CN109188320A - 一种基于磁阻效应的流场成像系统及成像方法 - Google Patents

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Abstract

为了提高流场成像设备的精度和降低设备成本，本发明记载了一种基于磁阻效应的流场成像系统及成像方法，包括电源、磁场发生模块、多个磁场感测模块，分析电路模块、信号转换模块、成像模块、磁性感应颗粒；所述电源与磁场发生模块连接，所述磁场发生模块包围待测空间，所述待测空间内设有多个阵列，在多个阵列中均设置有所述多个磁场感测模块，所述多个磁场感测模块的输出端分别与分析电路模块的输入端连接，所述分析电路模块的输出端与信号转换模块和成像模块的输入端连接，所述信号转换模块的输出端与成像模块的输入端连接，所述磁性感应颗粒均匀分布在待测空间内。本发明属于成像技术领域，具有设备构造简单易实现，操作分析简单方便的优点。

Description

一种基于磁阻效应的流场成像系统及成像方法
技术领域
本发明属于成像技术领域，具体而言，涉及一种基于磁阻效应的流场成像系统及成像方法。
背景技术
随着科学技术的发展，人们对水力学、空气动力学等流体力学相关学科的依赖程度越来越高。无论从航空航天，船舶潜艇等军工领域，还是食品医药，道路桥梁等民生板块，都要求对物体所处的流动环境有越来越科学的定性认识和越来越精细的定量分析。
通常获得流场的定量信息的方式有两种：实验测量和数值模拟。目前，基于激光技术，核磁共振等原理的图像测速技术发展迅速，特别是在流速的测量上有明显的优势。典型以激光技术为基础的粒子图像测速(particle image velocimetry，PIV)是上世纪80年代逐步发展起来的流动测量技术；PIV硬件系统包括示踪粒子、光源、光路、相机、镜头；PIV 技术对示踪粒子的跟随性和散光性，光源的准直性，光路的稳定性，以及相机都有较高的要求；其实无论是激光技术还是核磁共振，其测量精度较低，成本价格一直居高不下，限制了流场成像技术的进一步发展。因此，从流场成像技术的拓展，设备精度的提高，设备成本的降低等多方面考虑，需要一种新型的流场成像技术，具体来说是一种基于磁阻效应的流场成像技术。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于磁阻效应的流场成像系统及成像方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于磁阻效应的流场成像系统，包括电源、磁场发生模块、多个磁场感测模块，分析电路模块、信号转换模块、成像模块、磁性感应颗粒；所述分析电路模块的输出端分为输出端口I和输出端口II；所述成像模块的输入端分为输入端口I和输入端口II；所述电源与磁场发生模块连接，所述磁场发生模块包围待测空间，所述待测空间内设有多个阵列，所述多个阵列中均设置有所述多个磁场感测模块，所述多个磁场感测模块的输出端分别与所述分析电路模块的输入端连接，所述分析电路模块的输出端口I与成像模块的输入端口I连接，所述分析电路模块的输出端口II与所述信号转换模块的输入端连接，所述信号转换模块的输出端与成像模块的输入端口II连接；所述磁性感应颗粒均匀分布在待测空间内。
进一步的，所述磁场发生模块为亥姆霍兹线圈，所述亥姆霍兹线圈匝数和直径由待测空间的大小决定。
进一步的，所述磁场感测模块包括磁强计和处理器I，所述磁强计与处理器I连接，所述磁强计中的磁致电阻原件测量待测空间的由磁场变化引起的电阻变化，所述处理器I将磁强计测量的电阻变化信号整理成数据信息，并转换成电路信号。
进一步的，所述分析电路模块包括信号放大电路、逻辑运算电路和信号处理电路，所述信号放大电路与逻辑运算电路连接，所述逻辑运算电路与所述信号处理电路连接，并通过模拟开关相连，所述信号放大电路将得到的电阻改变的电路信号放大，放大后的信号通过信号处理电路和逻辑运算电路进行整理和分区并转换成磁场信号。
进一步的，所述信号转换模块包括运算器和处理器II，所述运算器连接处理器II，运算器计算空间瞬态磁场和流场信号，处理器II将瞬态磁场信号整理成计算机可读数字信号。
进一步的，所述成像模块包括处理器III和显示器，所述处理器III和显示器连接，所述处理器III将磁场信号和流场信号整理成计算机可读的数字信号，所述显示器用于显示图像。
