CN109506805B - 一种基于磁纳米粒子的双差分温度测量方法 - Google Patents

一种基于磁纳米粒子的双差分温度测量方法 Download PDF

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    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
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Abstract

本发明的双差分温度测量方法，通过采用均由两个单线圈反向连接组成的两组差分探测线圈分别感应所述待测磁纳米粒子和参考磁纳米粒子的磁化强度，实现一次差分，减少了背景噪声和激励磁场剩磁的影响；同时，本发明的双差分温度测量方法，通过将两组差分探测线圈反向连接，组成双差分探测线圈，实现二次差分，获得只是由温度变化引起的磁化强度的微小变化，且这种微小信号更容易放大较高的倍数，减少了环境变化，特别是突然出现的环境磁场扰动对磁化强度变化带来的影响，从而实现了温度的精确测量。

Description

一种基于磁纳米粒子的双差分温度测量方法
技术领域
本发明属于纳米测量技术领域，更具体地，涉及一种基于磁纳米粒子双差分温度测量方法。
背景技术
磁纳米粒子是一种具有超顺磁性的磁性纳米物质，作为一种温度敏感元件，具有非侵入式、实时的特点，在生物工程领域和生物医学领域，以及磁透明物质的非接触式内部温度测量领域有较大应用前景，例如癌症热疗、生物体内温度测量、大功率芯片、燃料电池等内部温度的测量。
当前采用的磁纳米粒子样品进行温度测量的方法主要是通过对磁纳米粒子施加正弦交流磁场激励，利用响应信号的谐波幅值的关系求解得到温度。从国内外研究现状来看，磁纳米粒子温度的测量仍然存在很多亟待解决的问题。
现有的采用一对差分线圈进行磁纳米粒子温度测量的方式，减少了剩磁的影响，但是由于受到环境干扰影响，测量得到的磁化强度信号经放大后容易饱和，无法测量出由温度变化引起的微小磁化强度变化，限制了温度测量的灵敏度和精度。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于磁纳米粒子的双差分温度测量方法，旨在减少磁场环境变化，特别是突然的磁场环境扰动对于磁纳米粒子温度测量的影响，从而实现高精度的磁纳米粒子温度测量。
为实现上述目的，本发明提供的一种基于磁纳米粒子的双差分温度测量方法，包括：
(1)取两份型号相同、重量一致的待测磁纳米粒子和参考磁纳米粒子，同时选取处于同一环境和同一初始温度T0下的待测点和参考点，并将所述待测磁纳米粒子放于所述待测点处，将所述参考磁纳米粒子放于所述参考点处；
(2)对所述待测点和参考点所在区域施加交流激励磁场H(t)；
(3)加热所述待测磁纳米粒子，使所述待测磁纳米粒子和参考磁纳米粒子之间产生温度差ΔT；
(4)采用两对相同的差分探测线圈分别感应所述待测磁纳米粒子和参考磁纳米粒子在所述激励磁场下的磁化强度信号，并将两对差分线圈反向连接从而获得所述磁化强度信号的差分信号ΔM；
(5)提取所述ΔM的一次谐波幅值信息ΔA；
(6)将所述ΔA代入预先拟合的一次谐波幅值变化量-温度变化量曲线中，求出ΔT，由于初始温度T0已知，从而得到所述待测磁纳米粒子经过加热后的温度。
优选地，所述步骤(2)中使用线圈对所述区域施加交流激励磁场。
优选地，所述步骤(3)中使用激光方式小范围对所述待测磁纳米粒子进行加热。
进一步地，所述步骤(4)中所述差分探测线圈由两个单线圈反向连接组成。
进一步地，在步骤(6)中，通过将所述ΔM经过前置放大器初步处理后输入数据采集卡，由计算机LabVIEW程序通过数字相敏检波算法处理后获得所述一次谐波幅值信息ΔA。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的双差分温度测量方法，通过采用均由两个单线圈反向连接组成的两组差分探测线圈分别感应所述待测磁纳米粒子和参考磁纳米粒子的磁化强度，实现一次差分，减少了背景噪声和激励磁场剩磁的影响；
(2)本发明的双差分温度测量方法，通过将两组差分探测线圈反向连接，组成双差分探测线圈，实现二次差分，获得只是由温度变化引起的磁化强度的微小变化，且这种微小信号更容易放大较高的倍数，减少了环境变化，特别是突然出现的环境磁场扰动对磁化强度变化带来的影响，从而实现了温度的精确测量。
附图说明
图1是本发明的一种基于磁纳米粒子的双差分温度测量方法的流程图；
图2是本发明的一种基于磁纳米粒子的双差分温度测量方法的具体实现结构示意图；
图3是在不同温度下，一次谐波幅值变化量-温度变化量曲线图。
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。
首先对于本发明温度测量原理进行介绍，当铁磁性材料的粒径小到纳米尺度时，对外表现出超顺磁性，磁纳米粒子的磁化强度与温度之间可以用郎之万函数表示为：
式中，N为单位体积内磁纳米粒子的个数，ms为磁纳米粒子的饱和磁矩，k为玻尔兹曼常数，H为激励磁场，T为温度。
对于单一频率正弦交流激励磁场：
H(t)＝H0sin(ωt) (2)
其中，H0为激励磁场幅值，ω为激励磁场频率。
将式(2)带入式(1)得：
当激励磁场幅值H0比较小时，对式(3)进行泰勒展开，得到：
提取磁化强度的一次谐波幅值信息为：
将磁纳米粒子在初始温度T0下，对正弦交流激励磁场H(t)的磁化强度响应信号的一次谐波幅值信息表示为A11，
将磁纳米粒子温度变化ΔT时，对正弦交流激励磁场H(t)的磁化强度的响应信号的一次谐波幅值信息表示为A12，
则磁纳米粒子温度变化ΔT时，一次谐波幅值变化量ΔA为，
由式(8)可知，当初始温度T0一定时，一次谐波幅值变化量ΔA只和温度变化量ΔT有关，即ΔA＝f(ΔT)。
由于此函数不是初等函数，无法通过求解反函数方式来获得温度变化量和一次谐波幅值之间的解析式，但是其具有单调函数关系，因此可以使用最优化的方式来拟合在特定初始温度条件下温度变化量与一次谐波幅值之间的关系曲线。
基于上述原理，本发明的具体实施方式如下：
(1)取两份型号相同、重量一致的待测磁纳米粒子和参考磁纳米粒子，同时选取处于同一环境和同一初始温度T0下的待测点和参考点，并将所述待测磁纳米粒子放于所述待测点处，将所述参考磁纳米粒子放于所述参考点处；
具体地，使用粘结剂对其修饰，使之能够粘附于待测对象表面；
(2)对所述待测点和参考点所在区域施加交流激励磁场H(t)；
具体地，使用线圈对所述区域施加合适的交流磁场，由于过高的磁场频率会有弛豫现象，为避开工频干扰的影响并且利于测量，一般采用375Hz频率的激励磁场，另外理论模型要求在弱磁环境下进行测量，但磁场过小会导致测量信号太微弱不便于测量，一般采用200Gs左右大小的激励磁场。
由于待测磁纳米粒子和参考磁纳米粒子处于同一环境和初始温度T0下，且受到相同的激励磁场，根据式(3)可知，此时待测磁纳米粒子和参考磁纳米粒子的磁化强度相同。
(3)加热所述待测磁纳米粒子，使所述待测磁纳米粒子和参考磁纳米粒子之间产生温度差ΔT；
具体地，使用激光方式小范围对待测磁纳米粒子进行加热，使之温度上升，在此期间，参考磁纳米粒子的温度不变，两份磁纳米粒子之间产生温度差ΔT。
(4)采用两对相同的差分探测线圈分别感应所述待测磁纳米粒子和参考磁纳米粒子在所述激励磁场下的磁化强度信号，并将两对差分线圈反向连接从而获得所述磁化强度信号的差分信号ΔM；
具体地，如图2所示，线圈1和线圈2反向连接组成第一组差分探测线圈，线圈3和线圈4反向连接组成第二组差分探测线圈，将两组差分探测线圈反向连接组成双差分线圈，双差分线圈经过放大器后连接到计算机。
(5)提取所述ΔM的一次谐波幅值信息ΔA；
具体地，图2中，前置放大器对获得的差分磁化强度信号ΔM进行初步处理后输入数据采集卡，由计算机LabVIEW程序通过数字相敏检波算法处理后获得其一次谐波幅值信息ΔA。
由于施加的激励磁场频率较低，相位变化很小，可以忽略相位因素的影响，两组差分探测线圈测量得到的信号可以看做是同相变化，因此两组差分探测线圈反向连接后得到的差分磁化强度信号为两个磁化强度信号幅值直接相减得到的信号，其一次谐波幅值信息ΔA符合式(8)的表达式。
(6)将所述ΔA代入预先拟合的一次谐波幅值变化量-温度变化量曲线中，求出ΔT，由于初始温度T0已知，从而得到所述待测磁纳米粒子经过加热后的温度；
具体地，在初始温度为293K，313K，333K时，拟合出一次谐波幅值变化量-温度变化量曲线，拟合结果如图3所示，将求得的ΔA带入拟合的曲线中，即可计算得到ΔT，由于初始温度T0已知，从而得到待测磁纳米粒子经过加热后的温度。
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 (5)

