基于声波层析技术的温度场检测

摘要

在锅炉的运行中，炉膛温度直接反映出炉内的燃烧工况，因而，测量炉膛温度对于判断炉内燃烧工况、进行燃烧调整以及改进燃烧设备都是非常必要的。虽然热电偶等接触式测温法具有直观、方便的特点，但接触式测温会影响温度分布，造成误差。
　　基于声波层析技术的声学测温法是一种准确性高、实时性好、测量范围广的非接触测温方式，该方法具有分辨率强、灵敏度高、响应速度快等优点，能够较好地实现对高速、高温、腐蚀性强等目标进行温度测量。因此，基于声学理论，本文主要研究声学在三维温度场重建中的应用，并搭建了一套超声三维温度场测温系统。
　　声学测温中，对测量结果影响最大的主要有两点，飞渡时间的准确测量和重建算法的重建精度。本文重点对声学法测温中的重建算法、飞渡时间测量进行研究，同时，利用采集卡、超声换能器等硬件以及LabVIEW和MATLAB等软件搭建了一套超声三维温度场测温系统，并对收发器的位置和有效声波路径的选取进行探讨。为此，文中首先对声学测温的基本理论进行分析，讨论并选取了飞渡时间的测量方法、超声换能器数量和布置方式、以及重建网格划分数目;然后，介绍了最小二乘法、代数重建法等四种重建算法，并利用这四种重建算法对三维温度场进行重建仿真;接着，从软件设计和硬件组成等两部分，介绍了超声三维温度场测温系统;最后，使用搭建的超声测温系统对均匀温度场和非均匀温度场进行实际温度场重建。
　　温度场重建实验结果表明，本文搭建的超声三维温度场测温系统可以连续稳定运行，其中常温均匀场的相对误差均小于1.5％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 常用温度测量方法

1．1．1 接触式测量方法

1．1．2 非接触式测量方法

1．2 声学法测温

1．3 研究现状及发展动态分析

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文主要工作

第2章 超声测温基本理论

2．1 声学法测温基本原理

2．1．1 波动方程

2．1．2 运动方程

2．1．3 速度方程

2．2 飞渡时间测量

2．2．1 单阈值法

2．2．2 双阈值法

2．2．3 最大特征波法

2．2．4 互相关法

2．3 多路径测量空间温度分布

2．4 超声换能器数量及布置方式

2．5 三维温度场重建方法

2．6 温度场重建网格划分

2．7 本章小结

第3章 三维温度场重建算法及仿真

3．1 三维温度场重建思路

3．2 三维温度场重建算法

3．2．1 最小二乘法

3．2．2 代数重建法

3．2．3 Tikhonov正则化

3．2．4 Landweber迭代法

3．3 三维温度场重建算法仿真

3．3．1 仿真流程

3．3．2 三维温度场模型建立

3．3．3 超声换能器布置方式及网格划分

3．3．4 飞渡时间ToF求解

3．3．5 温度场重建插值方法

3．3．6 三维温度场重建效果评价指标

3．3．7 仿真实验

3．4 本章小结

第4章 超声三维温度场测量系统

4．1 测温系统工作流程

4．2 硬件系统

4．2．1 超声换能器

4．2．2 NI USB-6255采集卡

4．2．3 信号选通电路

4．2．4 超声一体收发电路

4．2．5 滤波放大电路

4．2．6 PCB设计

4．3 软件系统

4．3．1 LabVIEW环境

4．3．2 LabVIEW流程图

4．3．3 程序框图搭建

4．3．4 前面板设计

4．3．5 MATLAB重建程序

4．4 本章小结

第5章 三维温度场重建实验

5．1 三维温度场重建步骤

5．2 均匀温度场重建实验

5．3 非均匀温度场重建实验

5．4 重建影响因素

5．4．1 Z常数的影响

5．4．2 测量方面

5．4．3 重建方面

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