿足實(shí)際需求的修復(fù)方案，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義.超聲測(cè)溫法是測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度曲線進(jìn)而評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布的理想方法，楊彥克、鄭盛娥[24]利用超聲法對(duì)受火損傷的混凝土構(gòu)件進(jìn)行了表面溫度和中心溫度評(píng)價(jià)，建立了溫度分布函數(shù)并成功獲取損傷混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布規(guī)律，根據(jù)最高溫度估定了混凝土損傷的程度，為后續(xù)的加固保護(hù)工作提供了根據(jù).

3.2 在醫(yī)療衛(wèi)生的應(yīng)用

超聲聚焦加熱法是一種治療癌癥的新方法，是基于超聲波的無創(chuàng)性和無害性，通過超聲聚焦對(duì)癌細(xì)胞進(jìn)行加熱，使其溫度達(dá)到癌細(xì)胞的致死溫度(約為42.5 ℃)，以實(shí)現(xiàn)殺死癌細(xì)胞而不損害正常組織的目的，由此對(duì)溫度的監(jiān)控顯得尤為重要.周著黃、盛磊、吳薇薇等人[25]利用超聲背向散射積分無損測(cè)溫方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)離體豬肝組織的溫度測(cè)量，建立了背向散射積分與溫度相關(guān)性模型，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)熱療的無損測(cè)溫，在熱凝固區(qū)檢測(cè)時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì).

3.3 在核力發(fā)電的應(yīng)用

核電作為一種清潔、高效的新能源，是各國(guó)重點(diǎn)的發(fā)展能源，但是由于核輻射會(huì)嚴(yán)重危害到人類健康和社會(huì)安定，所以核反應(yīng)堆的安全監(jiān)測(cè)問題需要重點(diǎn)考慮，而核反應(yīng)堆內(nèi)部超高溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，是反應(yīng)堆正常運(yùn)行的保證.針對(duì)核反應(yīng)堆超高溫的測(cè)量，Kil-Mo Koo，Dong-Gyu Jeong等人[26]利用超聲測(cè)溫技術(shù)研制了一套接觸式的高溫測(cè)量裝置，成功實(shí)現(xiàn)了從室溫到2 000 ℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，并且一定程度上證實(shí)了超聲測(cè)溫技術(shù)在反應(yīng)堆安全試驗(yàn)中的實(shí)用性，特別是涉及極端高溫或者存在溫度梯度明顯的測(cè)量情況.

圖3 基于脈沖回波的超聲測(cè)溫計(jì)Figure 3 Ultrasonic thermometer using a pulse-echo method

3.4 在冶煉制造的應(yīng)用

冶煉行業(yè)中，鍋爐內(nèi)部溫度分布不僅是確定設(shè)備安全運(yùn)行的重要狀態(tài)參數(shù)，而且是調(diào)節(jié)風(fēng)煤比、提高燃燒效率和提升產(chǎn)品品質(zhì)的重要依據(jù)，同時(shí)實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)還能幫助優(yōu)化脫硫與脫硝反應(yīng)，減少污染源的排放.美國(guó)SEI公司通過聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)研制了BOILER WATCH MMP-II-SSX的爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式的大型火力發(fā)電廠的鍋爐內(nèi)部溫度場(chǎng)分布，能實(shí)現(xiàn)0～1 927 ℃溫度測(cè)量且精度等級(jí)優(yōu)于0.5%.

圖4 BOILER WATCHMMP-II-SSX爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)Figure 4 BOILER WATCHMMP-II-SSX furnace temperature detection system

3.5 其他方面應(yīng)用

作為一種非侵入式的無損檢測(cè)方法，超聲測(cè)溫法還可以應(yīng)用于混凝土澆筑溫度、大氣層溫度、海洋溫度、海底熔融液溫度、材料焊接溫度、航天飛行器機(jī)身結(jié)構(gòu)溫度等的內(nèi)部溫度測(cè)量[27-28].Kathryn J. Dharmaraj，Chase D. Cox，Alvin M. Strauss等人[29]采用了超聲測(cè)溫技術(shù)成功測(cè)量了在焊接時(shí)鋁材料內(nèi)部的溫度，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升高時(shí)，楊氏模量會(huì)隨著溫度的變化而變化，從而會(huì)影響到超聲聲速的傳播，進(jìn)而影響測(cè)溫精度.

