CN106959317A - 一种自动可控温型近红外光热转换测试仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动可控温型近红外光热转换测试仪，由无线数据传输连接的测试平台和PC控制平台构成，测试平台包括光电转换器，温度控制器，温度显示器、温度测量传输器、样品池、磁力搅拌器，以及近红外激光源。本发明利用近红外激光为激发光源，采用温度测控装置对测试样品就行温度测试，同时通过无线信号方式来实现将测温数据传输到PC控制平台，实现对测试样品的温度变化实时观测和记录的目的，同时温度控制器能够通过控制近红外激光的电源来实现将测试样品的温度控制在一定范围，能够实现测试液相物质近红外光热转换升温效果和控制近红外光热转换温度。

Description

一种自动可控温型近红外光热转换测试仪
技术领域
本发明属于测量设备领域，涉及一种测试液相物质的仪器，具体涉及一种测试液相物质近红外光热转换效果和控制近红外光热转换温度的测试仪。
背景技术
光热治疗是一种治疗肿瘤的新方法，具有很大的发展潜力，并将成为一种治疗肿瘤的重要方法。光热治疗法是利用具有较高光热转换效率的材料，将其注射入人体内部，利用靶向性识别技术聚集在肿瘤组织附近，并在外部光源(一般是近红外光)的照射下将光能转化为热能来杀死癌细胞的一种治疗方法。治疗过程中使用红外光照射病患部位，使局部皮肤毛细血管血流加快，改善微循环，促进局部新陈代谢，加快组织再生能力。这种治疗能够减少患者所经受的疼痛，缩短治疗时间，并且具有良好的治疗效果。
光热转换剂是光热治疗中常用的光热物质。这种物质被用于光热治疗最重要的特征就是具有良好的光热转换效果。目前，针对光热转换剂的光热效果测试主要是实验人员自行搭建的简易装置，这些装置方法往往操作复杂，重复性差，数字化程度不够，亟待加以进一步改进。
发明内容
本发明的目的是提供了一种结构简单、使用方便、造价低，利用电子信息技术设计一套能够智能化的研究近红外光热转换现象的测试仪。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：提供一种自动可控温型近红外光热转换测试仪，其中：由无线数据传输连接的测试平台和PC控制平台构成，所述测试平台包括样品层，样品层的上方设有温度调控层，样品层的下方设有动力层，动力层的左侧方设有光电转换层；所述光电转换层内设有光电转换器，温度调控层内设有温度控制器、温度显示器和温度测量传输器，样品层内设有样品池，动力层内设有磁力搅拌器，样品层的左侧且位于光电转换层的上方设有近红外激光源，样品层与动力层之间设有电源控制器；所述样品层与温度调控层之间开设供温度探头穿过的通道，通道采用聚醋酸乳液密封填充；所述样品池外层为PVC板材质层，内层为聚乙烯乳液涂层，温度探头固定在聚乙烯乳液涂层中；所述光电转换器、温度控制器、温度测量传输器、温度显示器、磁力搅拌器、PC控制平台均与电源控制器连接。
进一步地，所述PC控制平台包括VCOMM虚拟串口软件和JYModbus PT100配置软件；VCOMM虚拟串口软件用来建立电脑和仪器的串口连接，JYModbus PT100配置软件用来实时监控记录温度变化，并自动生成温度曲线。
进一步地，所述样品层左侧上设有尺寸约为1.5cm2供近红外激光源发出的近红外光传输到样品池的通孔(方形孔)。方形孔用长宽高为10cm、2cm、0.2cm的石英玻璃板密封，同时方形孔刚好能够将近红外激光源发出的近红外光传输到样品层。
进一步地，所述温度探头为PT100温度传感器，数量为5条。
进一步地，所述温度控制器能够将液相样品的加热温度维持在35℃～45℃。
进一步地，所述温度控制器安装在温度调控层左侧，且部分穿过左侧板层；温度控制器的显示器部分在箱体外侧；目的是为了使温度控制器的显示屏露在外面，便于观察温度示数，同时也方便对温度控制器进行操作。
本发明自动可控温型近红外光热转换测试仪的测试平台分为三层，并且每层之间都为独立空间不相互连接，并且每层都有木制门板。其中上层和下层与门相对的面有数量不等的大小为2cm2的正方形散热孔。
进一步地，电源控制器能够实现直接将220V交流电供给于温度控制器、光电转换器实用，也能够实现将220V交流电转换为12V直流电然后在为温度测量传输器供电。
进一步地，光电转换器能够实现对近红外激光源发射激光强度的调控，并且近红外激光源为可移动可更换部件，并且该套测试仪配备有980nm和808nm两种激光发射源。
进一步地，电源控制器安装在测试平台的背侧，且位置在样品层和动力层之间。
进一步地，测试平台左侧的光电转换层长、宽、高分别为：30cm、20cm、15cm，壁厚2cm。测试平台右侧长、宽、高分别为：30cm，20cm，40cm，壁厚2cm。其中温度调控层空间高度为13cm，样品层空间高度为10cm，动力层空间高度为11cm。
