本发明属于发动机测试领域，更具体地，涉及一种瞬态温度测量校准方法及系统。
背景技术：
活塞表面的温度数据是研究内燃机缸内燃烧和传热问题不可或缺的基础数据，但是由于其具有高度的瞬态特性，使得其测量难度极大。测温传感器的响应速度必须足够快，才能捕捉到活塞表面的温度变化，传统的测温传感器难以满足该测量要求。
目前常用的测温传感器为同轴表面节热电偶和同轴薄膜热电偶。同轴热电偶测温属于接触式测温，在活塞待测点安装同轴热电偶会破坏原有待测点位置的温度场，即热电偶的指示温度并非待测点的真实温度，从而产生引入误差。由于材料和结构等差异，同轴热电偶的轴向导热特性与待测活塞的轴向导热特性往往存在较大的差异，使得引入误差成为同轴热电偶测量发动机活塞表面瞬态温度的重要误差来源。相关文献表明当e型热电偶用于铝制活塞表面测温时，在一个工作循环内，热电偶测得的循环温度波动比真实活塞表面循环温度高出达79％。现有技术中，通过优化热电偶结构、选型和材料匹配，降低热电偶与待测对象轴向传热特性的差异，可以在一定程度上减小所述引入误差。但是优选出的某热电偶类型和结构只适用于特定的待测对象，不具有普适性；此外，热电偶的传热特性很难与待测对象的传热特性完全一致，其校准精度有限。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种瞬态温度测量校准方法及系，其目的在于通过设计合理的算法，解决热电偶测量瞬态温度时所固有的引入误差问题，校准热电偶测得的瞬态温度，提高温度测量精度，且具有很高的普适性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种瞬态温度测量校准方法，包括：s1，获取待测物体中热电偶的瞬态温度测量值；s2，根据所述热电偶的瞬态温度测量值计算热电偶表面热流，以及根据所述热电偶表面热流计算所述待测物体的表面热流；s3，对所述待测物体的表面热流与所述待测物体中待测点处的单位冲激响应进行卷积运算，得到所述待测点处的瞬态温度，所述待测点为所述待测物体中的任一点。
更进一步地，所述待测点处的单位冲激响应为：
其中，hr为所述待测点处的单位冲激响应，θr为所述待测点处的单位阶跃响应，t为时间，qstep为单位阶跃热流，ρ为所述待测物体的材料密度，c为所述待测物体的材料比热容，k为所述待测物体的材料导热系数，α为所述待测物体的材料热扩散系数，x为所述待测点距离待测物体表面的深度。
更进一步地，第三类边界条件已知时，所述s2中根据所述热电偶表面热流计算所述待测物体的表面热流包括：根据所述热电偶表面热流，迭代计算所述待测物体的表面热流；
其中，
更进一步地，所述迭代计算的收敛条件为：迭代次数j达到预设迭代次数阈值，或者，相邻两次迭代得到的待测物体的表面热流之间的差值不大于预设误差阈值。
更进一步地，第三类边界条件未知时，所述s2中计算得到的所述待测物体的表面热流为：
qr,s＝qa,s
其中，qr,s为所述待测物体的表面热流，qa,s为所述热电偶表面热流。
更进一步地，所述s2中根据所述热电偶的瞬态温度测量值计算热电偶表面热流包括：根据所述热电偶的瞬态温度测量值，正问题分析得到热电偶热节点处的热流密度；根据所述热电偶热节点处的热流密度，反问题设计得到所述热电偶表面热流。
更进一步地，所述s2中根据所述热电偶的瞬态温度测量值计算热电偶表面热流包括：对所述热电偶的瞬态温度测量值和热电偶热节点处的单位冲激响应进行反卷积运算，得到所述热电偶表面热流：
qa,s＝filter(ta,l,ha,l,δ)
其中，qa,s为所述热电偶表面热流，ta,l为所述热电偶的瞬态温度测量值，ha,l为所述热电偶热节点处的单位冲激响应，δ为单位冲激函数。