圖5 攪拌摩擦點(diǎn)焊測(cè)溫的傳感器裝置Figure 5 Setup of transducers to measure temperature of friction stir spot weld

3.6 小 結(jié)

超聲測(cè)溫技術(shù)已成功應(yīng)用于火災(zāi)損傷、醫(yī)療衛(wèi)生、核力發(fā)電、冶金制造、環(huán)境測(cè)溫等領(lǐng)域中，并作為一種無損測(cè)溫技術(shù)而被廣泛關(guān)注.然而在實(shí)際應(yīng)用中，超聲測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用還存在結(jié)構(gòu)內(nèi)部重建機(jī)理不完善、重建溫度精度較低、超聲換能器換能效率低、聲時(shí)測(cè)量不精確等問題.根據(jù)上述問題，對(duì)超聲測(cè)溫技術(shù)在超聲測(cè)溫機(jī)理、超聲換能器、聲源信號(hào)的選擇、時(shí)間測(cè)量分辨率、聲時(shí)測(cè)量算法等這些方面進(jìn)行了概述與分析.

4 超聲結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)溫技術(shù)存在問題

4.1 超聲測(cè)溫機(jī)理

超聲測(cè)溫機(jī)理是根據(jù)超聲波在加熱的氣、液、固介質(zhì)中傳播時(shí)，通過測(cè)量超聲波的渡越時(shí)間來計(jì)算聲速，再根據(jù)超聲聲速與介質(zhì)溫度之間的相關(guān)性來進(jìn)行溫度測(cè)量.其中，超聲聲速與溫度的關(guān)系的獲取對(duì)于測(cè)溫精度非常重要.對(duì)于固體介質(zhì)而言，超聲波縱波和橫波聲速方程可以得到：

(22)

(23)

其中：VL為超聲波縱波，m/s；Vs為超聲波橫波，m/s；E為固體材料的楊氏模量，Pa；ρ為固體材料密度，kg/m3；σ為泊松比.

根據(jù)上述公式可知，楊氏模量、材料密度、泊松比都是影響超聲聲速的因素，而且材料的非均勻性、晶粒特性、熱膨脹特性等也會(huì)導(dǎo)致超聲聲速的變化，可知影響超聲聲速的因素復(fù)雜繁多，致使超聲測(cè)溫機(jī)理的研究進(jìn)程比較緩慢[30].至今，對(duì)于聲速和溫度之間還未有較為成熟的數(shù)學(xué)模型和相關(guān)算法.

而且對(duì)于超聲溫度場(chǎng)重建方法的測(cè)量模型而言，現(xiàn)有的模型主要針對(duì)一維溫度場(chǎng)的重建，如：Ihara和Takahashi[31-32]利用有限差分法和反演算法構(gòu)建了超聲測(cè)量結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部的數(shù)學(xué)模型，給出了結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部的一維溫度場(chǎng)分布；M.R.Myers[33]通過熱傳導(dǎo)模型和反演算法構(gòu)建了超聲測(cè)量結(jié)構(gòu)熱通量的數(shù)學(xué)模型，此模型考慮了由材料熱膨脹、晶格剛度等材料屬性引起的聲速變化，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)熱流量的測(cè)量；魏東[34]通過研究解析法和反演法,準(zhǔn)確重建了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的均勻溫度場(chǎng)分布，所提出的方法具有良好的抗噪性.

然而對(duì)于固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部超聲聲速與溫度之間的關(guān)系，都采用了實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的方法，無法在機(jī)理上解釋熱/聲/固多場(chǎng)耦合特性和內(nèi)部作用機(jī)制；實(shí)驗(yàn)所采用的溫度也相對(duì)較低，僅為100 ℃左右，對(duì)于高溫測(cè)量的研究涉及甚少，還未在機(jī)理上分析由高溫導(dǎo)致的熱應(yīng)力、熱膨脹等因素引起的超聲測(cè)溫精度問題；對(duì)于非均勻溫度場(chǎng)的重建中，超聲波傳播路徑都采用了線性路徑，并未考慮到結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能會(huì)存在的“彎曲路徑”現(xiàn)象[35]，以致影響了溫度場(chǎng)重建精度；重建方法都為一維溫度場(chǎng)重建，對(duì)于二維/三維方面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的重建方法還未有涉及.由此可知，超聲測(cè)溫技術(shù)在固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)測(cè)量方面的理論研究還有待深化.