进一步地，除温度控制器、温度测量传输器和近红外激光源外，其他部件均竖直安装；确保有效利用仪器空间。
本发明自动可控温型近红外光热转换测试仪具有以下的有益效果：
1、本发明利用无线传输技术将测试平台和PC控制平台分离，能够实现远距离观测和数据记录。
2、本发明利用近红外激光为激发光源，采用温度测控装置对测试样品就行温度测试，同时通过无线信号方式来实现将测温数据传输到PC控制平台，实现对测试样品的温度变化实时观测和记录的目的，同时温度控制器能够通过控制近红外激光的电源来实现将测试样品的温度控制在一定范围，能够实现测试液相物质近红外光热转换升温效果和控制近红外光热转换温度。
附图说明
图1为本发明自动可控温型近红外光热转换测试仪的结构示意图；
图2为本发明自动可控温型近红外光热转换测试仪的计算模型公式；
图3为本发明样品C3N4/NaYF4:Yb，Er悬浊液近红外光热曲线图；
图4为激光关闭后，以(T(t)-T0)/(Tm-T0)的自然对数作为应变量，时间为自变量的函数的曲线图；
图1中：1、光电转换层；2、光电转换器；3、磁力搅拌器；4、动力层；5、电源控制器；7、方形孔；8、温度测量传输器；9、温度显示器；10、温度调控层；11、温度控制器；12、样品层；13、近红外激光源；14、PC控制平台。
具体实施方式
为了详细说明本发明自动可控温型近红外光热转换测试仪的技术内容、构造特征、以下结合实施方式并配合附图作进一步说明。
如图1所示，本发明自动可控温型近红外光热转换测试仪，由无线数据传输连接的测试平台和PC控制平台14构成，所述测试平台包括样品层12，样品层12的上方设有温度调控层10，样品层12的下方设有动力层4，动力层4的左侧方设有光电转换层1。
所述光电转换层1内设有光电转换器2，温度调控层10内设有温度控制器11，温度显示器9和温度测量传输器8，样品层12内设有样品池6，动力层4内设有磁力搅拌器3，样品层12的左侧且位于光电转换层的上方设有近红外激光源13，样品层12与动力层4之间设有电源控制器5，电源控制器5安装在测试平台的背侧，且位置在样品层和动力层之间。所述样品层12与温度调控层11之间开设供5条PT100温度传感器穿过的方形孔7，采用聚醋酸乳液密封填充；所述样品池6外层为PVC板材质层，内层为聚乙烯乳液涂层，温度探头固定在聚乙烯乳液涂层中；所述光电转换器2、温度控制器11、温度测量传输器8、温度显示器9、磁力搅拌器3、PC控制平台14均与电源控制器5连接，温度测量传输器8与PC控制平台14连接。
所述PC控制平台14包括VCOMM虚拟串口软件和JYModbus PT100配置软件；VCOMM虚拟串口软件用来建立电脑和仪器的串口连接，JYModbus PT100配置软件用来实时监控记录温度变化，并自动生成温度曲线。
所述样品层左侧上设有尺寸约为1.5cm2供近红外激光源发出的近红外光传输到样品池的通孔(方形孔)。方形孔用长宽高为10cm、2cm、0.2cm的石英玻璃板密封，同时方形孔刚好能够将近红外激光源发出的近红外光传输到样品层。
所述温度控制器11安装在温度调控层左侧，且部分穿过左侧板层；温度控制器11的显示器部分在箱体外侧；目的是为了使温度控制器的显示屏露在外面，便于观察温度示数，同时也方便对温度控制器进行操作。
测试平台左侧的光电转换层长、宽、高分别为：30cm、20cm、15cm，壁厚2cm。测试平台右侧长、宽、高分别为：30cm，20cm，40cm，壁厚2cm。其中温度调控层空间高度为13cm，样品层空间高度为10cm，动力层空间高度为11cm。
测试样品放于样品池6内，关闭门板，同时打开PC控制平台14电源，然后接通仪器测量部分电源，仪器测量平台各部件预热5分钟，期间打开PC控制平台14操控软件，建立PC控制平台与仪器控制部分的连接，使PC控制平台能够接收到温度测量传输器8发出的信号，之后在温度控制器11设定样品加热温度范围，最后调整光电转换器2使激光强度到达一定数值，近红外激光源发出激光进入样品池6，对测试样品就行加热。同时可在样品池内放入转子，打开磁力搅拌器，对样品溶液进行搅拌。样品加热过程中温度信号通过PT100温度探头将温度信号反馈到PC控制平台14，PC控制平台的软件能够将传送回来的温度信号转化为图形输出，实时呈现样品的温度变化情况，并且能够将温度变化记录保存。
除了可以对样品池中的加热物进行温度测量外，仪器同时也可以对样品池中样品温度进行控制。例如，在温度控制器11中将测试温度设定为37℃，那么当样品温度温度没有达到37℃时，温度控制器11能够控制近红外激光源13处于工作状态，使其发射近红外光对样品加热，如果样品池中温度探头对温度控制器反馈样品温度大于37℃，那么温度控制器使近红外激光源13处于关闭状态，不对样品就行加热。以此保持样品温度恒定在设定温度。此外如果在温度控制器11中将样品测试温度区间设定为37℃～45℃，那么样品温度低于37℃，温度控制器11使近红外激光源13处于工作状态，使其发射近红外光对样品加热；如果样品温度高于45℃，温度控制器11使近红外激光源13处于关闭状态，使其发射近红外光停止对样品加热。以此保持样品温度维持在设定的温度区间。