更进一步地，所述待测物体中设置有台阶孔，所述台阶孔包括安装孔和引线孔，所述安装孔的孔径大于所述引线孔；所述安装孔用于安装所述热电偶；所述引线孔用于引出所述热电偶的引线。
更进一步地，所述待测物体为发动机活塞，所述s1包括：当发动机在待测工况点稳定运行时，获取连续n个循环下所述热电偶的温度测量值，并对n个温度测量值进行平均处理以得到所述瞬态温度测量值。
按照本发明的一个方面，提供了一种瞬态温度测量校准系统，包括：获取模块，用于获取待测物体中热电偶的瞬态温度测量值；第一计算模块，用于根据所述热电偶的瞬态温度测量值计算热电偶表面热流，以及根据所述热电偶表面热流计算所述待测物体的表面热流；第二计算模块，用于对所述待测物体的表面热流与所述待测物体中待测点处的单位冲激响应进行卷积运算，得到所述待测点处的瞬态温度，所述待测点为所述待测物体中的任一点。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)提出了一种瞬态温度测量校准方法，通过热电偶测得的热电偶的瞬态温度测量值计算热电偶表面热流，根据热电偶表面热流计算待测物体的表面热流，将待测物体的表面热流与待测物体中任一待测点处的单位冲激响应进行卷积运算得到该任一待测点处的瞬态温度，解决热电偶测量瞬态温度时所固有的引入误差问题，校准热电偶测得的瞬态温度，提高温度测量精度，用于发动机活塞表面瞬态温度测量时，可以为发动机缸内燃烧和传热温度研究提供可靠的基础数据；此外，以上各个计算过程中充分考虑到待测对象、热电偶结构的材料参数，该方法可以适用于各种不同的待测对象和热电偶，具有很强的普适性；
(2)提供了一种同轴热电偶的安装方式，在待测对象的待测点位置加工一台阶孔，靠近待测表面一侧为热电偶安装孔，安装孔底部设置为孔径较小的引线孔，热电偶放置在安装孔中紧靠待测表面，保证其安装的稳定性以及测量的准确性，进一步地，安装孔与热电偶之间可以使用耐高温胶进行密封和固定，进一步提高安装稳定性和测量准确性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的瞬态温度测量校准方法的流程图；
图2a为本发明实施例提供的同轴薄膜热电偶安装方式示意图；
图2b为图2a中安装结构的放大示意图；
图2c为图2b中安装结构处热电偶的截面放大示意图；
图3为温度校准过程中各阶段热流计算值；
图4为温度校准过程中活塞表面冲激响应获取情况；
图5为本发明实施例提供的e型同轴薄膜热电偶的温度校准结果；
图6为本发明实施例提供的瞬态温度测量校准系统的框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本发明实施例提供的瞬态温度测量校准方法的流程图。参阅图1，结合图2a-图5，对本实施例中瞬态温度测量校准方法进行详细说明。
当热电偶及待测对象的物性参数不随温度变化或变化不大时，热电偶及待测对象可以看作线性时不变导热系统。对于该导热系统而言，施加于表面的热流密度可以看作系统的输入，导热系统某监测点的温度则可以看作系统的输出，此时系统的输出可以表示为系统的输入和冲激响应的卷积。由于在连续时间域内，热电偶导热系统表面的冲激响应往往具有奇点，卷积积分难以计算，因此，用离散卷积和代替卷积积分。卷积过程可利用matlab的信号处理工具箱fftfilt函数进行求解，反卷积过程可利用matlab的信号工具箱filter函数进行求解。基于该计算思路，参阅图1，方法包括操作s1-操作s3。
操作s1，获取待测物体中热电偶的瞬态温度测量值。
