一种物体表面热流密度检测方法、装置以及设备与流程

本发明涉及物体表面热流密度检测，特别是涉及一种物体表面热流密度检测方法、装置以及设备。

背景技术：

1、日常生产生活中，热量的传递现象广泛存在；温度和表面热流密度是热测试中最为常见的参数，其中，温度表征物体的冷热程度，表面热流密度则表示热量传递的大小和方向。表面热流密度的测量对物体热设计和性能评估都有着重要意义。

2、目前，物体表面热流密度的测量可分为接触式测热技术和非接触测热技术。接触式测热技术需要将传感器内埋或者嵌入到物体内部。“内埋式”传感器需要对物体内部进行打孔，会导致物体内部出现局部温度变化或应力集中等问题；“嵌入式”传感器由于物体本体和传感器之间存在物性差异，导致物体表面温度不均匀进而引起的“热匹配”问题（如冷点效应）和开孔后的结构补强、缝隙密封等“结构匹配”问题。而对于相变热图、液晶热图、温敏漆等非接触测热技术虽可实现表面热流的非接触测量，但存在工艺要求高、表面喷涂物影响表面性能等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种物体表面热流密度检测方法、装置、设备，在无需破坏被测物体结构的基础上实现被测物体表面热流密度的简单准确的检测。

2、为了解决上述技术问题，本技术公开了一种物体表面热流密度检测方法，包括：

3、设定物体待测面上热流随时间变化的初步热流密度函数；

4、采集所述物体待测面的初始温度和超声波传播时长，其中，所述超声波传播时长为超声波信号被发射到物体内部传播被所述物体待测面反射后传播至被接收的过程所经过的时长；

5、根据所述初始温度和所述初步热流密度函数，确定所述物体内部的温度分布函数，并根据所述温度分布函数确定理论超声波传播时长；

6、判断所述超声波传播时长和所述理论超声波传播时长之间的差异是否小于设定差异；

7、若是，则以所述初步热流密度函数作为所述物体待测面的热流密度函数；

8、若否，则对所述初步热流密度函数进行优化更新，并以新的初步热流密度函数重新执行采集所述物体待测面的初始温度和超声波传播时长的步骤，直到获得所述物体待测面的热流密度函数。

9、可选地，根据所述初始温度和所述初步热流密度函数，确定所述物体内部的温度分布函数，包括：根据边界条件和初始条件对所述物体内部满足的热传导方程进行求解，确定所述物体内部的温度分布函数；其中，为所述物体的密度；为所述物体的比热容；为所述物体的导热系数；为所述初步热流密度函数；为时间；为所述物体内沿所述超声波信号传播方向上的位置点坐标；为所述物体沿所述超声波信号传播方向上的厚度，且；为所述初始温度。

10、可选地，根据所述温度分布函数确定理论超声波传播时长，包括：根据所述超声波信号在所述物体内部传播满足的关系式，确定所述理论超声波传播时长；其中，为超声波在所述物体内随温度变化的传播速度；为所述物体内部的温度分布函数，和均为预先标定的常系数。

11、可选地，采集所述超声波传播时长的过程包括：

12、按照设定时间间隔连续采集多个所述超声波传播时长；

13、判断所述超声波传播时长和所述理论超声波传播时长之间的差异是否小于设定差异，包括：判断各个所述超声波传播时长和对应的所述理论超声波传播时长是否满足使得收敛判据收敛；其中，为所述理论超声波传播时长，为所述超声波传播时长，为最后一个超声波传播时长的采样时间点；为收敛半径。

14、可选地，设定物体待测面上热流随时间变化的初步热流密度函数，包括：

15、按照预设时间间隔连续多次采集所述物体待测面的温度数据；

16、根据随时间变化的所述温度数据，确定所述初步热流密度函数。

17、一种物体表面热流密度检测装置，包括：

18、函数设定模块，用于设定物体待测面上热流随时间变化的初步热流密度函数；

19、数据采集模块，用于采集所述物体待测面的初始温度和超声波传播时长，其中，所述超声波传播时长为超声波信号被发射到物体内部传播被所述物体待测面反射后传播至被接收的过程所经过的时长；

