基于超聲的氣體介質(zhì)溫度分布測(cè)量方法研究.pdf

1、溫度分布測(cè)量對(duì)于大型鍋爐的在線監(jiān)測(cè)、優(yōu)化燃燒、降低污染、以及保障設(shè)備安全運(yùn)行等領(lǐng)域具有重要意義。獲取準(zhǔn)確的溫度分布測(cè)量是一個(gè)有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。傳統(tǒng)的溫度分布測(cè)量方式可分為接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量?jī)深悺＝佑|式測(cè)量方法具有簡(jiǎn)單、直觀等優(yōu)勢(shì)。然而，由于測(cè)量設(shè)備與被測(cè)對(duì)象接觸，勢(shì)必對(duì)被測(cè)對(duì)象原本的溫度分布狀態(tài)造成影響，導(dǎo)致測(cè)量誤差。非接觸式測(cè)量方法不干擾被測(cè)對(duì)象溫度分布，彌補(bǔ)了接觸式測(cè)量的缺陷，已獲得了廣泛地關(guān)注。由于具有機(jī)械波特性，可適應(yīng)光線昏

2、暗、粉塵濃度大、充滿有毒有害氣體、及強(qiáng)電磁輻射的等極端測(cè)量場(chǎng)合等優(yōu)勢(shì)，超聲波方法被認(rèn)為是一種極具廣闊發(fā)展前景的溫度分布測(cè)量方法。本文主要研究超聲溫度分布測(cè)量方法。
　　主要的研究工作為:
　　(1)基于超聲波動(dòng)方程、熱力學(xué)方程，闡明了超聲測(cè)溫的原理;揭示了超聲傳播速度與介質(zhì)溫度之間的關(guān)系;明確了準(zhǔn)確獲取TOF測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于超聲溫度分布測(cè)量的重要性。
　　(2)超聲溫度分布重建問(wèn)題在本質(zhì)上是一個(gè)病態(tài)問(wèn)題，重建算法的精度對(duì)于

3、實(shí)現(xiàn)超聲溫度分布測(cè)量至關(guān)重要。不同于常規(guī)超聲溫度分布重建方法，本文提出了一種同時(shí)考慮了測(cè)量誤差、模型誤差以及被測(cè)對(duì)象動(dòng)態(tài)變化的新型兩階段圖像重建方法，改善溫度分布重建精度。第一階段，為緩解超聲溫度分布重建的病態(tài)本質(zhì)，應(yīng)用粗網(wǎng)格離散重建區(qū)域，使得網(wǎng)格數(shù)少于獨(dú)立的測(cè)量數(shù)據(jù)，確保重建模型在這一階段的超定;在此基礎(chǔ)上，采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄇ蠼獗粶y(cè)區(qū)域的溫度分布。第二階段，基于粗網(wǎng)格的溫度分布數(shù)據(jù)與徑向基函數(shù)方法，提出一種同時(shí)考慮TOF測(cè)量數(shù)據(jù)誤差、模

4、型的不精確性與被測(cè)對(duì)象動(dòng)態(tài)演化信息的新型目標(biāo)泛函，將溫度分布重建問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問(wèn)題的求解;應(yīng)用模擬退火方法尋求該目標(biāo)泛函的全局最優(yōu)解。仿真結(jié)果證明，本文提出的重建方法能夠顯著改善重建質(zhì)量，為超聲溫度分布重建提供了一種新的有效方法。
　　(3)設(shè)計(jì)并制作了超聲溫度分布測(cè)量系統(tǒng)硬件，以STC12單片機(jī)為核心器件，結(jié)合放大器、多路開關(guān)、相位比較器、觸發(fā)器等外圍電路，實(shí)現(xiàn)TOF數(shù)據(jù)測(cè)量。采用理論模型與Monte Carlo數(shù)值模擬方法分

5、析了硬件系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，同時(shí)考慮電氣誤差與環(huán)境誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提出了合理的超聲波換能器誤差范圍，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的溫度分布測(cè)量，在硬件選取方面提供了重要依據(jù)。
　　(4)采用實(shí)驗(yàn)途徑驗(yàn)證了相位差法、幅值相位調(diào)制法與閾值法在針對(duì)TOF測(cè)量的可行性，最終確定閾值法為本文測(cè)量硬件系統(tǒng)的最佳TOF測(cè)量方式。同時(shí)，提出一種計(jì)算完整波長(zhǎng)數(shù)的方法與實(shí)際測(cè)量步驟，解決了超聲波單頻率相位差法難以確定完整波長(zhǎng)數(shù)的難題，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了該方法的有

6、效性。
　　(5)考慮到TOF實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的不精確性本質(zhì)，進(jìn)行TOF測(cè)量動(dòng)態(tài)誤差分析，提出了基于小波多尺度分析方法的TOF數(shù)據(jù)降噪方法，提高了TOF數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為重建高精度的溫度分布奠定了基礎(chǔ)。
　　(6)針對(duì)氣體介質(zhì)穩(wěn)定熱源，利用本文研制的超聲溫度分布測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行TOF測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)溫度分布測(cè)量。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證實(shí)了本文設(shè)計(jì)的超聲測(cè)溫系統(tǒng)與提出的兩階段圖像重建算法的可行性與有效性，為氣體介質(zhì)溫度分布可視化測(cè)量提供了一種有效途徑