本发明实施例中，待测物体中设置有台阶孔，台阶孔包括安装孔和引线孔。安装孔用于安装热电偶，其孔径为φ1，高度为h；引线孔设置在安装孔的底部，用于引出热电偶的引线，其孔径为φ2，且φ1＞φ2。台阶孔与热电偶之间使用耐高温胶进行密封和固定。当待测物体的待测点为其表面时，热电偶的测温表面例如与待测物体的待测表面平齐。热电偶的安装方式如图2a、图2b和图2c所示。
当待测物体为发动机活塞时，首先将发动机的运行工况调节至待测工况点，待发动机在待测工况点稳定运行后，热电偶连续测量n个工作循环，获取连续n个循环下热电偶的温度测量值；对n个循环下热电偶的温度测量值进行平均处理，作为该待测工况下热电偶的瞬态温度测量值。
操作s2，根据热电偶的瞬态温度测量值计算热电偶表面热流，以及根据热电偶表面热流计算待测物体的表面热流。
可以通过多种方法根据热电偶的瞬态温度测量值计算热电偶表面热流。本发明实施例中，提供两种根据热电偶的瞬态温度测量值计算热电偶表面热流的方法，分别为：基于正问题和反问题求解热电偶表面热流、以及利用热节点冲激响应进行反卷积运算求解热电偶表面热流。
热电偶顶端有时会存在导通膜，导通膜厚度为l，此时热节点距离待测面的距离为l，通过热电偶热节点的温度获取热电偶表面的热流密度可以分为正问题求解和反问题求解两个步骤。正问题求解步骤中涉及基于距离表面深度为l的热节点处温度ta,l进行求解，对半无限大平板导热解析解进行杜哈梅变化，采取三次样条离散化处理，获取热电偶深度为l处热流密度qa,l，其值与待测对象的密度、比热容和导热系数有关。反问题求解涉及基于热电偶深度为l处的热流密度qa,l运用控制容积法求解，获取热电偶表面热流qa,s，其值与顶端导通膜深度、导热系数和热扩散率有关。
具体地，基于正问题和反问题求解热电偶表面热流包括子操作s21′和子操作s22′。
在子操作s21′中，根据热电偶的瞬态温度测量值(即热电偶节点指示温度)，正问题分析得到热电偶热节点处的热流密度。考虑到热电偶的热节点位置距离待测点的厚度为l，子操作s21′中求解得到的热电偶热节点处的热流密度为：
pi＝τm 1-τi
ri＝τm 1-τi 1
c1,i＝ta,l(τi)
c2,i＝t′a,l(τi)
c3,i＝t″a,l(τi)
c4,i＝t″′a,l(τi)
其中，m为温度数据序列长度，i为温度数据序列中第i个温度数据，qa,l(τm 1)为τm 1时间点热电偶深度为l处的热流密度，ta,l(τi)为深度为l处的热电偶热节点温度，st为比例系数，st例如为1，ρ为待测物体的材料密度，c为待测物体的比热容，k为待测物体的导热系数，c1,i为第一系数，c2,i为第二系数，c3,i为第三系数，c4,m为第四系数，pi为第五系数，ri为第六系数，fi为第七系数，vi为第八系数，wi为第九系数。
在子操作s22′中，根据热电偶热节点处的热流密度，反问题设计得到热电偶表面热流，求解得到的热电偶表面热流为：
其中，qa,s为热电偶表面热流密度，qa,l为热电偶深度为l处热流密度，k1为顶端导通膜的导热系数，l为顶端导通膜厚度，α1为顶端导通膜热扩散率。
利用热节点冲激响应进行反卷积运算求解热电偶表面热流包括子操作s21″和子操作s22″。
在子操作s21″中，获取热电偶热节点处的单位冲激响应。可以通过数值方法或实验方法获取热电偶热节点处的单位冲激响应。
对于数值方法获取热电偶热节点处的单位冲激响应，其基础是构建热电偶导热系统的有限元模型，该有限元模型的精度会影响热电偶热节点处单位冲激响应的求解精度。本实施例中，基于该有限元模型，在热电偶表面施加单位阶跃热流激励qstep＝1(w·m-2)，得到热电偶导热系统热节点处单位阶跃响应θa,l，对单位阶跃响应θa,l求导，得到热电偶导热系统热节点处单位冲激响应ha,l：