4.2 超聲換能器

超聲換能器是用于激發(fā)和接收超聲波脈沖信號(hào)的傳感器，超聲換能器的技術(shù)性能將直接影響到激發(fā)的超聲波信號(hào)質(zhì)量與信號(hào)接收的效果，進(jìn)而影響到超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精度.其中，超聲換能器根據(jù)激發(fā)原理一般可以分為壓電式超聲換能器、電磁式超聲換能器和激光超聲脈沖發(fā)生/接收器三種，具體的介紹與分析見表1.

表1 超聲換能器的介紹和分析Table 1 Introduction and analysis of the ultrasonic transducer

根據(jù)上表分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度非接觸式測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)，則電磁超聲換能器和激光超聲脈沖發(fā)生/接收器的研究是今后超聲結(jié)構(gòu)內(nèi)部非接觸式測(cè)溫的重點(diǎn)研究方向，其中，主要的研究方向是對(duì)超聲信號(hào)信噪比的提高、換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和超聲換能效率的提升等等.

4.3 聲源信號(hào)選擇

超聲聲源信號(hào)作為超聲渡越時(shí)間的測(cè)量源，選取合適的聲源信號(hào)也可以有效地提高測(cè)溫精度，尤其是對(duì)聲源信號(hào)頻率的選擇.當(dāng)聲源信號(hào)采用頻率過高時(shí)，超聲信號(hào)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重衰減的現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量的深度過淺，無法度量整體結(jié)構(gòu)；而當(dāng)采用頻率過低時(shí)，則容易受到超聲衍射引起的回聲噪聲的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)的抗噪性變差，聲時(shí)測(cè)量精度降低.根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，Ihara等人[21,36]在超聲測(cè)溫實(shí)驗(yàn)針對(duì)鋁、鋼結(jié)構(gòu)式樣中采用了2 MHz和5 MHz的超聲波縱波；Kathryn J. Dharmaraj等人[29]采用了4 MHz的超聲波縱波研究了摩擦電焊中超聲測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用，可知在固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)溫中，超聲信號(hào)的頻率一般選取為2～5 MHz之間，但對(duì)于具體的信號(hào)頻率選擇、聲源信號(hào)的激發(fā)方式、激發(fā)信號(hào)的類型等因素對(duì)超聲測(cè)溫技術(shù)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)用研究甚少，所以為提高結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)溫精度，有必要對(duì)聲源信號(hào)進(jìn)行研究.

4.4 時(shí)間測(cè)量分辨率

在固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)溫中，時(shí)間測(cè)量分辨率對(duì)于測(cè)溫精度至關(guān)重要.由圖6可知，超聲波在500 ℃的鋼材中，聲波縱波波速為5 604 m/s，橫波波速為2 676 m/s.當(dāng)溫度變化1 ℃時(shí)，超聲波縱波的傳播時(shí)間僅變化了0.02 μs，橫波為0.08 μs.上述分析可知，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨率的溫度測(cè)量，則需要超聲聲時(shí)納秒級(jí)甚至更高的測(cè)量分辨率，則對(duì)于硬件方面的A/D采樣頻率需達(dá)到1 GHz甚至更高，所以為實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)的研究也至關(guān)重要.

圖6 鋼中聲速與溫度的關(guān)系[36]Figure 6 Relationship between acoustic velocity and temperature in steel

4.5 聲時(shí)測(cè)量算法

聲時(shí)測(cè)量算法是超聲渡越時(shí)間精確測(cè)量的核心.渡越時(shí)間的測(cè)量實(shí)質(zhì)上是測(cè)量超聲波信號(hào)從激發(fā)到反射回?fù)Q能器的時(shí)間延遲t，如圖7.但由于聲時(shí)測(cè)量時(shí)，容易受到背景噪聲干擾，則需要有效的聲時(shí)測(cè)量算法來識(shí)別和確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部的渡越時(shí)間.

