Page 40 - 无损检测2021年第七期

张 锐, 等:

超声固体测温中波速与温度的相关性试验

v T = 2 L / t ( 3 )
1 声时的温度灵敏度特性分析
在不同温度下采用脉冲回波法检测, 由式( 3 ) 计
以二维温度场的超声检测为例, 假设结构左端 算出不同温度下超声波在介质中的传播速度, 通过一
受到热流的加热作用, 超声测温时声波探头安装在 系列均匀温度状态下波速的检测, 获得超声波波速与
结构右端。采用脉冲回波法进行检测时, 超声波在 温度的关系式。脉冲回波法检测原理如图2所示。
可表示为
固体介质中的传播时间t L
L
1
t L = 2 dx ( 1 )
∫ v T
0
为
式中: L 为超声波在介质中的单向传播距离; v T
超声波在介质中的传播速度。
对式( 1 ) 关于温度求导, 得到声时的温度灵敏度
为
S t
L
-1∂v T 图 2 脉冲回波法检测原理示意
S t= 2 dx ( 2 )
∫ v T ∂T
2
0 2.2 检测平台及检测方法
式中: T 为温度。
现有的超声检测设备主要是对常温或者中低温
与传播路
的测厚, 声时检测精度为微秒量级, 无法识别1 ℃温
由式( 2 ) 可知, 声时的温度灵敏度 S t
径的长度和波速有关, 传播路径越长, 波速随温度变
度变化带来的声时变化。搭建了基于声时检测的超
化得越快, 声时的灵敏度越高。根据纵波、 横波波速
声固体测温原理性试验平台( 见图 3 ), 可实现 600 ℃
与温度的关系 [ 3-4 ] , 假设介质长度为 1 m , 得到纵波

温度范围内的纳秒级声时检测、 声时和温度数据同
和横波声时的温度灵敏度( 见图 1 )。
步自动采集等功能。试验平台主要由 3 个部分组
成: 超声声时检测系统、 温度检测系统、 加热系统等。
超声声时检测系统的核心功能是基于现场可编程门

阵列( FGPA ) 来完成的, 能够兼容 1 MHz~5 MHz
的超声探头, 支持频率可调, 满足常规探头或电磁探

头的驱动, 最高瞬时功率能够达到 9000 W 。通过

主机控制 FGPA , 使 DDS ( 直接数字频率合成) 激发
超声波探头, 当超声信号在试件底部反射并传回超
声探头后, 对超声信号进行采集。超声信号采集由
图 1 单位长度横波与纵波检测声时的温度灵敏度曲线 示波器和 A / D ( 模拟 / 数字) 数据采集板卡完成, 数

不同介质中, 纵波和横波的传播速度不同, 声时 据采集频率最高为 2.5GHz 。采用电磁式超声探头,
的温度灵敏度也不同, 同种介质中横波声时的温度
敏感度约为纵波声时的 3 倍。如果被测结构的长度

为 1cm , 温 度 变 化 为 1 ℃ , 横 波 声 时 的 变 化 约 为

1.5×10 s , 为了分辨1℃ 带来的声时变化, 需要纳
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秒级声时检测技术。此外, 由于同种介质中波速与
温度的关系不同, 声时的温度灵敏度也不同。因此,
需要对同种介质进行多次重复试验, 研究波速与温
度的相关性。

2 检测原理及检测方法

2.1 检测原理
在一维传热中, 超声波在均匀温度介质中的传
图 3 超声固体测温原理性试验平台结构示意
可以表示为
播速度v T
2

2021 年 第 43 卷 第 7 期
无损检测