对于实验方法获取热电偶热节点处的单位冲激响应，需要使用到一套光学实验测试装置和一套实验流程。光学实验测试装置包括一带指示器的激光源、凸透镜、放大器和示波器。实验流程为：用凸透镜将激光源发出的激光束集中在同轴热电偶表面的感应区域以产生阶跃热负荷，激光输出能量为qlaser(w·m-2)，由放大器将热电偶输出信号高精度放大，滤除噪声后将热电偶的输出温度信号记录在示波器上，从而获得温度阶跃响应。具体地，对热电偶的输出温度θlaser进行求导，得到热电偶导热系统热节点处冲激响应hlaser：
进一步地，将热电偶导热系统热节点处冲激响应hlaser变化为单位值，即可得到热电偶热节点处的单位冲激响应ha,l：
在子操作s22″中，对热电偶的瞬态温度测量值ta,l和热电偶热节点处的单位冲激响应ha,l进行反卷积运算，得到热电偶表面热流qa,s。具体地，可直接利用matlab信号处理工具箱中的filter函数求解，得到：
qa,s＝filter(ta,l,ha,l,δ)
其中，δ为单位冲激函数，δ＝1,0,0,…。
本发明实施例中，可以根据第三类边界条件是否已知，利用两种不同的方法根据热电偶表面热流计算待测物体的表面热流，分别为迭代计算法和直接计算法。
第三类边界条件已知时，利用迭代计算法计算待测物体的表面热流。具体地，根据热电偶表面热流，迭代计算待测物体的表面热流；
其中，
需要说明的是，本发明实施例中的瞬态温度测量值、热电偶表面热流、待测物体的表面热流、待测点处的单位冲激响应、待测物体表面的单位冲激响应等均为序列。每一次迭代操作时，得到的待测物体的表面热流为该序列中所有数据的均值，即第j次迭代得到的待测物体的表面热流为
通过迭代操作，可以提高热电偶表面热流的求解精度。迭代计算的收敛条件为：迭代次数j达到预设迭代次数阈值，或者，相邻两次迭代得到的待测物体的表面热流之间的差值(即
第三类边界条件未知时，将热电偶表面热流qa,s看作待测物体的表面热流qr,s，即qr,s＝qa,s。
操作s3，对待测物体的表面热流与待测物体中待测点处的单位冲激响应进行卷积运算，得到待测点处的瞬态温度，待测点为待测物体中的任一点。
将待测物体导热系统近似处理为半无限大导热平板，待测点处的单位冲激响应为：
其中，hr为待测点处的单位冲激响应，θr为待测点处的单位阶跃响应，t为时间，qstep为单位阶跃热流，ρ为待测物体的材料密度，c为待测物体的材料比热容，k为待测物体的材料导热系数，α为待测物体的材料热扩散系数，x为待测点距离待测物体表面的深度。本发明实施例中，待测点为待测物体中的任一点，该瞬态温度测量校准方法可以得到待测物体中任一点的温度。
进一步地，可直接利用matlab信号处理工具箱中的fftfilt函数对待测物体的表面热流qr,s与待测点处的单位冲激响应hr进行卷积运算，得到待测点处的瞬态温度tr：
tr＝fftfilt(qr,s,hr)
本实施例中，以待测物体待测点为柴油机活塞表面、操作s2中通过正问题分析和反问题设计计算热电偶表面热流、通过迭代法计算待测物体的表面热流为例说明该瞬态温度测量校准方法。待测活塞的材料为42crmo；热电偶为e型同轴薄膜热电偶，其内电极材料为康铜，外电极材料为镍铬，内、外电极间通过二氧化硅薄膜进行电气绝缘，热电偶顶部镀有厚度l为0.01mm的铜膜，用于连接内、外电极，形成导通回路。