圖7 超聲脈沖回波延遲信號(hào)Figure 7 Ultrasonic pulse echo signal delay

現(xiàn)有的聲時(shí)測(cè)量算法主要有互相關(guān)延遲法、軟件細(xì)分算法、過零點(diǎn)檢測(cè)法、電子技術(shù)法等.張興紅、邱磊、何濤等人[37]提出的軟件細(xì)分法在理論上能實(shí)現(xiàn)渡越時(shí)間分辨率低于1 ns的測(cè)量；金松日、唐禎安、陳毅等人[38]設(shè)計(jì)了一種提高過零點(diǎn)檢測(cè)精度的測(cè)量原理和高信噪比的過零點(diǎn)選擇比較電路，實(shí)現(xiàn)了10 ns級(jí)的測(cè)量；續(xù)穎[39]提出的快速互相關(guān)與抽樣率變換相結(jié)合的超聲渡越時(shí)間估計(jì)法，用抽樣率變換減少等效采樣率，得到的聲波波動(dòng)較小，穩(wěn)定性較好.但是上述方法主要應(yīng)用于液體和氣體的溫度或者固體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力測(cè)量中超聲聲時(shí)的獲取，未針對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度測(cè)量方面的聲時(shí)獲取，所以還需要研究上述幾種方法與結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度中超聲聲時(shí)的測(cè)量的契合度或者提出一種新型的超聲聲時(shí)測(cè)量算法.

5 總結(jié)與展望

超聲測(cè)溫技術(shù)作為一種新興的測(cè)溫技術(shù)，融合了聲學(xué)、信號(hào)處理、熱工計(jì)量、儀器儀表等多個(gè)學(xué)科，具有響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍大、可非接觸測(cè)溫等優(yōu)點(diǎn)，在固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)溫方面更具優(yōu)勢(shì).其中，在高溫測(cè)量方面，超聲測(cè)溫技術(shù)已成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)高溫爐內(nèi)高溫氣、核電核反應(yīng)堆內(nèi)熔融液等的高溫測(cè)量.在低溫測(cè)量方面，基于超聲測(cè)溫技術(shù)研制的聲學(xué)溫度計(jì)則已被認(rèn)作為2～20 K溫度范圍內(nèi)的基準(zhǔn)計(jì)溫方法[40].但由于超聲測(cè)溫技術(shù)的研究時(shí)間較短，測(cè)溫機(jī)理的比較復(fù)雜，導(dǎo)致在固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度上的測(cè)量還存在諸多問題需要解決.

1)超聲波在存在溫度載荷固體中的傳播機(jī)理.溫度對(duì)于固體中超聲波傳播的影響，可以表征為材料的楊氏模量、密度、泊松比與溫度之間的關(guān)系，而上述三種參數(shù)與溫度的本構(gòu)關(guān)系尚未建立，致使無法在理論上獲取固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部超聲聲速與溫度的函數(shù)關(guān)系，從而無法在機(jī)理上解釋熱/聲/固多場(chǎng)耦合特性和內(nèi)部作用機(jī)制，致使超聲測(cè)溫技術(shù)的測(cè)溫精度難以提高.

2)固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部超聲溫度場(chǎng)重建方法.現(xiàn)有的重建方法主要針對(duì)為一維溫度場(chǎng)的重建，實(shí)現(xiàn)的重建溫度一般為100 ℃左右，對(duì)于高溫情況下結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的熱應(yīng)力、熱膨脹等現(xiàn)象對(duì)超聲測(cè)溫精度的影響少有研究，導(dǎo)致重建方法的適用性較差，而無法應(yīng)用于實(shí)際工程中.而且由于材料的非均勻性、瞬態(tài)熱邊界、彎曲效應(yīng)等因素的影響，使得固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部二維/三維溫度場(chǎng)重建的研究十分復(fù)雜，研究進(jìn)度緩慢.

3)高精度超聲測(cè)溫系統(tǒng).現(xiàn)有的超聲測(cè)溫系統(tǒng)主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究中，存在如系統(tǒng)采樣頻率較低、超聲聲時(shí)測(cè)量誤差較大等問題，導(dǎo)致測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力差，而無法滿足工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度狀態(tài)的需求.

但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，超聲測(cè)溫技術(shù)必將朝著多元化、系統(tǒng)化和多技術(shù)融合的方向發(fā)展，在不久的將來會(huì)在提升工業(yè)安全、提高工業(yè)生產(chǎn)效率和提升人們健康水平上發(fā)揮越來越重要的作用.

[1] 楊永軍.溫度測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展概述[J].計(jì)測(cè)技術(shù),2009,29(4):62-66. YANG Yongjun. Development of the technology in temperature measurement[J]. Metrology & Measurement Technology,2009,29(4):62-66.

