一种基于磁纳米粒子交流磁化率的温度测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于磁纳米粒子交流磁化率的温度测量方法，所述方法包括如下步骤：(1)确定待测对象区域，并利用通电螺线管对待测区域施加交流激励磁场；(2)利用探测线圈采集交流激励磁场下待测区域的磁感应强度H1；(3)保持交流激励磁场不变，将磁纳米样品放置于待测对象的待测区域内，利用探测线圈采集施加磁纳米样品之后待测区域的磁感应强度H2；(4)计算磁纳米粒子的交流磁化率χ的实部χ’和虚部χ”；其中的A1，A2，α都由先前检测信号H1，H2求得；(5)计算磁纳米粒子的有效弛豫时间τ，进而求得温度T。通过本发明专利技术方法能够实现非侵入式测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁纳米粒子交流磁化率的温度测量方法
本专利技术属于纳米测试
，更具体地，涉及一种基于磁纳米粒子交流磁化率的温度测量方法。
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。磁纳米温度测量方法，是一种全新的、非接触式的温度测量方法。它主要通过测量磁纳米粒子的交流磁化率，并通过一定的模型关系计算出温度信息。磁纳米粒子温度测量方法的非侵入式特性，使得其在一些特殊环境下，具有广泛的应用前景。而遗憾的是，虽然目前在通常环境下温度(场)的测量技术具有高精度高实时性等特点，并且已经非常成熟，如热电阻等；但在特殊环境下温度的测量技术，仍然发展缓慢。近年来，有关磁性测量技术的发展，为解决非侵入式温度测量这一世界难题带来曙光。其中，磁共振测温学的发展为非侵入式温度测量技术提供了一种可靠的方案。2008年，Warren等人利用磁共振中内部分子的相干性实现高精度的温度成像技术，对成像技术的研究有重要的意义。此外，2009年J.B.Weaver利用磁纳米粒子交流磁化强度的三次谐波和五次谐波幅值比，通过实验研究实现磁纳米温度测量技术；同时，2012年刘文中教授基于郎之万函数模型，通过理论模型的推导和实验验证，利用磁纳米粒子直流磁化率实现磁纳米粒子的精密温度测量技术。此后，通过仿真研究，利用磁纳米粒子的交流磁化率完成磁纳米粒子温度测量技术的理论模型研究。这些研究为实现精密的非侵入式的温度测量技术提供铺垫。然而，由于缺乏完善的理论模型研究和充分的实验研究，磁纳米温度测量技术尚未成熟，尤其是实时精密的温度测量技术更是缺乏足够的理论和实验研究。因此，实现非侵入式的实时精密的温度测量技术，仍然是温度测量领域函需解决的问题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于磁纳米粒子交流磁化率的温度测量方法，能够对待测对象的待测区域实现非侵入式温度测量。本专利技术提供了一种基于磁纳米粒子交流磁化率的温度测量方法，所述方法包括如下步骤：(1)确定待测对象区域，并利用通电螺线管对待测区域施加交流激励磁场；(2)利用探测线圈采集交流激励磁场下待测区域的磁感应强度H1；(3)保持交流激励磁场不变，将磁纳米样品放置于待测对象的待测区域内，利用探测线圈采集施加磁纳米样品之后待测区域的磁感应强度H2；(4)根据下式计算磁纳米粒子的交流磁化率χ的实部χ’和虚部χ”；其中的A1，A2，α都由先前检测信号H1，H2求得；(5)计算磁纳米粒子的有效弛豫时间τ，进而求得温度T。进一步地，所述步骤(5)具体为：根据下式计算温度T，其中η为磁流体的黏度，Vh为磁纳米粒子的水动力学体积，KB为波尔兹曼常数，τ为有效弛豫时间；而τ＝χ”/ωχ’，其中ω为交流激励磁场的频率。进一步地，所述步骤(2)具体为：将探测线圈作为传感器靠近待测区域，采集此时的感应磁化强度模拟信号H1的幅值信息A1和相位信息φ0。进一步地，所述步骤(3)具体为：将探测线圈作为传感器靠近待测区域，采集此时的感应磁化强度模拟信号H2的幅值信息A2和相位信息φ0-α。本专利技术与现有技术相比，本专利技术技术方案具有如下有益效果：(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，但破坏性较大，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方式简单；与现有的其他非侵入式测温方法如奇异值矩阵求解等方法相比，只需要求解简单的二元方程组，数据处理模型简单，温度求解过程由模型引起的误差较小。(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，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为本专利技术温度测量方法流程图；图2为磁纳米粒子响应磁场与激励磁场间关系图；图3为交流磁化率实部虚部与弛豫时间的关系图；图4为有效弛豫时间的组成图；图5为弛豫时间-温度曲线；图6为温度拟合曲线误差图。