其中仪器测试平台配有两个透气孔，其主要作用是用来及时散发光电转换器2、电源控制器5、温度控制器11、温度测量传输器8和近红外激光源13在工作过程中产生的热量，保证组件具有较长的工作寿命；同时及时散去多余热量能够减小对测试样品的影响。在样品测试完之后及时打开中间的门板，对其散热。
本发明以980nm近红外激光源的光热转换为例进行了激光光热效应的测试和温度控制的说明。
本仪器测量实例：
测试样品为浓度1g/L的C3N4/NaYF4:Yb,Er悬浊液，激光源为980nm近红外激光。
计算模型如图2所示，其中，Q1、Q2分别为达到温度平衡时样品吸收的热量和样品溶液向外界环境散失一部分热量，Mi，Ci，T和t分别表示组分i的质量，组分i的比热容，实时温度，测量时间。由于C3N4/NaYF4:Yb,Er的浓度比较低，比热容不高，因此在试验中用水的比热容(4.18J g-1K-1)代替C3N4/NaYF4:Yb,Er溶液的比热容。这样一来公式(1)简化为(2)。吸收热量Q1可以用公式(3)表示，其中I1，I2和η，分别表示样品池入射激光功率，样品池射出激光功率和样品光热转换效率。散失热量Q2可以用公式(4)表示，其中Tt，T0和B，分别表示样品池实时温度，样品池初始温度和样品池的环境热散失系数。将公式(3)和公式(4)代入公式(2)中，同时用系数N代替(∑B)/(Mw Cw)可得公式(5)。公式(5)的物理学含义代表待测样品的实时温度曲线。由于测试一般先升温后降温，所以根据不同阶段的特点可以求解样品的近红外光热转换系数。
仪器测试情况如图3、图4所示：
图3是样品C3N4/NaYF4:Yb,Er悬浊液近红外光热曲线，图4是激光关闭后，以(T(t)-T0)/(Tm-T0)的自然对数作为应变量，时间为自变量的函数的曲线图。当用0.768W的近红外激光照射样品悬浊液(2.5mL)时，样品的温度由26℃逐渐升高到37.1℃，升温幅度为11.1℃。关闭激光器，样品温度从平衡温度降低到室温，由公式(6)可以作出以T(t)-T0)/(Tm-T0)的自然对数作为函数，时间为自变量的函数。由图3可以计算出N的值为0.0029，又测得升温过程中的激光透过功率为0.208W。最后将所有数据代入公式(7)中，得到C3N4/NaYF4:Yb,Er悬浊液在980nm近红外光照射下的光热转换效率大约为60.07％。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种自动可控温型近红外光热转换测试仪，其特征在于：由无线数据传输连接的测试平台和PC控制平台构成，所述测试平台包括样品层，样品层的上方设有温度调控层，样品层的下方设有动力层，动力层的左侧方设有光电转换层；所述光电转换层内设有光电转换器，温度调控层内设有温度控制器、温度显示器和温度测量传输器，样品层内设有样品池，动力层内设有磁力搅拌器，样品层的左侧且位于光电转换层的上方设有近红外激光源，样品层与动力层之间设有电源控制器；所述样品层与温度调控层之间开设供温度探头穿过的通道，通道采用聚醋酸乳液密封填充；所述样品池外层为PVC板材质层，内层为聚乙烯乳液涂层，温度探头固定在聚乙烯乳液涂层中；所述光电转换器、温度控制器、温度测量传输器、温度显示器、磁力搅拌器、PC控制平台均与电源控制器连接。
2.如权利要求1所述的自动可控温型近红外光热转换测试仪，其特征在于：所述PC控制平台包括VCOMM虚拟串口软件和JYModbus PT100配置软件；VCOMM虚拟串口软件用来建立电脑和仪器的串口连接，JYModbus PT100配置软件用来实时监控记录温度变化，并自动生成温度曲线。
3.如权利要求1所述的自动可控温型近红外光热转换测试仪，其特征在于：所述样品层左侧上设有供近红外激光源发出的近红外光传输到样品池的通孔。
4.如权利要求3所述的自动可控温型近红外光热转换测试仪，其特征在于：所述通孔采用石英玻璃板密封。
5.如权利要求1所述的自动可控温型近红外光热转换测试仪，其特征在于：所述温度探头为PT100温度传感器，数量为5条。
6.如权利要求1所述的自动可控温型近红外光热转换测试仪，其特征在于：所述温度控制器能够将液相样品的加热温度维持在35℃～45℃。
7.如权利要求1所述的自动可控温型近红外光热转换测试仪，其特征在于：所述温度控制器安装在温度调控层左侧，且部分穿过左侧板层；温度控制器的显示器部分在箱体外侧。
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