进一步的，所述磁场感应颗粒为形貌和大小均相同的氧化铁、氧化钴或氧化镍颗粒。
进一步的，所述待测空间的三维尺寸都小于10cm，所述磁性感应颗粒直径为 50-100nm，所述磁性感应颗粒的饱和磁化率小于20emu/g。
进一步的，所述待测空间的三维尺寸有都大于10cm，所述磁性感应颗粒直径为100-300nm，所述磁性感应颗粒的饱和磁化率小于50emu/g。
一种基于上述系统实现磁阻效应的流场成像方法，其方法步骤如下：
步骤一：打开电源，启动磁场发生模块，当待测空间中无磁性感应颗粒，待测空间中不同的磁场感测模块针对空间中的每个位置在一段时间内重复测量并且取算术平方根，并与标准磁场对比，不符合误差条件时用校准调整电路进行校准；校准后，再将磁性感应颗粒放入待测空间，磁性感应颗粒受磁场作用磁化产生感应磁场，磁场感测模块阵列响应于待测空间内磁场感应颗粒产生的磁场与磁场发生模块产生的磁场的叠加场而感测相应的矢量磁场分量，获得动态的局域磁场数据；
步骤二：分析电路模块中，系统程序从数据库中读取局域磁场数据，从空间点的局域磁场数据中根据设定的等值面值搜索等值面，并把等值面多边形上的顶点和顶点法向进行存储；数据分析处理的基本单位是空间立方体单元，选取相邻二维空间上的各四个点组成空间立方体单元上的八个顶点，先逐个处理所有的空间立方体单元的磁场数据，判断空间立方体单元的八个顶点是否超越等值面，根据插值计算方法计算出超越等值面立方体单元的等值面与立方体边的交点；再根据立方体单元每个顶点与等值面的相对空间位置，将等值面与立方体边的交点依次连接生成等值面；利用中心差分方法，求出立方体单元与等值面的各交点处的法向方向，再通过线性插值方法，计算各顶点处的法向方向；根据各顶点的坐标值及法向量绘制磁场等值面图像；将磁场信号整理成计算机可读的数字信号，在成像模块中显示图像；
步骤三：在信号转换模块中，将步骤一中的局域磁场数据转换为速度信号；空间某点的磁场大小的改变由该处磁性感应颗粒的速度大小确定，磁场方向的变化由该处磁性感应颗粒的速度方向确定，将空间该点前后两个时刻的磁场做插值计算可以得到磁场的关系式，此关系式是通过步骤二中空间磁场图像得到的磁场的变化函数，磁场关系式与磁性颗粒流动方程耦合求解可得该处颗粒的速度大小和方向，即流场数据；再根据欧拉法或者拉格朗日法求出空间某点在不同时刻的速度以及某时刻空间的流场分布；并在成像模块将流场信号整理成计算机可读的数字信号，并显示流场图像。
进一步的，在步骤一中，矢量磁场分量的获取方法包括：同一时刻不同磁场感测模块测得同一空间点的磁场数据能得到该点在该时刻精确的矢量磁场分量；不同时刻同一磁场感测模块测得同一空间点的磁场数据能得到该点在一段时间内连续的矢量磁场分量。
进一步的，步骤二中，所述空间立方体单元的大小取决于精度要求和磁场感测模块阵列的数量。
进一步的，局域磁场数据为由x坐标、y坐标、z坐标、H叠加磁场强度四个属性组成(x，y，z，H)的点数据；流场数据为由x坐标、y坐标、z坐标、V速度矢量四个属性组成(x，y，z，V)的点数据。
本发明相对于现有技术的有益效果是：基于磁阻效应的流场成像系统设备成本低，制造简单；基于磁阻效应的流场成像方法实现容易，且测试的精度提高；本发明为成像技术提供了新途径，使用的尺度范围广。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为流场成像方法流程图；
图3为种基于磁阻效应的磁场成像技术路线图；
图4为一种将磁场信号转化为流场信号的方法示意图；
图中：
1、电源；2、磁场发生模块；3、磁场感测模块；4、分析电路模块；5、信号转换模块；6、成像模块；7、磁性感应颗粒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的介绍。
实施例1
本实施方式记载了一种基于磁阻效应的流场成像系统，包括电源1、磁场发生模块2、多个磁场感测模块3，分析电路模块4、信号转换模块5、成像模块6、磁性感应颗粒7；所述分析电路模块4的输出端分为输出端口I和输出端口II；所述成像模块6的输入端口分为输入端口I和输入端口II；所述电源1与磁场发生模块2连接，所述磁场发生模块2 包围待测空间，所述待测空间内设有多个阵列，所述多个阵列中均设置有所述多个磁场感测模块3，所述多个磁场感测模块3的输出端分别与所述分析电路模块4的输入端连接，所述分析电路模块4的输出端口I与成像模块6的输入端口I连接，所述分析电路模块4 的输出端口II与所述信号转换模块5的输入端连接，所述信号转换模块5的输出端与成像模块6的输入端口II连接；所述磁性感应颗粒7均匀分布在待测空间内。
