CN113280940A - 一种磁纳米温度测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁纳米温度测量方法及系统，属于磁光测试技术领域，包括：S1、测量磁纳米涂层的磁光克尔角；其中，磁纳米涂层置于待测区域上；磁纳米涂层的居里温度大于待测区域的温度；S2、基于磁纳米涂层的磁光克尔角与磁化强度的线性关系，得到磁纳米涂层的磁化强度；S3、基于居里外斯定律，根据磁纳米涂层的磁化强度，计算得到磁纳米涂层的温度，即待测区域的温度。本发明为非接触式、非侵入式测量，且其中测量磁纳米涂层的磁光克尔角所用的光不限于红外光，也可以是可见光，可以根据不同的测量场景进行选取，能够在不同特殊环境下对待测区域进行非侵入式的温度测量。

Description

一种磁纳米温度测量方法及系统
技术领域
本发明属于磁光测试技术领域，更具体地，涉及一种磁纳米温度测量方法及系统。
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。
目前在通常环境下的温度(场)测量技术具有高精度、高实时性等特点，而且已经非常成熟，如基于传统的热电阻、热电偶等温度传感器的侵入式温度测量方法，通过将温度传感器放置在待测区域内直接感知待测区域的温度；但在某些特殊环境下，如当温度高于上述温度传感器的熔点时，无法直接接触测量，此时基于传统的热电阻、热电偶等温度传感器的温度测量方法并不适用；且这种侵入式测温方法破坏性较大，探针容易改变或干扰被测物。为了解决上述问题，现有的基于红外测温、示温漆等光学温度测量方法通过将收集到的待测区域的红外辐射聚集到红外感应源上来测量待测区域的温度，可以在非接触条件下测量待测区域的温度，但是当待测区域位于玻璃等外部介质内时，红外线无法透过，无法测量待测区域的温度。而示温漆只能通过寿命法测量整个过程中的最高温度，使用过一次后便无法再使用，无法满足长时间观测的需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种磁纳米温度测量方法及系统，用以解决现有技术无法在特殊环境下对待测区域实现非侵入式温度测量的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种磁纳米温度测量方法，包括以下步骤：
S1、测量磁纳米涂层的磁光克尔角；其中，磁纳米涂层置于待测区域上；磁纳米涂层的居里温度大于待测区域的温度；
S2、基于磁纳米涂层的磁光克尔角与磁化强度的线性关系，得到磁纳米涂层的磁化强度；
S3、基于居里外斯定律，根据磁纳米涂层的磁化强度，计算得到磁纳米涂层的温度，即待测区域的温度。
进一步优选地，磁纳米涂层的磁光克尔角与磁化强度的线性关系表示如下：
θK＝AK1+AK2MS
其中，θK为磁纳米涂层的磁光克尔角；AK1、AK2为描述磁纳米涂层磁光克尔效应的光学矩阵参数；MS为磁纳米涂层的磁化强度。
进一步优选地，待测区域的温度T为：
Figure BDA0003084231310000021
MS(x)＝NgμBJBJ(x)
Figure BDA0003084231310000022
其中，g为朗德因子，μB为玻尔磁子，J为磁纳米涂层中微观磁矩的总角动量量子数，B为磁纳米涂层的感应磁场强度和外加磁场强度的总和，KB为玻尔兹曼常数，x为磁纳米涂层的感应磁场和外加磁场的叠加磁场的磁矩的塞曼能与无规则热能之比，N为磁纳米涂层中单位体积内的原子数目，BJ(x)为布里渊函数。
进一步优选地，采用消光式磁光克尔角测量法测量磁纳米涂层的磁光克尔角。
进一步优选地，步骤S1包括：
将磁纳米涂层置于待测区域上，调整光发生器、起偏器、磁纳米涂层、检偏器以及光电传感器的位置，形成完成的反射回路；
调整起偏器和检偏器的角度，使光电传感器所测得的偏振光光强为零；
将检偏器旋转角度δ，采用光电传感器测得此时的偏振光光强为I0；
向待测区域施加直流磁场，采用光电传感器测得此时的偏振光光强为I；
基于检偏器的旋转角度δ、偏振光光强I0、偏振光光强I计算得到偏振光的磁光克尔角，即磁纳米涂层的磁光克尔角。
进一步优选地，磁纳米涂层的磁光克尔角为：
Figure BDA0003084231310000031