[2] 彭超,趙健康,苗付貴.分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在線監(jiān)測(cè)電纜溫度[J].高電壓技術(shù),2006,32(8):43-45. PENF Chao, ZHAO Jiangkang, MIAO Fugui. Distributed temperature system applied in cable temperature measurement[J]. High Voltage Engineering,2006,32(8):43-45.

[3] 劉彤,荊欣,龐力平.發(fā)展中的鍋爐爐內(nèi)溫度測(cè)量技術(shù)[J].現(xiàn)代電力,2002,19(4):14-20. LIU Tong, JING Xin, PANG Liping. Developing measurement of the temperature field of the furnace[J]. Modern Electric Power,2002,19(4):18-19.

[4] MAN Q, MA S S, XIA L H, et al. Research on security monitoring and health management system of medium-range UAV[C]// Proceedings of 8th International Conference on reliability, Maintainability and Safety. Washington, DC: IEEE.2009:854-857.

[5] 何汶靜,趙毅.電氣光纖光柵測(cè)溫火災(zāi)預(yù)警技術(shù)[J].消防科學(xué)與技術(shù),2011,30(8):711-714. HE Wenjing, ZHAO Yi. Bragg fiber gratings temperature monitoring system for warning of electric fire[J]. Fire Science and Technology,2011,30(8):711-714.

[6] 楊紅,孫卓,劉夏平,等.基于多最小二乘支持向量機(jī)的橋梁溫度撓度效應(yīng)的分離[J].振動(dòng)與沖擊,2014(1):71-76. YANG Hong, SUN Zhuo, LIU Xiaping, et al. Separation of bridge temperature deflection effect based on M-LS-SVM[J]. Journal of Vibration and Shock,2014(1):71-76.

[7] 王魁漢,吳向中,董健.粉末冶金真空爐專用新型熱電偶與在線原位校準(zhǔn)[J].粉末冶金技術(shù),2015,33(2):140-146. WANG Kuihan, WU Xiangzhong, DONG Jian. The new type high-temperature sensor for vacuum metallurgy and online onsite calibration of the system[J]. Power Metallurgy Technology,2015,32(2):140-146.

[8] WANG H, YU H, LIN F, et al. Method and experiment of noninvasive temperature estimation by ultrasound echo pulses[C]// Proceedings of the 20th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Washington, DC: IEEE,1998:1513-1516.

[9] 王鵬,張影,趙洪,等.雙光柵監(jiān)測(cè)環(huán)氧樹脂固化過程及玻璃化溫度實(shí)驗(yàn)[J].光電子·激光,2013(4):763-768. WANG peng, ZHANG Ying, ZHAO Hong, et al. Cure monitoring and glass transition temperature measuring of epoxy resin using two FBGs[J]. Journal of Optoelectronics· Laser,2013(4):763-768.

[10] 王寧,何偉,廖招龍,等.光纖光柵對(duì)線圈繞組內(nèi)部溫度測(cè)量研究[J].光學(xué)與光電技術(shù),2009,7(5):23-26. WANG Ning, HE Wei, LIAO Zhaolong, et al. Research on fiber bragg grating sensor for measuring the internal temperature of coil winding[J]. Optics & Optoelectronic Technology,2009,7(5):23-26.

[11] 邵螈琴,謝敏,徐瀚立,等.一種提高分布式光纖溫度傳感器參考溫度準(zhǔn)確度的方法[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2013,24(2):141-145. SHAO Yuangqin, XIE Min, XU Hanli, et al. A method to improve the accuracy of reference temperatures of distributed optical fiber temperature sensors[J]. Journal of China University of Metrology,2013,24(2):141-145.

[12] 胡春明,童劍飛,余朝舉.利用中子共振譜實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的溫度測(cè)量[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2011,31(6):595-597. HU Chunming, TONG Jianfei, YU Chaoju. Temperature measurement in dynamic system using neutron resonance spectroscopy[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology,2011,31(6):595-597.

[13] 向艷軍,馬景芳.神龍一號(hào)裝置產(chǎn)生的共振能區(qū)光中子特性模擬研究[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2010,30(3):394-400. XIANG Yanjun, MA Jingfang. The simulation of resonance photoneutron produced by dragon-I[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology,2010,31(6):595-597.

[14] 顧牡,方弘,劉波,等.中子共振譜測(cè)溫的研究和應(yīng)用[J].物理學(xué)進(jìn)展,2011,31(2):111-135. GU Mu, FANG Hong, LIU Bo, et al. Study and application of the temperature measurement by neutron resonance spectroscopy[J]. Progress in Physics,2011,31(2):111-135.