进一步的，所述磁场发生模块2为亥姆霍兹线圈，组成磁场发生电路，所述亥姆霍兹线圈匝数和直径由待测空间的大小决定，根据亥姆霍兹线圈所接电源产生的磁场在空间均匀的分布可能性，待测空间较小时亥姆霍兹线圈接直流电源，待测空间较大时接交流电源。
进一步的，所述磁场感测模块3包括磁强计和处理器I，所述磁强计与处理器I连接，所述磁强计中的磁致电阻原件测量待测空间的由磁场变化引起的电阻变化，所述处理器I 将磁强计测量的电阻变化信号整理成数据信息，并转换成电路信号。
进一步的，所述分析电路模块4包括信号放大电路、逻辑运算电路和信号处理电路，所述信号放大电路与逻辑运算电路连接，所述逻辑运算电路与所述信号处理电路连接，并通过模拟开关相连，所述信号放大电路将得到的电阻改变的电路信号放大，放大后的信号通过信号处理电路和逻辑运算电路进行整理和分区并转换成磁场信号。
进一步的，所述信号转换模块5包括运算器和处理器II，所述运算器连接处理器II，运算器计算空间瞬态磁场和流场信号，处理器II将瞬态磁场信号整理成计算机可读数字信号。
进一步的，所述成像模块6包括处理器III和显示器，所述处理器III和显示器连接，所述处理器III将磁场信号和流场信号整理成计算机可读的数字信号，所述显示器用于显示图像。
进一步的，所述磁场感应颗粒7为形貌和大小均相同的氧化铁、氧化钴或氧化镍颗粒。
进一步的，所述待测空间的三维尺寸都小于10cm，所述磁性感应颗粒直径为 50-100nm，所述磁性感应颗粒的饱和磁化率小于20emu/g。
进一步的，所述待测空间的三维尺寸都大于10cm，所述磁性感应颗粒直径为 100-300nm，所述磁性感应颗粒的饱和磁化率小于50emu/g。
实施例2
一种基于上述系统实现磁阻效应的流场成像方法，其方法步骤如下：
步骤一：打开电源1，启动磁场发生模块2，当待测空间中无磁性感应颗粒7，待测空间中不同的磁场感测模块3针对空间中的每个位置在一段时间内重复测量并且取算术平方根，并与标准磁场对比，不符合误差条件时用校准调整电路进行校准；校准后，再将磁性感应颗粒7放入待测空间，磁性感应颗粒7受磁场作用磁化产生感应磁场，磁场感测模块3阵列响应于待测空间内磁场感应颗粒7产生的磁场与磁场发生模块2产生的磁场的叠加场而感测相应的矢量磁场分量，获得动态的局域磁场数据；
步骤二：分析电路模块4中，系统程序从数据库中读取局域磁场数据，从空间点的局域磁场数据中根据设定的等值面值搜索等值面，并把等值面多边形上的顶点和顶点法向进行存储；数据分析处理的基本单位是空间立方体单元，选取相邻二维空间上的各四个点组成空间立方体单元上的八个顶点，先逐个处理所有的空间立方体单元的磁场数据，判断空间立方体单元的八个顶点是否超越等值面，根据插值计算方法计算出超越等值面立方体单元的等值面与立方体边的交点；再根据立方体单元每个顶点与等值面的相对空间位置，将等值面与立方体边的交点依次连接生成等值面；利用中心差分方法，求出立方体单元与等值面的各交点处的法向方向，再通过线性插值方法，计算各顶点处的法向方向；根据各顶点的坐标值及法向量绘制磁场等值面图像；将磁场信号整理成计算机可读的数字信号，在成像模块中显示图像；
步骤三：在信号转换模块5中，将步骤一中的局域磁场数据转换为速度信号；空间某点的磁场大小的改变由该处磁性感应颗粒7的速度大小确定，磁场方向的变化由该处磁性感应颗粒7的速度方向确定，将空间该点前后两个时刻的磁场做插值计算可以得到磁场的关系式，此关系式是通过步骤二中空间磁场图像得到的磁场的变化函数，磁场关系式与磁性颗粒流动方程耦合求解可得该处颗粒的速度大小和方向，即流场数据；再根据欧拉法或者拉格朗日法求出空间某点在不同时刻的速度以及某时刻空间的流场分布；并在成像模块将流场信号整理成计算机可读的数字信号，并显示流场图像。
进一步的，在步骤一中，矢量磁场分量的获取方法包括：同一时刻不同磁场感测模块测得同一空间点的磁场数据能得到该点在该时刻精确的矢量磁场分量；不同时刻同一磁场感测模块测得同一空间点的磁场数据能得到该点在一段时间内连续的矢量磁场分量。
进一步的，步骤二中，所述空间立方体单元的大小取决于精度要求和磁场感测模块阵列的数量。
