CN104132736B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

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

技术领域

本发明属于快速精确测温技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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，本发明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。

在本发明的一个实施例中，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。

在本发明的一个实施例中，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。

在本发明的一个实施例中，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。

在本发明的一个实施例中，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，T_c为铁磁性粒子的居里温度，M(T＝0)和T_c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。

在本发明的一个实施例中，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，通过本发明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，通过本发明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，本发明方法的测量速度快：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，本发明方法的测量精度高：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是本发明快速温度变化的测量方法流程图；

图2是本发明一实施例中铁磁性粒子饱和磁化强度-温度曲线图；

图3是本发明一实施例中电感线圈在高频下的等效模型；

图4是本发明一实施例中电感线圈在高频等效模型的幅频响应；

图5是本发明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是本发明一实施例中由线圈检测到的单个热脉冲响应波形图；

图7是本发明一实施例中由线圈检测到的1ms热变化响应波形图；

图8是本发明一实施例中由热电偶检测到的1ms热变化的温度图；

图9是本发明一实施例中由本发明方法所测量计算出的1ms温度图；

图10是通过本发明方法与热电偶测得的1ms温度对比图；

图11是通过本发明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。

为了更好地说明本发明，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，M_S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敏感元件可以满足高时间分辨率温度测量的要求。

对于铁磁性粒子，其宏观磁化强度由其内部磁畴自发磁化强度分布构成，可以用以下公式描述：其中θ_i为第i个自发磁化强度与外场的夹角，M_s是自发磁化强度。

如果利用剩余磁化强度与温度的关系来进行温度测量，则对于不同晶系的晶体而言，剩余磁化强度和自发磁化强度的关系如下表所示：

上述剩余磁化强度是在饱和磁化强度状态下将激励磁场缓慢减小至0时得到，在实际工作状态下，多晶体会工作在第二象限的退磁曲线上，这样使得剩余磁化强度与温度的关系更加复杂；而在饱和磁场下，自发磁化强度的方向都指向外场方向，此时宏观的磁化强度就是自发磁化强度的线性叠加，即：M＝M_s。因此，在进行高时间分辨率温度测量时，首先对铁磁性粒子施加一个外磁场，使之达到饱和，然后在通过再测量由于温度变化带来的磁响应，从而得到温度变化。

自发磁化强度M_s是铁磁性物质最基本的性质，人们在上个世纪耗费了很多精力在理论描述自发磁化强渡M_s关于温度的函数，温度范围在绝对零度到居里温度之间。现在，只能解决评估T＝0时的饱和磁化强度0＜τ＜1的问题，即基于密度泛函理论计算出的M₀与实际实验得到的M₀最匹配。还有一些采用基于经典海森堡模型的密度泛函理论与郎之万的旋转动力学理论计算距离温度T_c的研究。经典的(s＝∞)近似方法也被证明不适用，特别是对于居里温度T_c的计算。对于m(τ)方程，在半个世纪以来，还没有一个完全基于实验的m(τ)方程可以有效的描述所有的铁磁性物质(即相应状态定律)。但是一个基于分子场的理论对此作出了解释：m(τ)仅仅依赖于一个无量纲参数。

以往，除了在τ→0与τ→1时，还没有一个一般的解析表达式在分子近似场上来描述m(τ)方程，但是最近发表了一个由两个或三个简单能量定理推出的对于m(τ)方程在0＜τ＜1的精确表达式，即m(τ)＝[1-sτ^3/2-(1-s)τ^p]^1/3，其中，m为归一化自发磁化强度M_s为自发磁化强度，M₀为温度在绝对零度时的自发磁化强度，即M₀＝M_s(T＝0)，τ为归一化温度T_c为居里温度，s和p为参数系数，p>3/2，s>0。此方程在低温区域遵循Bloch的3/2能量定律，由Heisenberg模型的临界状态可推知，当τ→0时，而在临界区，即τ→1时，m≈(1-τ)^1/3。