第二方面，本发明提供了一种磁纳米温度测量系统，包括：
磁光克尔角测量模块，用于测量磁纳米涂层的磁光克尔角；其中，磁纳米涂层置于待测区域上；磁纳米涂层的居里温度小于待测区域的温度；
磁化强度计算模块，用于基于磁纳米涂层的磁光克尔角与磁化强度的线性关系，得到磁纳米涂层的磁化强度；
温度计算模块，用于基于居里外斯定律，根据磁纳米涂层的磁化强度，计算得到磁纳米涂层的温度，即待测区域的温度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种磁纳米温度测量方法，通过将磁纳米涂层置于待测区域后，测量磁纳米涂层的磁光克尔角，并建立磁纳米涂层的磁光克尔角与温度之间的关系模型，得到待测区域的温度；为非接触式、非侵入式测量，且其中测量磁纳米涂层的磁光克尔角所用的光不限于红外光，也可以是可见光，可以根据不同的测量场景进行选取，能够在不同特殊环境下对待测区域进行非侵入式的温度测量。
2、本发明所提供的磁纳米温度测量方法，相对于侵入式测温方法可以在测量对象几乎被物理隔离的情况下，同时提供实时的温度测量，且本发明测量简单，测量速度较快。
3、本发明所提供的磁纳米温度测量方法，具有光学测温的优点，实时性好、响应速度快、能够实现非接触测量等；且相对于红外测温等光学温度测量，本发明受辐射等环境影响较小，可以测量复杂环境下待测区域的温度。
4、本发明所提供的磁纳米温度测量方法，相对于一般的测温方法，具有测温范围广的优点，根据所要测量的不同温度区间，选择不同的磁纳米涂层材料，理论上来说，本发明的测温上限为磁纳米涂层材料的居里温度。
附图说明
图1为本发明实施例1所提供的磁纳米温度测量方法的流程图；
图2为本发明实施例1所提供的外加磁场强度下镀镍磁纳米涂层磁化强度-温度变化曲线；
图3为本发明实施例1所提供的外加磁场强度下镀镍磁纳米涂层磁光克尔角-温度变化曲线。
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。
实施例1、
一种磁纳米温度测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、测量磁纳米涂层的磁光克尔角；其中，磁纳米涂层置于待测区域上；进一步地，根据具体的测量场景选用对应的磁纳米涂层，所选用的磁纳米涂层的居里温度大于待测区域的温度；磁纳米涂层可以为Mn-Bi多晶材料、稀土-过渡金属非晶材料、铁氧体材料和Pt/Co成分调制材料等；其中，测量磁纳米涂层的磁光克尔角所用的光不拘泥于红外光，还可以是可见光，根据不同场景选用不同的光，能够在不同的特殊环境下对待测区域实现非侵入式温度测量。
具体地，可以采用消光式磁光克尔角测量法、光度式磁光克尔角测量法等方法测量磁纳米涂层的磁光克尔角。由于消光式校准时光电探测器检测到的光强为零，消除了很多不必要的例如室光或者是机械振动的干扰，消光式磁光克尔角测量法的精度会比光度式磁光克尔角测量法要高；本发明优选采用消光式磁光克尔角测量法测量磁纳米涂层的磁光克尔角。具体地，本实施例中测量磁纳米涂层的磁光克尔角的方法如下：
将磁纳米涂层置于待测区域上，调整光发生器、起偏器、磁纳米涂层、检偏器以及光电传感器的位置，形成完成的反射回路；
调整起偏器和检偏器的角度，使光电传感器所测得的偏振光光强为零；
将检偏器旋转角度δ，采用光电传感器测得此时的偏振光光强为I0；
向待测区域施加直流磁场，采用光电传感器测得此时的偏振光光强为I；
基于检偏器的旋转角度δ、偏振光光强I0、偏振光光强I计算得到偏振光的磁光克尔角，即磁纳米涂层的磁光克尔角。具体地，磁纳米涂层的磁光克尔角为：
Figure BDA0003084231310000051
S2、基于磁纳米涂层的磁光克尔角与磁化强度的线性关系，得到磁纳米涂层的磁化强度；
具体地，由于在待测区域的温度小于磁纳米涂层的居里温度时，磁纳米涂层的磁光克尔角与磁化强度呈的线性关系，故本发明基于该线性关系计算得到磁纳米涂层的磁化强度。具体地，磁纳米涂层的磁光克尔角与磁化强度的线性关系表示如下：
θK＝AK1+AK2MS
其中，θK为磁纳米涂层的磁光克尔角；AK1、AK2为描述磁纳米涂层磁光克尔效应的光学矩阵参数，具体表示磁纳米涂层的性质，为常数；MS为磁纳米涂层的磁化强度。
