一种直流激励磁场下的非侵入式快速温度变化的测量方法技术

本发明专利技术公开了一种直流激励磁场下的非侵入式快速温度变化测量方法，包括：(1)将铁磁性粒子置于待测对象处；(2)对所述铁磁性粒子所在区域施加直流磁场使所述铁磁性粒子达到饱和磁化状态；(3)获得待测对象在常温下的稳态温度T1，根据所述稳态温度T1计算出铁磁性粒子的初始自发磁化强度M1；(4)当待测对象发生温度变化后，测量铁磁性粒子在温度变化后的磁化强度变化信号的幅值A，根据所述磁化强度变化信号的幅值A计算得到变化后的温度T2；(5)根据变化后的温度T2以及稳态温度T1，计算得到温度变化值ΔT＝T2-T1。本发明专利技术能够在非侵入的情况下实现快速精确的温度测量，由此解决测温速度慢、精度低等的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种直流激励磁场下的非侵入式快速温度变化的测量方法
本专利技术属于快速精确测温
，更具体地，涉及一种直流激励磁场下的非侵入式快速温度变化测量方法，更具体地说，涉及一种直流激励磁场下的基于铁磁性粒子饱和磁化强度-温度关系的非侵入式高时间和温度分辨率的温度测量方法。
技术介绍
温度是自然界中物质最基本的物理量之一，温度的测量对认知自然界中物质的本质具有重要的意义。利用铁磁性粒子的快速测温方法，是一种全新的、非侵入式的、超快速的(纳秒级)、高精度的温度测量方法。它主要通过测量铁磁性粒子的变化磁化强度，通过一定的模型关系计算出温度信息。铁磁性粒子温度测量方法具有非侵入与快速特性，使其在激光加热、金属快速凝固、发动机测温等领域具有广泛的应用前景。随着工程技术的发展，带来了许多热作用时间极短、瞬时热流密度极高、温度变化极为迅速的热传导问题。传统的傅立叶定律不再适用于这些超常规、超急速的热传导。这些超常热传递条件下出现的不遵循傅立叶定律的热传导效应被人们称为非傅立叶导热效应。遗憾的是现有的技术和设备很难精确测量到如此短时间内的温度变化，利用铁磁性粒子进行非侵入式快速温度测量可以克服作用时间极短的问题，对此温度变化过程进行监控以便更好的研究。航空航天领域经常会出现一些特殊测温问题，如飞机发动机燃烧室的火焰脉动温度的测量、热加工高温炉，高频加热焊接、铸造等的温度测量。采用传统的测温方法不能很好的解决这些问题，对此，测温装置应该具有响应速度快、测温精度高等特点。利用铁磁性粒子进行非侵入式快速温度测量与温度传导相结合的方法也可以满足这种要求。因此非侵入式的快速精确测量技术，仍然是这些领域亟需解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种直流激励磁场下的基于铁磁性粒子饱和磁化强度-温度关系的非侵入式高时间和温度分辨率的温度测量方法，其目的在于非侵入的情况下实现快速精确的温度测量，由此解决测温速度慢、精度低等的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种直流激励磁场下的非侵入式快速温度变化测量方法，包括：(1)将铁磁性粒子置于待测对象处；(2)对所述铁磁性粒子所在区域施加直流磁场使所述铁磁性粒子达到饱和磁化状态；(3)获得待测对象在常温下的稳态温度T1，根据所述稳态温度T1计算出铁磁性粒子的初始自发磁化强度M1；(4)当待测对象发生温度变化后，测量铁磁性粒子在温度变化后的磁化强度变化信号的幅值A，根据所述磁化强度变化信号的幅值A计算得到变化后的温度T2；(5)根据变化后的温度T2以及稳态温度T1，计算得到温度变化值ΔT＝T2-T1。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤(1)具体为：将铁磁性粒子置于待测对象内部或涂覆于待测对象表面。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤(2)中采用亥姆霍茨线圈对所述铁磁性粒子所在区域施加直流磁场。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤(3)具体为：使用热电偶或者光纤温度传感器获得待测对象常温下的稳态温度T1，根据铁磁性粒子的“饱和磁化强度-温度曲线”，计算出温度为T1时铁磁性粒子的初始自发磁化强度M1。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤(4)中根据所述磁化强度变化信号的幅值A计算得到变化后的温度T2具体包括：根据所述磁化强度变化信号的幅值A与变化后的温度T2之间的关系：利用磁化强度变化信号的幅值A计算得到变化后的温度T2；其中：a是磁化强度变化量ΔB与自发磁化强度ΔM的比例系数，β是检测电路的放大倍数，N是电感线圈的匝数，S是电感线圈的内部面积，Δt是温度变化的时间，M(T＝0)是铁磁性粒子在绝对零度时的自发磁化强度，s为铁磁性材料热退磁曲线的参数，Tc为铁磁性粒子的居里温度，M(T＝0)和Tc对于某一确定铁磁性粒子材料其为一确定值，M1为温度为T1时铁磁性粒子的初始自发磁化强度。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤(4)中测量铁磁性粒子在温度变化后的磁化强度变化信号的幅值A，具体包括：利用两个相同的单层线圈作为传感器，来检测待测区域内的铁磁性粒子的磁化强度变化信号，其中一个电感线圈α作为探测线圈，将待测对象包含于其中，使线圈可以检测到待测对象所有的磁感应强度变化信号，另一个电感线圈γ置于直流激励磁场中的对称位置作为参考线圈，它并不接收待测对象的感应信号，只接收环境中的噪声；通过电感线圈α采集铁磁性粒子变化的磁化强度信号，与线圈γ的测量信号经过差分放大等调理电路，检测出每次的磁化强度变化信号通过处理电路后的输出幅值A。