基于声学测量方法的二维温度场的可视化研究

论文摘要

温度场的检测在许多研究领域及工农业生产和日常生活等方面都具有十分重要的意义。然而,温度场的测量又是一个十分复杂的问题,传统的温度检测方法已经远远不能够满足生产和生活的需要。作为一种新型的测温方法,声学方法具有测量范围宽、测量空间大、非接触、实时连续、维护方便等特点,在工业生产、科学研究中能够满足温度场在线控制的需要,在高温和恶劣的测温环境中,此方法更具有传统方法所无法比拟的优势和特点。本课题对二维圆形边界温度场声学测量方法进行研究。首先,提出一种新的二维圆形边界温度场的区域划分方法,阐述了声学法二维温度场重建思想,应用VC语言编制了最小二乘重建算法程序,对四种模型温度场进行仿真重建。应用MATLAB软件的插值功能及绘图功能绘出了四种模型温度场及重建温度场的三维立体图,并对仿真结果进行分析,验证了应用最小二乘算法重建二维温度场的可行性及正六边形子温区划分方式的合理性。其次,在实验室条件下,搭建了二维圆形边界温度场声学测量实验系统,测量声波在各有效路径上的飞渡时间ti,并对其进行了必要的修正,从而实现在上位机上利用上述测量得到的时间间隔、反演程序以及必要的其他参数,反演出实验室条件下的无热源温度场及单峰对称温度场的测量结果,实现了温度场测量的可视化。第三,同时采用以DS18B20为传感器的多点温度实时测量系统对声学法所测的无热源温度场及单峰对称温度场进行温度点测,并与声学测量结果进行对比分析,即对于无热源温度场,声学测量与点测结果相比,最大温差仅为0.167K,最大误差仅为0.06%;对于单峰对称温度场,声学测量与点测结果相比,最大温差为13K,最大误差仅为3.9%。结果表明,在允许的误差范围内,两种方法所测得的温度场分布基本吻合,证明了所建立的温度场声学测温系统的正确性、合理性和实用性。最后,提出二维温度场声学测量的改进意见,指明进一步的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 温度测量方法综述
• 1.3 声学测温的国内外发展现状
• 1.3.1 声学测温的国外发展现状
• 1.3.2 声学测温的国内发展现状
• 1.4 课题研究的主要内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 声学测温的基本理论
• 2.1 动力学方程
• 2.2 声学测温方程
• 2.3 声学测温的原理
• 2.3.1 单路径测温原理
• 2.3.2 多条路径确定二维温度场分布原理
• 2.4 声学测温的典型装置介绍
• 2.5 声学测温的优点及其存在的问题
• 2.5.1 声学测温法的优点
• 2.5.2 声学测温法存在的问题
• 2.6 本章小结
• 第三章 二维温度场重建逆问题研究
• 3.1 反演问题的一般论述
• 3.1.1 反演问题的基本概念
• 3.1.2 反演问题的一般论述
• 3.1.3 反演问题的求解
• 3.2 由投影重建图像的反演——CT
• 3.2.1 CT 原理
• 3.2.2 傅里叶变换重建法
• 3.2.3 滤波反投影
• 3.2.4 卷积反投影
• 3.2.5 基于声波传播时间的超声波CT
• 3.2.6 温度场声学测量重建的有限级数展开算法
• 3.3 温度场声学测量重建的最小二乘算法
• 3.4 二维温度场的重建
• 3.4.1 换能器的分布和测量区域的分块方法
• 3.4.2 多元插值
• 3.4.3 最小二乘法重建二维温度场
• 3.5 二维温度场的计算机仿真
• 3.5.1 建立理想温度场的数学模型
• 3.5.2 获取声波传播时间
• 3.5.3 各区域平均温度的计算及温度场重建
• 3.5.4 结果分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 二维温度场测量系统的开发与实验研究
• 4.1 二维温度场声学测温系统组成及设计
• 4.1.1 硬件系统
• 4.1.2 软件系统
• 4.1.3 二维温度场声学测温系统控制电路设计
• 4.2 二维温度场声学测量系统实验
• 4.2.1 实验数据的采集与消噪
• 4.2.2 移动平均值法数字滤波
• 4.2.3 最小二乘法线性拟合
• 4.2.4 声波飞渡时间的修正
• 4.3 温度场点测系统组成及设计
• 4.3.1 硬件系统
• 4.3.2 软件系统
• 4.3.3 二维温度场点测系统布控方式
• 4.4 本章小结
• 第五章 二维温度场测温实验数据与误差分析
• 5.1 二维温度场声学测量实验
• 5.1.1 无热源温度场实验及数据处理
• 5.1.2 单峰对称温度场实验及数据处理
• 5.2 二维温度场点测实验
• 5.2.1 无热源温度场实验及数据处理
• 5.2.2 单峰对称温度场实验及数据处理
• 5.3 二维温度场声学测量与点测对比分析
• 5.4 实验误差分析
• 5.4.1 计算误差
• 5.4.2 测量误差
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要