进一步的，在步骤三中，磁场关系式形如u0(1+χm)H＝B；磁性颗粒流动方程形如其中u0为真空磁导率，xm为磁化率，H为磁场，Ｂ为感生磁场，ρ为密度，u为速度，p为压力项，ν为黏度，f为磁场力。
进一步的，局域磁场数据为由x坐标、y坐标、z坐标、H叠加磁场强度四个属性组成(x，y，z，H)的点数据；流场数据为由x坐标、y坐标、z坐标、V速度矢量四个属性组成(x，y，z，V)的点数据；磁场数据阵列A＝(a11 a12 a13 a14，a21 a22 a23 a24，a31 a32 a33 a34，a41 a42 a43a44)，流场数据阵列B＝(b11 b12 b13 b14，b21 b22 b23 b24，b31 b32 b33 b34，b41 b42 b43 b44)；磁场数据转化为流场数据的方法为b11＝c11+c12a11+c13(a11)+……， b12＝c12+c12a12+c13(a12)2+……，b21＝c21+c22a21+c23(a21)2+……等公式组合；其中阵列C为f函数的相关系数。
本发明的工作原理为：磁场发生器的磁场与磁场感应颗粒7的感生磁场产生的叠加场被磁场感测模块3感测，磁场感测模块3的半导体中的载流子在磁场中受到洛伦兹力；在达到稳态时，某一速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转；沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。因此磁场感测模块3的电阻值随外加磁场变化而变化。待测空间领域的磁场感测模块3阵列响应于空间内磁性颗粒产生的磁场与发生磁场的叠加场而感测相应的矢量磁场分量。阵列中不同的磁强计针对空间中的每个位置在一段时间内重复测量并且取算术平方根，获得动态的局域磁场数据。同一时刻不同磁强计测得同一空间点的磁场数据能得到该点在该时刻精确的矢量磁场分量，不同时刻同一磁强计测得同一空间点的磁场数据能得到该点在一段时间内连续的矢量磁场分量。在磁场感测模块3 中将空间中磁场变化的信号变成电阻数值的变化，再由分析电路模块将电阻数值的变化通过计算反演出空间叠加场的信息，从而推出空间磁场分布并且显示。
空间中磁性感应颗粒7的运动是导致空间磁场发生变化的主要原因。由同一时刻不同磁强计测得同一空间点的磁场数据得到该点在该时刻精确的矢量磁场分量，通过分析电路生成对应于磁场数据值的速度数据值，建立不同磁强计所测的磁场与速度的关系式，利用计算机可执行指令对空间阵列中的每个位置做计算求解空间上的速度分布。由不同时刻同一磁强计测得同一空间点的磁场数据能得到该点在一段时间内连续的矢量磁场分量建立同一磁强计所测的磁场与速度的关系式，利用计算机可执行指令对该空间点做计算求该空间点随时间变化的动态速度分布。
本发明相对于现有技术的有益效果是：基于磁阻效应的流场成像系统设备成本低，制造简单；基于磁阻效应的流场成像方法实现容易，且测试的精度提高；本发明为成像技术提供了新途径，使用的尺度范围广。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁阻效应的流场成像系统，其特征在于：包括电源(1)、磁场发生模块(2)、多个磁场感测模块(3)，分析电路模块(4)、信号转换模块(5)、成像模块(6)、磁性感应颗粒(7)；所述分析电路模块(4)的输出端分为输出端口I和输出端口II；所述成像模块(6)的输入端口分为输入端口I和输入端口II；所述电源(1)与磁场发生模块(2)连接，所述磁场发生模块(2)包围待测空间，所述待测空间内设有多个阵列，所述多个阵列中均设置有所述多个磁场感测模块(3)，所述多个磁场感测模块(3)的输出端分别与所述分析电路模块(4)的输入端连接，所述分析电路模块(4)的输出端口I与成像模块(6)的输入端口I连接，所述分析电路模块(4)的输出端口II与所述信号转换模块(5)的输入端连接，所述信号转换模块(5)的输出端与成像模块(6)的输入端口II连接；所述磁性感应颗粒(7)均匀分布在待测空间内。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁阻效应的流场成像系统，其特征在于：所述磁场发生模块(2)为亥姆霍兹线圈。