基于声学层析成像的温度分布测量方法研究

作     者：张飒 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：胡永辉;梁龙飞

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：声学测温 声学层析成像 重建模型 温度场重建算法 楔形基函数 

摘      要：温度是一种表征物体冷热程度的物理量,生物、医学、工业、能源等多个领域都需要对温度进行测量。随着社会发展、科技进步,各个相关领域对于温度测量提出了诸如更大范围、更复杂环境以及更高精度等要求。传统的接触式测温方法例如热电阻和热电偶测温获得的测量结果是传感器与待测物热平衡之后的测量结果,这种测量方法仅能测得单点温度,局限性较大。而对于光学测温,热辐射测温这类非接触式测温方法而言,虽然光学测温计不需要与被测物体直接接触,且可以测得区域温度,但仍然有易受环境影响、成本高的缺点。声学测温法作为一种新兴的非接触式测温技术,具有测量精度高、测量范围大、适用于多种复杂环境以及成本低廉的优点。因此,本文采用声学法进行温度测量以及温度场重建。本文对现有的声学温度测量算法进行了分析比较,提出了基于楔形基函数的温度场重建算法,并设计搭建了完整的声学温度测量平台,实现了完整的声学温度测量过程。本文完成的主要工作如下:1、本文介绍了声学测温技术的发展历史与研究现状,总结现有的温度检测技术,介绍了声学测温技术具有的优势,阐述声学测温的基本原理以及影响因素。2、通过仿真实验对比分析了目前常用的温度场重建算法如最小二乘法、代数重建算法、联合迭代重建算法等算法的重建精度,仿真结果表明现有的经典重建算法普遍存在抗噪声能力较弱、重建精度不高的缺点。基于上述问题,本文提出了结合奇异值分解与楔形基函数的新的二维温度场重建算法,并进行了仿真实验,对比了几种经典温度分布下的温度场重建结果。仿真实验表明,该算法相较于其他算法具有更高的重建精度与抗噪声能力。3、搭建了声学测温实验台,并进行了声学温度场重建实验。实验通过互相关算法获取声波在54条声路径上的渡越时间,并根据选择的算法进行二维温度场重建,并显示温度场重建结果的图像与温度数值,以铂电阻温度计的测温结果作为参考,验证了整套测温系统的可靠性实用性以及楔形基函数算法在二维温度场重建中的有效性。