[15] 孫崇正.超聲波測(cè)溫技術(shù)進(jìn)展[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù),1995,15(2):34-42. SUN Chongzheng. Progress of ultrasonic thermometry[J]. Journal of Astronautic Metrology and Measurement,1995,15(2):34-42.

[16] FIELD M E. Development of ultrasonic thermometry for application in LMFBR safety research[C]// IEEE 1984 Ultrasonics Symposium. Washington, DC: IEEE,1984:450-455.

[17] SUTTON G, PODESTA M D, VELTCHEVA R I, et al. Practical acoustic thermometry with acoustic waveguides[J]. International Journal of Thermophysics,2010,31(8-9):1554-1566.

[18] 田豐,邵富群,王福利,等.基于彎曲路徑的復(fù)雜溫度場(chǎng)重建算法仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2003,15(5):621-623. TIAN Feng, SHAO Fuqun, WANG Fuli, et al. Simulation of complex temperature field reconstruction algorithm based on curved paths[J]. Journal of System Simulation,2003,15(5):621-623.

[19] 王利軍,田亮,葉艷,等.超聲波溫度測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電站系統(tǒng)工程,2011,27(6):19-25. WANG Lijun, TIAN Liang, YE Yan, et al. Design and implement of an ultrasonic temperature measurement device[J]. Power System Engineering,2011,27(6):19-25.

[20] 張祝軍,潘宏,蔡勇,等.海底熱液溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的初步研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2010,24(11):1031-1037. ZHANG Zhujun, PAN Hong, CAI Yong, et al. Preliminary study of an acoustic temperature measuring system for seafloor hydrothermal vents[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument,2010,24(11):1031-1037.

[21] IHARA I, TAKAHASHI M. Ultrasound thermometry for monitoring internal temperature gradient in heated material[C]// 2009 IEEE International Ultrasonics Symposium. Washington, DC: IEEE,2009:1199-1202.

[22] 魏東,石友安,杜雁霞,等.結(jié)構(gòu)內(nèi)部非均勻溫度場(chǎng)的重建方法研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2016(5):1055-1060. WEI Dong, SHI Youan, DU Yanxia, et al. Reconstructions of internal non-uniform temperature distributions in solid structures[J]. Journal of Engineering Thermophysics,2016(5):1055-1060.

[23] IHARA I, TAKAHASHI M, YAMADA H. A non-contact temperature sensing with ultrasound and the potential for monitoring heated materials[C]// Sensors, 2009 IEEE. Washington, DC: IEEE,2009:1709-1714.

[24] 楊彥克,鄭盛娥.用超聲法估定火傷混凝土構(gòu)件截面上的溫度分布[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),1993(4):78-83. YANG Yanke, ZHENG Shenge. Evaluation temperature distribution of the sections of fire damaged concrete elements by ultrasonic pulse method[J]. Journal of Southwest Jiaotong University,1993(4):78-83.

[25] 周著黃,盛磊,吳薇薇,等.基于超聲背向散射積分的微波熱療無損測(cè)溫[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,40(5):781-787. ZHOU Zhuhuang, SHENG Lei, WU Weiwei, et al. Noninvasive temperature estimation of microwave hyperthermia using ultrasonic integrated backscatter[J]. Journal of Beijing Polytechnic University,2014,40(5):781-787.

[26] KOO K M, JEONG D G, CHOI J H, et al. A new measurement system of very high temperature in atomic pile using ultrasonic delay time[C]// Proceedings of IEEE Region 10 International Conference on Electrical and Electronic Technology. Washington, DC: IEEE,2001,2:860-863.

[27] KYCHAKOFF G, HOLLINGSHEAD A F, BOYD S P. Use of acoustic temperature measurements in the cement manufacturing pyroprocess[C]// Cement Industry Technical Conference, 2005. Conference Record. Washington, DC: IEEE,2005:23-33.

[28] ZIEMANN A, ARNOLD K, RAABE A. Acoustic tomography as a remote sensing method to investigate the near-surface atmospheric boundary layer in comparison with in situ measurements[J]. Journal of Atmospheric & Oceanic Technology,2002,19(8):1208-1215.

[29] DHARMARAJ K J, COX C D, STRAUSS A M, et al. Ultrasonic thermometry for friction stir spot welding[J]. Measurement,2014,49(49):226-235.

