一种获取金属结构内部三维温度场的方法
【专利摘要】本发明公开了一种获取金属结构内部三维温度场的方法，首先，利用标定法确定金属结构的三维有限元模型前后表面的几何结点与金属结构的热像仪二维图结点之间的映射关系，利用该映射关系，就可得到金属结构表面的温度分布图；然后，利用金属结构的三维有限元模型的几何信息，对金属结构内部的用户指定截面进行定位，接着再利用线性计算方法计算金属结构内部用户指定截面上每个结点的温度值，进而得到所有用户指定截面上的温度分布；最后将这些温度分布图组合起来，就得到金属结构内部的三维温度场。
【专利说明】一种获取金属结构内部三维温度场的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及红外温度测试技术，特别涉及一种获取金属结构内部三维温度分布的方法。
【背景技术】
[0002]红外温度测量技术广泛地应用在机械、航天航空、建材、冶金、化工、石油等各类工业中。温度测量是现代工业控制系统的重要内容之一，其性能优劣直接影响着被控对象的质量。通过温度的精确测量控制加热温度，使之迅速、准确地达到设定值对于改进产品质量，提闻生广效率有着十分重要的现实意义。
[0003]在温度控制过程中，温度也是其中主要的被控参数之一。典型部件内部的温度分布直接体现了该设备工作的稳定性，可以帮助工作人员直观地观察，根据实际情况进行温度控制。温度分布与典型部件的几何尺寸、材料等因素相关，所以它也能反应出典型部件的设计与制造的合理与否。从温度控制过程来讲，建立在典型部件的温度分布分析技术之上的自动控制技术对于设备运行的安全性、高效性和低污染性将提供有效的保证。
[0004]然而，由于测量手段的限制，现有的测量仪器只能测量部件表面的温度分布情况，而关于部件内部的温度分布情况利用现有测量手段无法直接获知。为了能够获取部件内部的温度分布情况，目前可行的方案都是利用二维温度场重建三维温度场的技术。比如，有许多研究工作者用图像处理结构辐射传递的逆求解方法实现了三维温度场的重建，并已在电站的燃煤锅炉三维温度场可视化中得到应用。2007年，基于Monte Carlo技术的DRESOR法计算炉内的辐射传递过程，根据已建立的火焰温度图像与炉内三维温度场之间的线性关系，采用改进的Tikhonov正则化方法从火焰温度图像中重建炉内的三维温度场。近几年，人们采用声学法提出了一些三维温度场重建技术。这些方法大致可以分为两类:一类是基于二维典型平面重建和三维插值的三维温度场重建方法。另一类是直接三维温度场重建方法。第一类方法，首先在三维被测空间取几个典型层面，然后在这些典型层面四周尽可能均匀的布置声波收发器，形成穿过平面上的多条均匀分布的声波飞行路径，计算或测量这些典型层面上的声波飞行时间，利用二维温度场重建算法重建这几个典型层面的温度场，再利用三维插值的方法就可以得出其余层面上相应位置的温度场，从而得到整个三维温度场的重建结果。而直接三维温度场重建方法，首先在被测空间四周布置声波收发器，形成穿过该被测区域的同层面和不同层面上的多条均匀分布的声波飞行路径，并计算声波飞行时间，利用直接三维温度场重建算法重建出三维温度场。
[0005]目前这些方法只是针对可穿透的气体或火焰的三维温度场重建给出的可行的方案，针对材料不可穿透的固体结构的三维温度场的重建方法还没有查到相关文献。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种由金属结构外表面的二维温度场重建内部三维温度场的方法。[0007]为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的:
[0008]一种获取金属结构内部三维温度场分布的方法，其特征在于，包括下述步骤:
[0009]第一步，首先，建立金属结构的三维有限元模型，并确定与该模型几何坐标系XY轴相平行的两个外表面，即前表面与后表面，其中Z轴方向由后表面指向前表面；接着调整热像仪的拍摄位置，保证金属结构前、后表面温度分布的热像仪二维图的像素点坐标系的XY轴与三维有限元模型的几何坐标系的XY轴同向；最后分别拍摄出金属结构的前、后两个表面温度分布图，形成两张该金属结构表面温度分布的二维图；
[0010]第二步，利用金属结构的三维有限元模型和两张金属结构表面温度分布的二维图，建立二者之间的映射关系，具体步骤如下:
[0011](I)建立金属结构三维有限元模型的几何坐标和金属结构前表面温度分布的热像仪二维图像素点坐标之间的映射关系，如式(I)所示，由于二维图没有Z轴坐标，所以在建立映射关系时不予考虑，式(2)同理；
【权利要求】
1.一种获取金属结构内部三维温度场分布的方法，其特征在于，包括下述步骤: 第一步，首先，建立金属结构的三维有限元模型，并确定与该模型几何坐标系XY轴相平行的两个外表面:前表面与后表面，其中Z轴方向由后表面指向前表面；接着调整热像仪的拍摄位置，使金属结构前、后表面温度分布二维图的像素点坐标系的XY轴与三维有限元模型几何坐标系的XY轴同向；最后分别拍摄出该前、后两个表面温度分布图，形成两张该金属结构表面温度分布的二维图； 第二步，利用金属结构的三维有限元模型和两张金属结构表面温度分布的二维图，建立二者之间的映射关系，具体步骤如下: (1)建立金属结构三维有限元模型的几何坐标和金属结构前表面温度分布的热像仪二维图像素点坐标之间的映射关系，如式(I)所示，由于二维图没有Z轴坐标，所以在建立映射关系时不予考虑，式(2)同理；
【文档编号】G01J5/00GK103940517SQ201410163865
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】赵金伟, 吴永祥, 刘振, 徐峰涛, 赵建平, 罗景琳, 闫桂荣 申请人:西安交通大学