基于上述技术思路，本发明提出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，如图1所示，所述方法具体为：

(1)将铁磁性粒子置于待测对象处；

将少量铁磁性粒子通过一定方法置于待测对象内部或涂覆于待测对象表面，这样不会影响待测对象的外观与正常工作状态。

(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；

向铁磁性粒子所在区域施加恒定直流磁场H_dc＝b使其达到饱和磁化状态，针对不同材料，使其饱和磁化的外加直流激励磁场的幅值大小不同。

(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；

使用热电偶或者光纤温度传感器等设备获得待测对象常温下的稳态温度T₁，铁磁性粒子的“饱和磁化强度-温度曲线”如图2所示，在铁磁性粒子被饱和磁化的情况下，其自发磁化强度与温度一一对应，所以可以计算出温度为T₁时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；

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，即m(τ)方程，m(τ)＝[1-sτ^3/2-(1-s)τ^p]^1/3，求解相关方程即可确定待测对象温度T，其中，m为归一化自发磁化强度M_s为自发磁化强度，M₀为温度在绝对零度时的自发磁化强度，即M₀＝M_s(T＝0)，τ为归一化温度T_c为居里温度，s和p为参数系数，p>3/2，s>0。此方程在低温区域遵循Bloch的3/2能量定律，由Heisenberg模型的临界状态可推知，当τ→0时，而在临界区，即τ→1时，m≈(1-τ)^1/3。

所以利用温度变化后的自发磁化强度M₂，即可计算出变化后的温度T₂，但是M₂不能直接检测到，要通过检测出磁化强度变化信号的幅值A与相应的变化时间Δt，从而推导出M₂。

快速温度测量体现在时间分辨率上，在待测对象上施加纳秒级变化时长的温度变化，然后通过检测系统检测其响应信号的幅值和持续时间。

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。

电感线圈的高频等效模型如图3示，即可把电感线圈看作电感与电阻串联后，与一个电容并联，其传递函数为现给定参数为R＝5Ω，L＝800μH，C＝20pF的电感线圈，幅频响应如图4所示，其谐振频率在1.2MHz左右，对于快速温度测量，特别是变化时间在1us以下，即频率特征在1MHz以上的温度变化信号产生不可避免的干扰，所以要提高电感线圈谐振频率来增大快速测温的正常工作范围。降低电感线圈的匝数可以增大其谐振频率，但是会同时减小线圈的分布电容以及电感，而使感应信号响应减小，所以在保证输出信号大小的情况下，使用单层线圈可以同时满足谐振频率与感应信号幅值的要求。

单层线圈谐振频率高，但是响应较小，易受环境噪声影响，信噪比较低，不便于有用信号的提取。在这里使用高速的仪表放大器，将两个信号进行差分放大，可以较好的抑制共模干扰，增大信噪比，相应的也要使用高速数据采集装置。

采集待测区域铁磁性粒子试剂的磁化强度变化信号。无热源情况下，系统输出信号全部为电路噪声与空间中的干扰，开始变温时，热源在铁磁性粒子试剂上产生1次短时间Δt的热量变化，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后被数据采集卡采集并存储于计算机以便后续的数据处理，获得铁磁性粒子的磁化强度变化-时间曲线和响应信号波形，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与相应的变化时间Δt。

将所采集信号的幅值A还原为感应电动势ε，即β是调理电路的放大倍数。根据法拉第电磁感应定律其中，ε为感应电动势，N为电感线圈的匝数，ΔΦ是磁通变化量，Δt是发生变化所用时间。可以计算出变化的磁通量ΔΦ，又ΔΦ＝ΔB*S，ΔB＝a*ΔM其中，ΔB是磁化强度变化量，S是面积，a是比例系数，ΔM是自发磁化强渡变化量。进而得到铁磁性粒子的自发磁化强度变化值ΔM，对该自发磁化强度变化值ΔM进行边缘优化的中值滤波，得到减弱由于线圈直流漂移而导致的偏离的自发磁化强度变化修正值ΔM_c，得到铁磁性粒子自发磁化强度随温度变化后的瞬态值M₂＝M₁+ΔM_c。