20、数据运算模块，用于根据所述初始温度和所述初步热流密度函数，确定所述物体内部的温度分布函数，并根据所述温度分布函数确定理论超声波传播时长；

21、数据对比模块，用于判断所述超声波传播时长和所述理论超声波传播时长之间的差异是否小于设定差异；若是，则以所述初步热流密度函数作为所述物体待测面的热流密度函数；若否，则对所述初步热流密度函数进行优化更新，并以新的初步热流密度函数重新执行采集所述物体待测面的初始温度和超声波传播时长的步骤，直到获得所述物体待测面的热流密度函数。

22、可选地，所述数据运算模块具体用于根据边界条件和初始条件对所述物体内部满足的热传导方程进行求解，确定所述物体内部的温度分布函数；其中，为所述物体的密度；为所述物体的比热容；为所述物体的导热系数；为所述初步热流密度函数；为时间；为所述物体内沿所述超声波信号传播方向上的位置点坐标；为所述物体沿所述超声波信号传播方向上的厚度，且；为所述初始温度。

23、可选地，所述数据运算模块具体用于根据所述超声波信号在所述物体内部传播满足的关系式，确定所述理论超声波传播时长；其中，为超声波在所述物体内随温度变化的传播速度；为所述物体内部的温度分布函数，和均为预先标定的常系数。

24、一种物体表面热流密度检测设备，包括：

25、用于产生超声波信号的信号发生器；

26、和所述信号发生器相连接，用于向物体内发射所述超声波信号，并接收经过物体待测面反射后传播的所述超声波信号的超声波探针；

27、用于检测所述物体待测面的初始温度的温度传感器；

28、和所述超声波探针以及所述温度传感器相连接的处理器，用于根据所述初始温度以及所述超声波探针向所述物体发射所述超声波信号和接收所述超声波信号之间的超声波传播时长，执行如上任一项所述的物体表面热流密度检测方法。

29、可选地，所述超声波探针还连接有增益模块，用于对所述超声波信号进行增强处理。

30、本发明所提供的一种物体表面热流密度检测方法、装置以及设备，该方法包括设定物体待测面上热流随时间变化的初步热流密度函数；采集物体待测面的初始温度和超声波传播时长，其中，超声波传播时长为超声波信号被发射到物体内部传播被物体待测面反射后传播至被接收的过程所经过的时长；根据初始温度和初步热流密度函数，确定物体内部的温度分布函数，并根据温度分布函数确定理论超声波传播时长；判断超声波传播时长和理论超声波传播时长之间的差异是否小于设定差异；若是，则以初步热流密度函数作为物体待测面的热流密度函数；若否，则对初步热流密度函数进行优化更新，并以新的初步热流密度函数重新执行采集物体待测面的初始温度和超声波传播时长的步骤，直到获得物体待测面的热流密度函数。

31、本技术中在对物体表面热流密度进行检测过程中，采集超声波信号发射至物体内传播并被物体待测面反射传播后被接收这一过程中的超声波传播时长；在此基础上，设定一个初步热流密度函数，并基于该初步热流密度函数推导出超声波信号理论上在该物体内传播的理论超声波传播时长；显然，若是该设定的初步热流密度函数准确，则该理论超声波传播时长应当和实际的超声波传播时长相同或近似，由此反演调整该初步热流密度函数，最终获得能够正确表征物体表面热流密度的热流密度函数。

32、综上所述，本技术中无需对物体结构进行破坏以及对物体进行其他任何处理，且超声波信号仅仅只在物体这一单一材料内部进行传播，能够避免外部环境的干扰，即降低了热流密度的测量难度又保证了热流密度函数的可靠性。