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。如图1所示，本专利技术提出了一种交流激励磁场下的基于交流磁化率的磁纳米粒子温度测量方法，具体步骤为：(1)确定待测对象区域，并利用通电螺线管对待测区域施加交流激励磁场；(2)利用探测线圈采集交流激励磁场下待测区域的磁感应强度H1；将探测线圈作为传感器靠近待测区域，采集此时的感应磁化强度模拟信号H1的幅值信息A1和相位信息φ0，并通过调理电路进行信号预处理后被数据采集卡采样传送至计算机进行后续信号处理。(3)保持交流激励磁场不变，将磁纳米样品放置于待测对象的待测区域内，利用探测线圈采集施加磁纳米样品之后待测区域的磁感应强度H2；将探测线圈作为传感器靠近待测区域，采集此时的感应磁化强度模拟信号H2的幅值信息A2和相位信息φ0-α，并通过调理电路进行信号预处理后被数据采集卡采样传送至计算机进行后续信号处理。(4)检测磁纳米粒子的交流磁化率χ的实部χ’和虚部χ”；其中的A1，A2，α都由先前检测信号H1，H2求得。下面对方程由来进行具体说明：首先对磁纳米粒子的交流磁化率进行建模：对于置于外磁场的磁纳米粒子，其磁化强度M和交流磁化率χ之间满足关系χ＝M/H(如图2所示)。交流磁化率χ可表示为χ＝χ′-iχ″，χ′＝χ0cosθ，称为交流磁化率实部，而χ″＝χ0sinθ，称为交流磁化率虚部。设给定待测区域的交流磁化率磁场大小为H(t)，H(t)＝H0cos(ωt+φ0),H0表示交流磁场强度的峰值。在未释放样品之时，穿过传感器的磁通量密度B(t)＝μH(t)＝μH0cos(ωt+φ0),μ为此时的磁导率,传感器的磁通量Φ(t)＝B(t)S＝μSH0cos(ωt+φ0),S为传感器的磁感应截面积，此时根据法拉第电磁感应定律，传感器装置提取的感应电信号为：υ1(t)＝-N*dΦ/dt＝μH0NSωsin(ωt+φ0)令A1＝μNSH0，则υ1(t)＝A1sin(ωt+φ0)。通过数据采集卡，我们可以采集到此时的幅值信号A1(n)和初始相位信息φ0(n)。随后在待测区域释放表面修饰后的靶向磁纳米粒子样品，此时磁纳米粒子样品在磁场中的响应磁场大小为M(t)＝χH(t)＝χH0cos(ωt+φ0),这里将H0cos(ωt+φ0)表示为指数形式Re[H0ej(ωt+φ0)],交流磁化率χ以三角函数展开。则磁纳米粒子响应磁场化为：M(t)＝Re[χH0ej(ωt+φ0)]＝H0(χ’cos(ωt+φ0)+χ”sin(ωt+φ0))由于交流激励磁场保持不变,此时穿过传感器装置的磁通量密度B’(t)＝μ(M(t)+H(t)),即同时包含交流激励磁场信号以及样品产生的响应磁场信号。同理，此时传感器的磁通量为：Φ’(t)＝B’(t)S＝μH0((1+χ’)cos(ωt+φ0)+χ”sin(ωt+φ0))根据法拉第电磁感应定律，此时传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁纳米粒子交流磁化率的温度测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)确定待测对象区域，并利用通电螺线管对待测区域施加交流激励磁场；(2)利用探测线圈采集交流激励磁场下待测区域的磁感应强度H1；(3)保持交流激励磁场不变，将磁纳米样品放置于待测对象的待测区域内，利用探测线圈采集施加磁纳米样品之后待测区域的磁感应强度H2；(4)根据下式计算磁纳米粒子的交流磁化率χ的实部χ’和虚部χ”；(1+χ′)2+χ′′2=A2A1α=arctanχ′′1+χ′]]>其中的A1，A2，α都由先前检测信号H1，H2求得；(5)计算磁纳米粒子的有效弛豫时间τ，进而求得温度T。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁纳米粒子交流磁化率的温度测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)确定待测对象区域，并利用通电螺线管对待测区域施加交流激励磁场；(2)利用探测线圈采集交流激励磁场下待测区域的感应磁化强度模拟信号H1；(3)保持交流激励磁场不变，将磁纳米粒子放置于待测对象的待测区域内，利用探测线圈采集施加磁纳米粒子之后待测区域的感应磁化强度模拟信号H2；(4)根据下式计算磁纳米粒子的交流磁化率χ的实部χ’和虚部χ”；其中的感应磁化强度模拟信号H1的幅值信息A1，感应磁化强度模拟信号H2的幅值信息A2，相位差α都由先前检测信号H1，H2求得；(5)计算磁纳米粒子的有效...

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