进而根据m(τ)方程，m(τ)＝[1-sτ^3/2-(1-s)τ^p]^1/3，推出关系式反演得到温度值T₂，变化的温度ΔT＝T₂-T₁。其中t_n是第n个采样点的时间，M(t₀)由初始温度计算得到，s为铁磁性材料热退磁曲线的参数，M(T＝0)是铁磁性粒子在绝对零度时的自发磁化强度，T_c为铁磁性粒子的居里温度，M(T＝0)和T_c对于某一确定材料其为一确定值。所以推出M₂与T₂的关系式

综合以上推导，可以推变化温度与检测信号幅值关系式，其中A是线圈检测到的温度变化后的磁化强度变化信号的幅值，T₂是所测的变化后的温度，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，T_c为铁磁性粒子的居里温度，M(T＝0)和T_c对于某一确定材料其为一确定值，M₁为温度为T₁时铁磁性粒子的初始自发磁化强度。

(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。

快速变温的变化时间为Δt可以由检测系统直接测量得到，若多次变温，则温度变化为多次叠加。

在实验测量中，由于自然环境中少有纳秒级或以下的温度变化情况，所以在工程上使用光纤激光器产生热脉冲击打于待测对象上，来产生快速温度变化，同时使用热电偶作为温度参照设备与待测对象置于相同的温度环境中。

使用光纤激光器或其他热源提供温度变化状态(即变温环境)，时间长度为t(纳秒级)，功率大小为P。

实验所用光纤激光器可以产生脉冲激光束，功率范围0～20W，脉冲宽度200ns，上升时间130ns，频率23.3kHz。激光器通过透镜聚焦输出时，输出能量密度巨大，由于铁磁性粒子本身居里温度所限，所以采用非聚焦形式输出，光斑直径约6mm，可以对待测对象进行表面均匀加热。

单次激光脉冲的响应波形如图5所示，这是由光电功率二极管检测得到的，由探测线圈检测到的铁磁性粒子对于单个热脉冲的响应波形如图6所示，比较两个图可以看到，它们中的上升时间与激光器输出激光的标准上升时间130ns基本相同，即检测系统可以清晰分辨至少130ns的温度变化。

对于1ms的连续激光变温，检测系统所测响应波形如图7所示，总时间范围是2ms，可以看到其中有二十多道激光脉冲响应，每个响应脉冲的幅值即可反映响应的激光脉冲的功率大小，也就是激光所导致的变温大小，首尾几个响应脉冲幅值差异是激光器开关时功率不稳定造成的。图8是对应的热电偶测量得到的温度变化，可以看到温度变化了约0.03℃，且完全不能分辨出每一次脉冲激光带来的温度变化，而只能反映出1ms时间的总温度变化。图9是检测系统测得的响应信息通过信号处理算法解析后的磁测量温度变化，图10是其与热电偶测量的对比图，可以轻易看出二者测量的总温度变化值几乎一致，但是磁测温中可以清晰分辨每一次激光脉冲的温度变化情况，即磁测量在温度分辨率以及时间分辨率上远强于热电偶。图11是二者磁测温与热电偶测温的误差，最大温度误差在0.01℃。

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。

Claims (6)

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T₂之间的关系：

$A=\frac{\mathrm{a\βNS}}{\mathrm{\Δt}}*\{M(T=0)\·{[1-s{\left(\frac{T_2}{T_c}\right)}^{\frac{3}{2}}-(1-s){\left(\frac{T_2}{T_c}\right)}^{\frac{5}{2}}]}^{\frac{1}{3}}-M_1\},$

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，T_c为铁磁性粒子的居里温度，M(T＝0)和T_c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。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，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，检测出磁化强度变化信号通过处理电路后的输出幅值A。