一种借助声速-温度模型快速计算热膨胀系数的方法技术

本发明专利技术公开一种借助声速

【技术实现步骤摘要】
一种借助声速
‑
温度模型快速计算热膨胀系数的方法


[0001]本专利技术涉及材料特性无损检测
，特别是涉及一种借助声速
‑
温度模型快速计算热膨胀系数的方法。

技术介绍

[0002]超低膨胀石英玻璃是掺有二氧化钛(TiO2)的石英玻璃，因具有热膨胀系数(coefficient of thermal expansion，CTE)接近于零的优势，其已经成为国内外许多大口径精密光学系统的优选基体材料。但在超低膨胀石英玻璃的制备过程中，由于其内部TiO2组分分布不均匀，会导致制备得到的超低膨胀石英玻璃的热膨胀系数呈微区分布不均匀，且当这种不均匀性超出一定范围，使用该超低膨胀石英玻璃加工成型的基体就会产生残余应力，最终影响光学镜面的加工质量和成像稳定性。因此需要快速准确地检测超低膨胀石英玻璃不同位置处的热膨胀系数，来筛选热膨胀性能优良的超低膨胀石英玻璃作为精密光学系统的基体材料。
[0003]为实现超低膨胀石英玻璃热膨胀系数的快速准确检测，需要高效地获取该超低膨胀石英玻璃在特定温度下的纵波声速。目前常将超低膨胀石英玻璃分割为多个小尺寸玻璃，通过引入合适的温控手段，以实际测量得到多个小尺寸玻璃在特定温度下的纵波声速，进一步确定超低膨胀石英玻璃不同位置的热膨胀系数，但这一过程需要对超低膨胀石英玻璃进行切割，无法实现大尺寸超低膨胀石英玻璃的无损检测。基于此，亟需借助温度对材料声速影响规律的分析，建立声速与温度之间的定量关系模型，以实现大尺寸超低膨胀石英玻璃特定温度下热膨胀系数的超声快速无损检测。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种借助声速
‑
温度模型快速计算热膨胀系数的方法，能够实现大尺寸超低膨胀石英玻璃特定温度下热膨胀系数的快速无损检测，且有效规避大尺寸超低膨胀石英玻璃块体现场检测精密温控的难题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种借助声速
‑
温度模型快速计算热膨胀系数的方法，所述方法包括：
[0007]获取数据集；所述数据集包括多个试样中每一所述试样在不同温度下的纵波声速；多个所述试样分别位于超低膨胀石英玻璃的不同位置；
[0008]基于所述数据集进行数据拟合，得到超低膨胀石英玻璃不同位置的纵波声速和温度之间的拟合关系式；
[0009]以预设温度作为输入，利用所述拟合关系式确定待测超低膨胀石英玻璃不同位置在所述预设温度下的纵波声速；
[0010]基于所述预设温度下的纵波声速确定所述待测超低膨胀石英玻璃不同位置的热膨胀系数。
[0011]在一些实施例中，所述获取数据集具体包括：
[0012]对于对超低膨胀石英玻璃进行切割所得到的位于所述超低膨胀石英玻璃不同位置的多个试样中的每一试样，获取所述试样在第一温度下的超声回波信号；对所述超声回波信号进行处理，得到所述试样在所述第一温度下的纵波声速；在预设温度范围内对所述第一温度进行调整，得到第二温度，并以所述第二温度作为下一循环的第一温度，返回“获取所述试样在第一温度下的超声回波信号”的步骤，直至所述第二温度超出所述预设温度范围，得到所述试样在不同温度下的纵波声速；所有所述试样在不同温度下的纵波声速组成数据集。
[0013]在一些实施例中，所述多个试样的制备方法具体包括：以所述超低膨胀石英玻璃的圆心为起点，沿所述超低膨胀石英玻璃的径向，按照预设间距对所述超低膨胀石英玻璃进行多次切割，得到位于所述超低膨胀石英玻璃不同位置的多个试样。
[0014]在一些实施例中，所述获取所述试样在第一温度下的超声回波信号包括：利用液浸超声脉冲回波法获取所述试样在第一温度下的超声回波信号，具体包括：控制超声探头垂直向置于槽中的所述试样发射超声波，所述槽中有耦合剂，所述耦合剂的温度为第一温度，所述超声探头部分位于所述槽的耦合剂中，所述试样完全位于所述槽的耦合剂中，并利用所述超声探头接收所述试样在所述第一温度下的超声回波信号。
[0015]在一些实施例中，所述对所述超声回波信号进行处理，得到所述试样在所述第一温度下的纵波声速具体包括：
[0016]对所述超声回波信号进行模数转换，得到数字化回波信号；
[0017]根据所述数字化回波信号确定一次底波的波形数据和二次底波的波形数据，并基于数字相关法求解所述一次底波的波形数据和所述二次底波的波形数据，得到渡越时间；
[0018]基于所述渡越时间计算得到所述试样在所述第一温度下的纵波声速。
[0019]在一些实施例中，所述试样在所述第一温度下的纵波声速的计算公式为：
[0020]c
L
＝2d/Δt；
[0021]其中，c
L
为纵波声速；d为所述试样的厚度；Δt为渡越时间。
[0022]在一些实施例中，所述拟合关系式为其中，为温度T下的纵波声速；c
′
为0度下的纵波声速；α
L
为温度影响系数。