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁阻效应的流场成像系统，其特征在于：所述磁场感测模块(3)包括磁强计和处理器I，所述磁强计与处理器I连接，所述磁强计中的磁致电阻原件测量待测空间的由磁场变化引起的电阻变化，所述处理器I将磁强计测量的电阻变化信号整理成数据信息，并转换成电路信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁阻效应的流场成像系统，其特征在于：所述分析电路模块(4)包括信号放大电路、逻辑运算电路和信号处理电路，所述信号放大电路与逻辑运算电路连接，所述逻辑运算电路与所述信号处理电路连接，并通过模拟开关相连，所述信号放大电路将得到的电阻改变的电路信号放大，放大后的信号通过信号处理电路和逻辑运算电路进行整理和分区，并转换成磁场信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁阻效应的流场成像系统，其特征在于：所述信号转换模块(5)包括运算器和处理器II，所述运算器连接处理器II，运算器计算空间瞬态磁场和流场信号，处理器II将瞬态磁场信号整理成计算机可读数字信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁阻效应的流场成像系统，其特征在于：所述成像模块(6)包括处理器III和显示器，所述处理器III和显示器连接，所述处理器III将磁场信号和流场信号整理成计算机可读的数字信号，所述显示器用于显示图像。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁阻效应的流场成像系统，其特征在于：所述磁场感应颗粒(7)为形貌和大小均相同的氧化铁、氧化钴或氧化镍颗粒。
8.根据权利要求1所述的一种基于磁阻效应的流程成像系统，其特征在于：所述待测空间的三维尺寸都小于10cm，所述磁性感应颗粒(7)直径为50-100nm，所述磁性感应颗粒(7)的饱和磁化率小于20emu/g。
9.根据权利要求1所述的一种基于磁阻效应的流程成像系统，其特征在于：所述待测空间的三维尺寸有都大于10cm，所述磁性感应颗粒(7)直径为100-300nm，所述磁性感应颗粒(7)的饱和磁化率小于50emu/g。
10.一种基于权利要求1所述的系统实现磁阻效应的流场成像方法，其方法步骤如下：
步骤一：打开电源(1)，启动磁场发生模块(2)，当待测空间中无磁性感应颗粒(7)，待测空间中不同的磁场感测模块(3)针对空间中的每个位置在一段时间内重复测量并且取算术平方根，并与标准磁场对比，不符合误差条件时用校准调整电路进行校准；校准后，再将磁性感应颗粒(7)放入待测空间，磁性感应颗粒(7)受磁场作用磁化产生感应磁场，磁场感测模块(3)阵列响应于待测空间内磁场感应颗粒(7)产生的磁场与磁场发生模块(2)产生的磁场的叠加场而感测相应的矢量磁场分量，获得动态的局域磁场数据；
步骤二：分析电路模块(4)中，系统程序从数据库中读取局域磁场数据，从空间点的局域磁场数据中根据设定的等值面值搜索等值面，并把等值面多边形上的顶点和顶点法向进行存储；数据分析处理的基本单位是空间立方体单元，选取相邻二维空间上的各四个点组成空间立方体单元上的八个顶点，先逐个处理所有的空间立方体单元的磁场数据，判断空间立方体单元的八个顶点是否超越等值面，根据插值计算方法计算出超越等值面立方体单元的等值面与立方体边的交点；再根据立方体单元每个顶点与等值面的相对空间位置，将等值面与立方体边的交点依次连接生成等值面；利用中心差分方法，求出立方体单元与等值面的各交点处的法向方向，再通过线性插值方法，计算各顶点处的法向方向；根据各顶点的坐标值及法向量绘制磁场等值面图像；将磁场信号整理成计算机可读的数字信号，在成像系统中显示图像；
步骤三：在信号转换模块(5)中，将步骤一中的局域磁场数据转换为速度信号；空间某点的磁场大小的改变由该处磁性感应颗粒(7)的速度大小确定，磁场方向的变化由该处磁性感应颗粒(7)的速度方向确定，将空间该点前后两个时刻的磁场做插值计算可以得到磁场的关系式，此关系式是通过步骤二中空间磁场图像得到的磁场的变化函数，磁场关系式与磁性颗粒流动方程耦合求解可得该处颗粒的速度大小和方向，即流场信号；再根据欧拉法或者拉格朗日法求出空间某点在不同时刻的速度以及某时刻空间的流场分布；并在成像模块将流场信号整理成计算机可读的数字信号，并显示流场图像。
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