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：1，通过本专利技术方法能够实现非侵入式测量，侵入式测温方法简单，便于直接实时高精度地监控温度，但创伤性较大，探针容易改变或者干扰被测物的性质；而非侵入式温度测量可以在几乎与被测对象物理隔离的情况下，同时可以提供高精度的温度测量。2，本专利技术方法的测量速度快：现有技术都不能满足微秒级以下温度测量，由于铁磁性粒子自发磁化强度随温度的变化的理论迟滞非常小，在10皮秒左右，所以对于此时间尺度下的传热学温度变化，都可以实现温度测量。3，本专利技术方法的测量精度高：由于该测量方法的测量信号对应的是磁化强度的变化量，在求解温度的过程中，积分运算可以良好的抑制测量过程中的噪声，使该方法可以获得更高的温度分辨率。附图说明图1是本专利技术快速温度变化的测量方法流程图；图2是本专利技术一实施例中铁磁性粒子饱和磁化强度-温度曲线图；图3是本专利技术一实施例中电感线圈在高频下的等效模型；图4是本专利技术一实施例中电感线圈在高频等效模型的幅频响应；图5是本专利技术一实施例中光电功率二极管测量的单个激光脉冲响应；图6是本专利技术一实施例中由线圈检测到的单个热脉冲响应波形图；图7是本专利技术一实施例中由线圈检测到的1ms热变化响应波形图；图8是本专利技术一实施例中由热电偶检测到的1ms热变化的温度图；图9是本专利技术一实施例中由本专利技术方法所测量计算出的1ms温度图；图10是通过本专利技术方法与热电偶测得的1ms温度对比图；图11是通过本专利技术方法与热电偶测得的1ms温度误差图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术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。为了更好地说明本专利技术，首先对铁磁性粒子的温度测量原理进行简要介绍。铁磁性粒子的粒径在减小到一定程度后，其铁磁性会转换为顺磁性。当粒子呈顺磁性时，其磁性特性由郎之万函数进行描述：其中，MS为磁纳米粒子的饱和磁矩，m为磁纳米粒子的平均磁矩，φ为磁纳米粒子的质量(磁纳米粒子的个数)，k为玻尔兹曼常数，H为外加激励磁场，T为绝对温度。可以对郎之万函数进行泰勒展开，在交流模型下，通过对谐波的测量对温度进行求解。但如果要进行高时间分辨率的测量，需要对顺磁粒子的交流激励磁场在不衰减磁场强度的前提下，频率足够高(如GHz)，这是难以实现的；而如果使用直流模型，顺磁粒子的响应是非常微弱，难以检测的；当粒子呈铁磁性时，其自发磁化强度与温度具有固定的关系，可以用m(τ)方程进行描述，自发磁化强度随温度的变化不存在时间迟滞，因此，选用铁磁性粒子作为温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流激励磁场下的非侵入式快速温度变化测量方法，其特征在于，所述方法包括：(1)将铁磁性粒子置于待测对象处；(2)对所述铁磁性粒子所在区域施加直流磁场使所述铁磁性粒子达到饱和磁化状态；(3)获得待测对象在常温下的稳态温度T1，根据所述稳态温度T1计算出铁磁性粒子的初始自发磁化强度M1；(4)当待测对象发生温度变化后，测量铁磁性粒子在温度变化后的磁化强度变化信号的幅值A，根据所述磁化强度变化信号的幅值A计算得到变化后的温度T2；(5)根据变化后的温度T2以及稳态温度T1，计算得到温度变化值ΔT＝T2‑T1。

【技术特征摘要】
1.一种直流激励磁场下的非侵入式快速温度变化测量方法，其特征在于，所述方法包括：(1)将铁磁性粒子置于待测对象处；(2)对所述铁磁性粒子所在区域施加直流磁场使所述铁磁性粒子达到饱和磁化状态；(3)获得待测对象在常温下的稳态温度T1，根据所述稳态温度T1计算出铁磁性粒子的初始自发磁化强度M1；(4)当待测对象发生温度变化后，测量铁磁性粒子在温度变化后的磁化强度变化信号的幅值A，根据所述磁化强度变化信号的幅值A计算得到变化后的温度T2；(5)根据变化后的温度T2以及稳态温度T1，计算得到温度变化值ΔT＝T2-T1。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：将铁磁性粒子置于待测对象内部或涂覆于待测对象表面。3.如权利要求1或所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：所述步骤(2)中采用亥姆霍茨线圈对所述铁磁性粒子所在区域施加直流磁场。4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：使用热电偶或者光纤温度传感器获得待测对象常温下的稳态温度T1，根据铁磁性粒子的“饱和磁化强度-温度曲线”，计算出温度为T1时铁磁性粒子的初始自发磁化强度M1。5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中根据所述磁化强度变化信号的幅值A计算得到变化后的温度T2具体包括：根据所述磁化强度变化信号的幅值A与变化后的温度T...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮楚良，张朴，刘文中，徐文彪，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42