CN108387487A - 基于交变磁场脉冲红外的磁性水凝胶均匀性无损评价方法 - Google Patents
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Abstract
基于交变磁场脉冲红外的磁性水凝胶均匀性无损评价方法，该方法实验装置由加热装置、冷却装置、红外相机、激励线圈和数据采集装置组成；实现该方法时，首先将激励线圈和红外相机放置在磁性水凝胶上方，利用冷却装置对与加热装置相连的激励线圈进行冷却；然后利用加热装置给激励线圈施加脉冲激励电流的同时，通过数据采集装置给红外相机一个触发信号，使红外相机的图像采集与施加于激励线圈的激励信号实现同步；最后通过分析采集到的图像序列即可对磁性水凝胶中磁性粒子的均匀性进行无损评价；本发明方法可以快速对磁性水凝胶中磁性粒子的均匀性进行无损评价，为其提供了可靠的评价方法，填补了目前该领域的国际空白，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及磁性水凝胶中磁性粒子均匀性无损评估领域，具体涉及一种基于交变磁场脉冲红外的磁性水凝胶均匀性无损评价方法。
背景技术
磁性水凝胶是一类能够在外加磁场的作用下发生体积的膨胀或收缩的高分子材料。磁性水凝胶由磁性材料和高分子聚合物所组成。其中磁性材料指具有导向性的磁性金属氧化物，而高分子聚合物按照材料的来源可分为人工合成水凝胶、半合成水凝胶以及天然水凝胶三大类。当磁性水凝胶置于磁场中时，磁性粒子会由于彼此的吸引力而聚集，造成水凝胶孔径减小，发生体积变化；反之，当磁场关闭时，水凝胶又会恢复到原来的状态。磁性水凝胶由于其独特的磁响应特性，被广泛应用在组织工程支架、生物工程细胞分离、环境工程污水处理和药物载体等方面，具有良好的应用前景。
磁性水凝胶的制备方法有共沉淀法、沉淀反应法和接棱法等。在磁性水凝胶的制备过程中很难控制磁性粒子分布的均匀性，这会导致磁性水凝胶的性能具有空间差异性，性能的差异会对磁性水凝胶的应用产生负面影响，这就需要对磁性水凝胶中磁性粒子的均匀性进行评价。
交变磁场脉冲红外是一种新兴的无损检测技术，具有非接触、观测范围大和分辨率高等优点。交变磁场脉冲红外无损检测技术通过激励线圈中的高频激励电流对物体施加交变磁场，再通过红外相机采集物体表面温度变化的图像序列，最后通过分析温度图像序列即可对物体进行无损检测和无损评估。
发明内容
为了达到上述评价磁性水凝胶中磁性粒子均匀性的目的，本发明的目的在于提供一种基于交变磁场脉冲红外的磁性水凝胶均匀性无损评价方法，该方法实验装置由加热装置、冷却装置、红外相机、激励线圈和数据采集装置组成；实现该方法时，首先将激励线圈和红外相机放置在磁性水凝胶上方，利用冷却装置对与加热装置相连的激励线圈进行冷却；然后利用加热装置给激励线圈施加脉冲激励电流的同时，通过数据采集装置给红外相机一个触发信号，使红外相机的图像采集与施加于激励线圈的激励信号实现同步；最后通过分析采集到的图像序列即可对磁性水凝胶中磁性粒子的均匀性进行无损评价；本发明方法可以快速对磁性水凝胶中磁性粒子的均匀性进行无损评价，为其提供了可靠的评价方法，填补了目前该领域的国际空白，具有良好的应用前景。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
基于交变磁场脉冲红外的磁性水凝胶均匀性无损评价方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建实验装置，该实验装置由加热装置、冷却装置、红外相机、激励线圈和数据采集装置组成；其中数据采集装置与加热装置和红外相机连接，并给加热装置和红外相机同步触发信号；加热装置接收到触发信号后施加脉冲激励电流给激励线圈，激励线圈放置于磁性水凝胶上方，同时冷却装置与加热装置相连对激励线圈进行冷却；红外相机接收到来自数据采集装置的触发信号后开始采集图像序列并将其传输给数据采集装置；