[30] ARIAS I, ACHENBACH J D. A model for the ultrasonic detection of surface-breaking cracks by the scanning laser source technique[J]. Wave Motion,2004,39(1):61-75.

[31] IHARA I, YAMADA H, KOSUGI A, et al. New ultrasonic thermometry and its applications to temperature profiling of heated materials[C]// Sensing Technology (ICST), 2011 Fifth International Conference on. Washington, DC: IEEE,2011:60-65.

[32] IHARA I, TAKAHASHI M. Laser-ultrasonic monitoring of temperature distribution of material surface during heating[C]// Proceedings of 1st International Symposium on Laser Ultrasonics: Science, Technology and Applications. Portugal: [s. n],2008:188-192.

[33] MYERS M R, WALKER D G, YUHAS D E, et al. Heat flux determination from ultrasonic pulse measurements[C]// ASME 2008 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. New York: ASME,2008:739-743.

[34] 石友安,魏東,桂業(yè)偉,等.超聲測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)部瞬態(tài)溫度場(chǎng)的重建方法研究[J].中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué),2016(5):509-517. SHI Youan, WEI Dong, GUI Yewei, et al. Research on parameter estimation in ultrasonic measurement of internal transient temperature distributions[J]. Scientia Sinica Technologica,2016(5):509-517.

[35] LU J, WAKAI K, TAKAHASHI S, et al. Acoustic computer tomographic pyrometry for two-dimensional measurement of gases taking into account the effect of refraction of sound wave paths[J]. Measurement Science & Technology,2000,11(6):692-697.

[36] IHARA I, TAKAHASHI M. A new method for internal temperature profile measurement by ultrasound[C]// IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference. Washington, DC: IEEE,2007:1-5.

[37] 張興紅,邱磊,何濤,等.反射式超聲波溫度計(jì)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(9):16-18. ZHANG Xinghong, QIU Lei, HE Tao, et al. Design of reflective ultrasonic thermometer[J]. Instrument Technique and Sensor,2014(9):16-18.

[38] 金松日,唐禎安,陳毅. TDC-GP21在超聲波傳播時(shí)間測(cè)量中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(6):98-101. JIN Songri, TANG Zhenan, CHEN Yi. Application of TDC-GP21 in measurement of ultrasonic transmission time[J]. Instrument Technique and Sensor,2013(6):98-101.

[39] 續(xù)穎.聲學(xué)法測(cè)溫系統(tǒng)及聲傳播時(shí)間測(cè)量方法研究[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2009. XU Ying. Research of acoustic temperature field measurement system and acoustic travel-time measurement method[D]. Shengyang: Shenyang University of Technology,2009.

[40] 同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究室.超聲工業(yè)測(cè)量技術(shù)[M].上海:上海人民出版社,1977:139. Institute of acoustics. Ultrasonic industrial measurement technology[M]. Shanghai: Shanghai People’s Publishing House,1977:139.

Ultrasound measurement of the internal temperature of solid structures

SHI Chao1, HU Bin2, LIANG Xiaoyu1

(1.College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China；2.China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

Aiming at the engineering requirements of the internal temperature measurement of solid structures, we compared the thermocouple thermometry, the fiber Bragg grating temperature measurement technology, the neutron resonance spectrum method and the ultrasonic thermometry. Ultrasonic thermometry is more suitable for the internal temperature measurement of solid structures because of the characteristics of its non-contact measurement, wide temperature range, fast response. The development history and the current situation of ultrasonic temperature measurement technology in China and overseas were investigated. The reconstruction method of ultrasonic temperature fields was introduced and analyzed. The available reconstruction methods were mainly aimed at one-dimensional temperature fields and had limitations in parameter acquisition, which led to poor applicability and low reconstruction precision. The applications of ultrasonic thermometry in fire damage, medical heath, nuclear power generation and smelting manufacturing were reviewed. The technical problems of the ultrasonic temperature measurement technology such as temperature measurement mechanism, ultrasonic sound measurement algorithm and time measurement resolution were discussed. Finally, this paper summarized the key research directions of the ultrasonic temperature measurement technology in the future.

internal temperature measurement of solid structures; ultrasonic thermometry; temperature field reconstruction

2096-2835(2016)04-0355-11

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.04.001

2016-08-12 《中國(guó)計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.11402285).

TK311

A