同轴热电偶在活塞上的安装方式如图2a、图2b和图2c所示，在活塞肩部(即挤流区)加工一台阶孔，上侧为热电偶的安装孔，孔径φ1＝4mm，高度h＝5mm。热电偶的直径为3mm，热电偶的长度为6mm，热电偶的测温表面与活塞的待测表面平齐。在热电偶安装孔的底部设置一通孔，该通孔为接线孔，孔径φ2＝3mm；热电偶线从该通孔中引出。待测活塞材料以及e型同轴薄膜热电偶的物性参数，主要包括材料密度ρ(kg·m-3)，比热容c(j·kg-1·k-1)，导热系数k(w·m-1·k-1)，具体参数参阅表1。
表1
首先，将发动机的运行工况调节至待测工况点，待发动机在待测工况点稳定运行后，连续测量n个工作循环，n例如为100，获取连续n个循环下热电偶的温度测量值；对n个循环下热电偶的温度测量值进行平均处理，作为该待测工况下热电偶的瞬态温度测量值ta,l，其曲线如图5所示。
其次，考虑到热电偶的热节点位置距离待测表面的厚度l为0.01mm，运用子操作s21′中的公式进行导热正问题求解。运用子操作s21′中的公式时，
然后，热电偶导通膜厚度l为0.01mm，由表1中导通膜材料铜的物性参数可知，子操作s22′中公式的导热系数为k1＝400(w·m-1·k-1)，α1＝1.19×10-4(m2·s-1)。输入参数为已知条件热节点温度ta,l以及热电偶深度为l处的热流密度qa,l，由此运用子操作s22′中公式进行反问题求解，获得热电偶表面热流密度qa,s，其曲线如图3所示。
进一步地，将热电偶表面热流密度qa,s作为迭代初始值进行迭代计算，本实施例中迭代收敛条件为迭代次数j达到100次，或者，相邻两次迭代得到的待测活塞的表面热流之间的差值不大于10-10(w·m-2)。由于迭代次数达到10次，相邻两次迭代得到的待测活塞的表面热流之间的差值(即
进一步地，将待测活塞导热系统近似处理为半无限大导热平板，待测活塞材料42crmo的物性参数按表1所述取得：密度ρ＝7850(kg·m-3),比热容c＝460(j·kg-1·k-1)，导热系数k＝44(w·m-1·k-1)。运用公式(9)，qstep＝1(w·m-2)，获得待测活塞导热系统的表面单位阶跃响应θr,s，运用操作s3中的公式，对待测活塞导热系统的表面单位阶跃响应θr,s进行求导获得待测活塞导热系统的表面单位冲激响应hr,s，其曲线如图4所示。
最后，运用公式tr,s＝fftfilt(qr,s,hr,s)，利用matlab信号处理工具箱的fftfilt函数，对待测活塞表面热流qr,s和待测活塞导热系统表面单位冲激响应hr,s进行卷积运算，需要待测活塞表面热流qr,s和待测活塞导热系统表面单位冲激响应hr,s序列长度保持一致，从而获得待测活塞表面温度tr,s作为该校准算法的计算结果，其曲线如图5所示。需要说明的是，由于本示例中测量的是发动机活塞表面的瞬态温度，因此，公式tr,s＝fftfilt(qr,s,hr,s)中，tr,s即为活塞表面的瞬态温度tr，hr,s即为活塞表面的单位冲激响应hr。
图6为本发明实施例提出的瞬态温度测量校准系统的结构框图。参阅图6，该瞬态温度测量校准系统600包括获取模块610、第一计算模块620及第二计算模块630。
获取模块610例如执行操作s1，用于获取待测物体中热电偶的瞬态温度测量值。
第一计算模块620例如执行操作s2，用于根据热电偶的瞬态温度测量值计算热电偶表面热流，以及根据热电偶表面热流计算待测物体的表面热流。
第二计算模块630例如执行操作s3，用于对待测物体的表面热流与待测物体中待测点处的单位冲激响应进行卷积运算，得到待测点处的瞬态温度，待测点为待测物体中的任一点。