步骤2：首先打开冷却装置并根据磁性水凝胶试样的尺寸大小选择尺寸适配的激励线圈，将激励线圈放置于磁性水凝胶试样表面上方0.5mm处；然后对红外相机进行温度校准，校准完毕后进行调焦操作，保证磁性水凝胶试样在红外相机中的图像清晰，同时红外相机与激励线圈之间的距离必须大于500mm，防止激励线圈产生的磁场影响红外相机的性能；
步骤3：在数据采集装置中设置加热装置给激励线圈施加的激励电流的参数，包括：电流幅值、激励频率和激励时间；然后在数据采集装置中设置红外相机采集图像序列的参数，包括：采样频率和总的采集时间；总的采集时间必须大于激励时间；
步骤4：用数据采集装置同时给加热装置和红外相机一个触发信号，加热装置接收到触发信号的同时开始给激励线圈施加一个脉冲激励电流，激励波形表达式如式(1)所示；
I(t)＝I0×(1-e-10000t)×sin(ωt) (1)
式中：I(t)表示t时刻的激励电流值，I0表示脉冲激励电流的幅值，ω为脉冲激励电流的角频率，t为时间；
激励线圈中的脉冲电流会在空间激发交变的磁场，磁性水凝胶中的磁性粒子在交变磁场中会发生弛豫耗散现象，弛豫耗散会产生热量，使磁性粒子温度升高，进而通过热传导，使该区域附近的磁性水凝胶温度升高。磁性粒子分布密度较大的区域，弛豫耗散产生的热量相对较多，使该区域温度升高相对明显；反之，磁性粒子分布密度较小的区域，温度升高相对较小。通过以上分析，可以通过测量磁性水凝胶的加热或冷却阶段的表面温度分布，来反推水凝胶中磁性粒子的分布状况；
弛豫耗散的产生机理包括以下两个方面：
(1)磁性粒子的布朗运动(Brownian motion)
磁性粒子由于布朗运动产生的热量由式(2)得到，
式中：m表示磁性粒子的磁矩；H表示磁场强度；ω表示激励信号的角频率；τB表示布朗运动的弛豫时间，由式(3)求得；k表示玻尔兹曼常数；T表示环境温度；ρ表示磁性粒子的密度；V表示磁性粒子的体积；
式中：η表示液体粘度；r表示磁性粒子的半径；k表示玻尔兹曼常数；T表示环境温度；
(2)磁性粒子的尼尔耗散(Neel losses)
磁性粒子由于尼尔耗散产生的热量由式(4)得到，
式中：m表示磁性粒子的磁矩；H表示磁场强度；ω表示激励信号的角频率；τN表示尼尔耗散的弛豫时间，由式(5)求得；k表示玻尔兹曼常数；T表示环境温度；ρ表示磁性粒子的密度；V表示磁性粒子的体积；
式中：τ0是一个时间常数，取109s；K表示各向异性常数；V表示磁性粒子的体积；k表示玻尔兹曼常数；T表示环境温度。
磁性水凝胶中的磁性粒子在交变磁场中由于上述弛豫现象产生热量，进而影响磁性水凝胶的温度。当红外相机接收到来自数据采集装置发出的触发信号时，开始采集磁性水凝胶上表面温度的变化；
步骤5：对采集的图像序列进行数据处理，采用灰度变换增强法提高图像序列的质量和可辨识度，使图像序列更有利于观察；由于红外相机总的采集时间大于加热系统的激励时间，所以磁性水凝胶的温度变化过程可分为加热阶段和冷却阶段两部分；又由于磁性水凝胶中的磁性粒子与水凝胶基体的材料属性不同，所以其温度分布有差异；通过分析加热/冷却过程中磁性水凝胶上表面温度分布的差异即可得到磁性水凝胶中磁性粒子分布的均匀程度，进而可以对磁性水凝胶的磁性粒子均匀性给予评价。
和现有技术相比，本发明的优点如下：
1)首次提出了对磁性水凝胶中磁性粒子的均匀性进行无损评价的方法，与传统的目视法相比，填补了该领域的国际空白，具有更高的可靠性、空间分辨率和精度。
2)本发明方法可以为磁性水凝胶的制备和产品的应用提供科学的无损评价方法，确保磁性水凝胶的质量符合应用的要求，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明中应用的交变磁场脉冲红外无损检测系统各个组件连接示意图。
图2为本发明中所用磁性水凝胶试样示意图及交变磁场脉冲红外无损检测中激励线圈的位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：对于如图2所示的被测试样，本发明方法的检测步骤为：如图1所示，该方法实验装置由加热装置、冷却装置、红外相机、激励线圈和数据采集装置组成；实现该方法时，首先将激励线圈和红外相机放置在磁性水凝胶上方，利用冷却装置对与加热装置相连的激励线圈进行冷却；然后利用加热装置给激励线圈施加脉冲激励电流的同时，通过数据采集装置给红外相机一个触发信号，使红外相机的图像采集与施加于激励线圈的激励信号实现同步；最后通过分析采集到的图像序列即可对磁性水凝胶中磁性粒子的均匀性进行无损评价。