1.一种基于磁纳米粒子的双差分温度测量方法，其特征在于，包括：
(1)取两份型号相同、重量一致的待测磁纳米粒子和参考磁纳米粒子，同时选取处于同一环境和同一初始温度T0下的待测点和参考点，并将所述待测磁纳米粒子放于所述待测点处，将所述参考磁纳米粒子放于所述参考点处；
(2)对所述待测点和参考点所在区域施加交流激励磁场H(t)；
(3)加热所述待测磁纳米粒子，使所述待测磁纳米粒子和参考磁纳米粒子之间产生温度差ΔT；
(4)采用两对相同的差分探测线圈分别感应所述待测磁纳米粒子和参考磁纳米粒子在所述激励磁场下的磁化强度信号，并将两对差分线圈反向连接从而获得所述磁化强度信号的差分信号ΔM；
(5)提取所述ΔM的一次谐波幅值信息ΔA；
(6)将所述ΔA代入预先拟合的一次谐波幅值变化量-温度变化量曲线中，求出ΔT，由于初始温度T0已知，从而得到所述待测磁纳米粒子经过加热后的温度。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁纳米粒子的双差分温度测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中使用线圈对所述区域施加交流激励磁场。
3.根据权利要求1或2任一项所述的一种基于磁纳米粒子的双差分温度测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中使用激光方式小范围对所述待测磁纳米粒子进行加热。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁纳米粒子的双差分温度测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中所述差分探测线圈由两个单线圈反向连接组成。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁纳米粒子的双差分温度测量方法，其特征在于，在步骤(6)中，通过将所述ΔM经过前置放大器初步处理后输入数据采集卡，由计算机LabVIEW程序通过数字相敏检波算法处理后获得所述一次谐波幅值信息ΔA。
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