[0023]在一些实施例中，所述基于所述数据集进行数据拟合，得到超低膨胀石英玻璃不同位置的纵波声速和温度之间的拟合关系式具体包括：
[0024]对于每一所述试样，基于所述试样在不同温度下的纵波声速进行数据拟合，得到所述试样对应的纵波声速和温度之间的初始拟合关系式、温度影响系数的初始值和0度下的纵波声速的初始值；
[0025]计算所有所述试样对应的温度影响系数的初始值的平均值，得到平均温度影响系数；
[0026]对于每一所述试样，以所述平均温度影响系数替换所述试样对应的初始拟合关系式中温度影响系数的初始值，得到所述试样对应的中间拟合关系式；基于所述试样在不同温度下的纵波声速对所述中间拟合关系式中0度下的纵波声速的初始值进行调整，得到所述试样对应的拟合关系式；所有所述试样对应的拟合关系式组成超低膨胀石英玻璃不同位置的纵波声速和温度之间的拟合关系式。
[0027]在一些实施例中，所述热膨胀系数的计算公式为：
[0028]CTE(T1～T2)＝kc+b；
[0029]其中，T1为所述预设温度范围的下限值；T2为所述预设温度范围的上限值；CTE(T1～T2)为T1～T2范围内的热膨胀系数；k和b为已知常数；c为预设温度下的纵波声速。
[0030]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0031]本专利技术用于提供一种借助声速
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温度模型快速计算热膨胀系数的方法，先获取位于超低膨胀石英玻璃不同位置的多个试样中每一试样在不同温度下的纵波声速，以进行数据拟合，得到超低膨胀石英玻璃不同位置的纵波声速和温度之间的拟合关系式，从而预先构建超低膨胀石英玻璃不同位置的纵波声速定量模型，在热膨胀系数的实际计算过程中，则可直接以预设温度作为输入，利用拟合关系式确定待测超低膨胀石英玻璃不同位置在预设温度下的纵波声速，进一步确定待测超低膨胀石英玻璃不同位置的热膨胀系数，相较于大尺寸超低膨胀石英玻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种借助声速
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温度模型快速计算热膨胀系数的方法，其特征在于，所述方法包括：获取数据集；所述数据集包括多个试样中每一所述试样在不同温度下的纵波声速；多个所述试样分别位于超低膨胀石英玻璃的不同位置；基于所述数据集进行数据拟合，得到超低膨胀石英玻璃不同位置的纵波声速和温度之间的拟合关系式；以预设温度作为输入，利用所述拟合关系式确定待测超低膨胀石英玻璃不同位置在所述预设温度下的纵波声速；基于所述预设温度下的纵波声速确定所述待测超低膨胀石英玻璃不同位置的热膨胀系数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取数据集具体包括：对于对超低膨胀石英玻璃进行切割所得到的位于所述超低膨胀石英玻璃不同位置的多个试样中的每一试样，获取所述试样在第一温度下的超声回波信号；对所述超声回波信号进行处理，得到所述试样在所述第一温度下的纵波声速；在预设温度范围内对所述第一温度进行调整，得到第二温度，并以所述第二温度作为下一循环的第一温度，返回“获取所述试样在第一温度下的超声回波信号”的步骤，直至所述第二温度超出所述预设温度范围，得到所述试样在不同温度下的纵波声速；所有所述试样在不同温度下的纵波声速组成数据集。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个试样的制备方法具体包括：以所述超低膨胀石英玻璃的圆心为起点，沿所述超低膨胀石英玻璃的径向，按照预设间距对所述超低膨胀石英玻璃进行多次切割，得到位于所述超低膨胀石英玻璃不同位置的多个试样。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取所述试样在第一温度下的超声回波信号包括：利用液浸超声脉冲回波法获取所述试样在第一温度下的超声回波信号，具体包括：控制超声探头垂直向置于槽中的所述试样发射超声波，所述槽中有耦合剂，所述耦合剂的温度为第一温度，所述超声探头部分位于所述槽的耦合剂中，所述试样完全位于所述槽的耦合剂中，并利用所述超声探头接收所述试样在所述第一温度下的超声回波信号。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述超声回波信号进行处理，得到所述试样在所述第一温度下的纵波...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏文卿，漆雪，屈薇薇，刘泉澄，武志翔，邓琥，尚丽平，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：