下面结合图1、图2具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
基于交变磁场脉冲红外的磁性水凝胶均匀性无损评价方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建实验装置，该实验装置由加热装置、冷却装置、红外相机、激励线圈和数据采集装置组成；其中数据采集装置与加热装置和红外相机连接，并给加热装置和红外相机同步触发信号；加热装置接收到触发信号后施加脉冲激励电流给激励线圈，激励线圈放置于磁性水凝胶上方，同时冷却装置与加热装置相连对激励线圈进行冷却；红外相机接收到来自数据采集装置的触发信号后开始采集图像序列并将其传输给数据采集装置；
步骤2：首先打开冷却装置并根据磁性水凝胶试样的尺寸大小选择尺寸适配的激励线圈，将激励线圈放置于磁性水凝胶试样表面上方0.5mm处；然后对红外相机进行温度校准，校准完毕后进行调焦操作，保证磁性水凝胶试样在红外相机中的图像清晰，同时红外相机与激励线圈之间的距离必须大于500mm，防止激励线圈产生的磁场影响红外相机的性能；
步骤3：在数据采集装置中设置加热装置给激励线圈施加的激励电流的相关参数，包括：电流幅值、激励频率和激励时间；然后在数据采集装置中设置红外相机采集图像序列的相关参数，包括：采样频率和总的采集时间；总的采集时间必须大于激励时间；
步骤4：用数据采集装置同时给加热装置和红外相机一个触发信号，加热装置接收到触发信号的同时开始给激励线圈施加一个脉冲激励电流，激励波形表达式如式(1)所示；
I(t)＝I0×(1-e-10000t)×sin(ωt) (1)
式中：I(t)表示t时刻的激励电流值，I0表示脉冲激励电流的幅值，ω为脉冲激励电流的角频率，t为时间；
激励线圈中的脉冲电流会在空间激发交变的磁场，磁性水凝胶中的磁性粒子在交变磁场中会发生弛豫耗散现象，弛豫耗散会产生热量，使磁性粒子温度升高，进而通过热传导，使该区域附近的磁性水凝胶温度升高。磁性粒子分布密度较大的区域，弛豫耗散产生的热量相对较多，使该区域温度升高相对明显；反之，磁性粒子分布密度较小的区域，温度升高相对较小。通过以上分析，可以通过测量磁性水凝胶的加热或冷却阶段的表面温度分布，来反推水凝胶中磁性粒子的分布状况。
弛豫耗散的产生机理包括以下两个方面：
(1)磁性粒子的布朗运动(Brownian motion)
磁性粒子由于布朗运动产生的热量可由式(2)得到，
式中：m表示磁性粒子的磁矩；H表示磁场强度；ω表示激励信号的角频率；τB表示布朗运动的弛豫时间，可由式(3)求得；k表示玻尔兹曼常数；T表示环境温度；ρ表示磁性粒子的密度；V表示磁性粒子的体积。
式中：η表示液体粘度；r表示磁性粒子的半径；k表示玻尔兹曼常数；T表示环境温度。
(2)磁性粒子的尼尔耗散(Neel losses)
磁性粒子由于尼尔耗散产生的热量可由式(4)得到，
式中：m表示磁性粒子的磁矩；H表示磁场强度；ω表示激励信号的角频率；τN表示尼尔耗散的弛豫时间，可由式(5)求得；k表示玻尔兹曼常数；T表示环境温度；ρ表示磁性粒子的密度；V表示磁性粒子的体积。
式中：τ0是一个时间常数，取109s；K表示各向异性常数；V表示磁性粒子的体积；k表示玻尔兹曼常数；T表示环境温度。
磁性水凝胶中的磁性粒子在交变磁场中由于上述弛豫现象产生热量，进而影响磁性水凝胶的温度。当红外相机接收到来自数据采集装置发出的触发信号时，开始采集磁性水凝胶上表面温度的变化；
步骤5：对采集的图像序列进行数据处理，采用灰度变换增强法提高图像序列的质量和可辨识度，使图像序列更有利于观察。由于红外相机总的采集时间大于加热系统的激励时间，所以磁性水凝胶的温度变化过程可分为加热阶段和冷却阶段两部分。又由于磁性水凝胶中的磁性粒子与水凝胶基体的材料属性不同，所以其温度分布有差异。通过分析加热/冷却过程中磁性水凝胶上表面温度分布的差异即可得到磁性水凝胶中磁性粒子分布的均匀程度，进而可以对磁性水凝胶的磁性粒子均匀性给予评价。