瞬态温度测量校准系统600用于执行上述图1-图5所示实施例中的瞬态温度测量校准方法。本实施例未尽之细节，请参阅前述图1-图5所示实施例中的瞬态温度测量校准方法，此处不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种瞬态温度测量校准方法，其特征在于，包括：
s1，获取待测物体中热电偶的瞬态温度测量值；
s2，根据所述热电偶的瞬态温度测量值计算热电偶表面热流，以及根据所述热电偶表面热流计算所述待测物体的表面热流；
s3，对所述待测物体的表面热流与所述待测物体中待测点处的单位冲激响应进行卷积运算，得到所述待测点处的瞬态温度，所述待测点为所述待测物体中的任一点。
2.如权利要求1所述的瞬态温度测量校准方法，其特征在于，所述待测点处的单位冲激响应为：
其中，hr为所述待测点处的单位冲激响应，θr为所述待测点处的单位阶跃响应，t为时间，qstep为单位阶跃热流，ρ为所述待测物体的材料密度，c为所述待测物体的材料比热容，k为所述待测物体的材料导热系数，α为所述待测物体的材料热扩散系数，x为所述待测点距离待测物体表面的深度。
3.如权利要求1所述的瞬态温度测量校准方法，其特征在于，第三类边界条件已知时，所述s2中根据所述热电偶表面热流计算所述待测物体的表面热流包括：根据所述热电偶表面热流，迭代计算所述待测物体的表面热流；
其中，
4.如权利要求3所述的瞬态温度测量校准方法，其特征在于，所述迭代计算的收敛条件为：
迭代次数j达到预设迭代次数阈值，或者，相邻两次迭代得到的待测物体的表面热流之间的差值不大于预设误差阈值。
5.如权利要求1所述的瞬态温度测量校准方法，其特征在于，第三类边界条件未知时，所述s2中计算得到的所述待测物体的表面热流为：
qr,s＝qa,s
其中，qr,s为所述待测物体的表面热流，qa,s为所述热电偶表面热流。
6.如权利要求1所述的瞬态温度测量校准方法，其特征在于，所述s2中根据所述热电偶的瞬态温度测量值计算热电偶表面热流包括：
根据所述热电偶的瞬态温度测量值，正问题分析得到热电偶热节点处的热流密度；
根据所述热电偶热节点处的热流密度，反问题设计得到所述热电偶表面热流。
7.如权利要求1所述的瞬态温度测量校准方法，其特征在于，所述s2中根据所述热电偶的瞬态温度测量值计算热电偶表面热流包括：
对所述热电偶的瞬态温度测量值和热电偶热节点处的单位冲激响应进行反卷积运算，得到所述热电偶表面热流：
qa,s＝filter(ta,l,ha,l,δ)
其中，qa,s为所述热电偶表面热流，ta,l为所述热电偶的瞬态温度测量值，ha,l为所述热电偶热节点处的单位冲激响应，δ为单位冲激函数。
8.如权利要求1所述的瞬态温度测量校准方法，其特征在于，所述待测物体中设置有台阶孔，所述台阶孔包括安装孔和引线孔，所述安装孔的孔径大于所述引线孔；所述安装孔用于安装所述热电偶；所述引线孔用于引出所述热电偶的引线。
9.如权利要求1-8任一项所述的瞬态温度测量校准方法，其特征在于，所述待测物体为发动机活塞，所述s1包括：当发动机在待测工况点稳定运行时，获取连续n个循环下所述热电偶的温度测量值，并对n个温度测量值进行平均处理以得到所述瞬态温度测量值。
10.一种瞬态温度测量校准系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取待测物体中热电偶的瞬态温度测量值；
第一计算模块，用于根据所述热电偶的瞬态温度测量值计算热电偶表面热流，以及根据所述热电偶表面热流计算所述待测物体的表面热流；
第二计算模块，用于对所述待测物体的表面热流与所述待测物体中待测点处的单位冲激响应进行卷积运算，得到所述待测点处的瞬态温度，所述待测点为所述待测物体中的任一点。
技术总结