Claims (1)
1.基于交变磁场脉冲红外的磁性水凝胶均匀性无损评价方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：搭建实验装置，该实验装置由加热装置、冷却装置、红外相机、激励线圈和数据采集装置组成；其中数据采集装置与加热装置和红外相机连接，并给加热装置和红外相机同步触发信号；加热装置接收到触发信号后施加脉冲激励电流给激励线圈，激励线圈放置于磁性水凝胶上方，同时冷却装置与加热装置相连对激励线圈进行冷却；红外相机接收到来自数据采集装置的触发信号后开始采集图像序列并将其传输给数据采集装置；
步骤2：首先打开冷却装置并根据磁性水凝胶试样的尺寸大小选择尺寸适配的激励线圈，将激励线圈放置于磁性水凝胶试样表面上方0.5mm处；然后对红外相机进行温度校准，校准完毕后进行调焦操作，保证磁性水凝胶试样在红外相机中的图像清晰，同时红外相机与激励线圈之间的距离必须大于500mm，防止激励线圈产生的磁场影响红外相机的性能；
步骤3：在数据采集装置中设置加热装置给激励线圈施加的激励电流的参数，包括：电流幅值、激励频率和激励时间；然后在数据采集装置中设置红外相机采集图像序列的参数，包括：采样频率和总的采集时间；总的采集时间必须大于激励时间；
步骤4：用数据采集装置同时给加热装置和红外相机一个触发信号，加热装置接收到触发信号的同时开始给激励线圈施加一个脉冲激励电流，激励波形表达式如式(1)所示；
I(t)＝I0×(1-e-10000t)×sin(ωt) (1)
式中：I(t)表示t时刻的激励电流值，I0表示脉冲激励电流的幅值，ω为脉冲激励电流的角频率，t为时间；
激励线圈中的脉冲电流会在空间激发交变的磁场，磁性水凝胶中的磁性粒子在交变磁场中会发生弛豫耗散现象，弛豫耗散会产生热量，使磁性粒子温度升高，进而通过热传导，使该区域附近的磁性水凝胶温度升高；磁性粒子分布密度较大的区域，弛豫耗散产生的热量相对较多，使该区域温度升高相对明显；反之，磁性粒子分布密度较小的区域，温度升高相对较小；因此，能够通过测量磁性水凝胶的加热或冷却阶段的表面温度分布，来反推水凝胶中磁性粒子的分布状况；
弛豫耗散的产生机理包括以下两个方面：
(1)磁性粒子的布朗运动Brownian motion
磁性粒子由于布朗运动产生的热量由式(2)得到，
式中：m表示磁性粒子的磁矩；H表示磁场强度；ω表示激励信号的角频率；τB表示布朗运动的弛豫时间，由式(3)求得；k表示玻尔兹曼常数；T表示环境温度；ρ表示磁性粒子的密度；V表示磁性粒子的体积；
式中：η表示液体粘度；r表示磁性粒子的半径；k表示玻尔兹曼常数；T表示环境温度；
(2)磁性粒子的尼尔耗散Neel losses
磁性粒子由于尼尔耗散产生的热量由式(4)得到，
式中：m表示磁性粒子的磁矩；H表示磁场强度；ω表示激励信号的角频率；τN表示尼尔耗散的弛豫时间，由式(5)求得；k表示玻尔兹曼常数；T表示环境温度；ρ表示磁性粒子的密度；V表示磁性粒子的体积；
式中：τ0是一个时间常数，取109s；K表示各向异性常数；V表示磁性粒子的体积；k表示玻尔兹曼常数；T表示环境温度；
磁性水凝胶中的磁性粒子在交变磁场中由于上述弛豫现象产生热量，进而影响磁性水凝胶的温度；当红外相机接收到来自数据采集装置发出的触发信号时，开始采集磁性水凝胶上表面温度的变化；
步骤5：对采集的图像序列进行数据处理，采用灰度变换增强法提高图像序列的质量和可辨识度，使图像序列更有利于观察；由于红外相机总的采集时间大于加热系统的激励时间，所以磁性水凝胶的温度变化过程分为加热阶段和冷却阶段两部分；又由于磁性水凝胶中的磁性粒子与水凝胶基体的材料属性不同，所以其温度分布有差异；通过分析加热/冷却过程中磁性水凝胶上表面温度分布的差异即得到磁性水凝胶中磁性粒子分布的均匀程度，进而对磁性水凝胶的磁性粒子均匀性给予评价。
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