S3、基于居里外斯定律，根据磁纳米涂层的磁化强度，计算得到磁纳米涂层的温度，即待测区域的温度。
具体地，本发明所采用的磁纳米涂层为铁磁性、亚铁磁性和超顺磁物质；铁磁性、亚铁磁性和超顺磁物质符合居里外斯定律，在此情况下可以根据不同的类型磁纳米涂层在不同的温度下建立不同的物理模型，经典的物理模型有BlochT^(3/2)law、布里渊方程、朗之万方程等；优选地，采用布里渊方程，根据磁纳米涂层的磁化强度计算得到磁纳米涂层的温度，即待测区域的温度。具体地，可以将磁纳米涂层的磁化强度带入布里渊方程中进行计算得到磁纳米涂层的感应磁场和外加磁场的叠加磁场的磁矩的塞曼能与无规则热能之比x，然后基于x与绝对温度T的反比例关系，计算得到绝对温度T，即磁纳米涂层的温度。
需要说明的是，是否存在外加磁场和磁光克尔角的测量方法有关，常规的磁光克尔角的测量方法往往需要有外加磁场，通过改变外加磁场的大小来检测磁光克尔角。除此之外，对于具体铁磁性的磁纳米涂层来说，还可以根据在温度的变化来测量磁光克尔角；具体地，在上述测量磁光克尔角装置的基础上，采用光电传感器测得常温下的偏振光光强；然后采用光电传感器测得待测温度下的偏振光光强，基于光强差求得磁纳米涂层的磁光克尔角；此时，不存在外加磁场，可以认为外加磁场的场强为0。
以布里渊函数为例进行说明如下：
非晶态合金的磁化强度与布里渊函数有关，其饱和磁化强度可表示为：
MS(x)＝NgμBJBJ(x)
其中，N为磁纳米涂层中单位体积内的原子数目，g为朗德因子，μB为玻尔磁子，J为磁纳米涂层中微观磁矩的总角动量量子数，BJ(x)为布里渊函数，x为外场中磁矩的塞曼能与无规则热能之比。
其中，布里渊函数BJ(x)为描述磁化强度与外加磁场、磁纳米涂层中微观磁矩的总角动量量子数J以及磁纳米涂层的感应磁场和外加磁场的叠加磁场的磁矩的塞曼能与无规则热能之比x的关系函数，具体为：
Figure BDA0003084231310000071
基于上述两个公式可以计算得到磁纳米涂层的感应磁场和外加磁场的叠加磁场的磁矩的塞曼能与无规则热能之比x。
进一步地，由于磁纳米涂层的感应磁场和外加磁场的叠加磁场的磁矩的塞曼能与无规则热能之比x与磁纳米涂层的温度T成反比，基于此关系，可以得到磁纳米涂层的温度T为：
Figure BDA0003084231310000072
其中，B为磁纳米涂层的感应磁场强度和外加磁场强度的总和；KB为玻尔兹曼常数。
进一步地，为了验证本发明所提供的磁纳米温度测量方法的可行性，本发明中使用超顺磁性10nm硅片镀镍薄膜作为磁纳米涂层。
具体地，使用通电螺线管对待测区域内的磁纳米涂层施加一定大小的直流磁场(磁场强度范围为500Gs到2TGs)，同时对磁纳米涂层在温度场内做升温实验。测量磁光克尔角时所用的入射激光波长为532nm，入射激光功率为2.06μW。利用数据采集卡以及labview在计算机上同时采集并处理得到磁光克尔角θK进而得到薄膜磁化强度MS，从中得出磁化强度MS随磁纳米涂层的温度T的变化关系如图2所示，薄膜磁光克尔角θK随磁纳米涂层的温度T的关系如图3所示；其中，曲线表示本发明所得的关系拟合结果，“*”表示具体实验测量结果。从图中可以看出，本发明所得的磁化强度MS与磁纳米涂层的温度T之间的关系以及薄膜磁光克尔角θK与磁纳米涂层的温度T的关系均与具体的实验测量结果相一致，且使用本发明所提供的测量方法测量得到的温度精度可达10K，且本发明测量简单，测量速度较快。
实施例2、
一种磁纳米温度测量系统，包括：
磁光克尔角测量模块，用于测量磁纳米涂层的磁光克尔角；其中，磁纳米涂层置于待测区域上；磁纳米涂层的居里温度小于待测区域的温度；
磁化强度计算模块，用于基于磁纳米涂层的磁光克尔角与磁化强度的线性关系，得到磁纳米涂层的磁化强度；
温度计算模块，用于基于居里外斯定律，根据磁纳米涂层的磁化强度，计算得到磁纳米涂层的温度，即待测区域的温度。
相关技术特征同实施例1，这里不做赘述。
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 (7)

1.一种磁纳米温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、测量磁纳米涂层的磁光克尔角；其中，所述磁纳米涂层置于待测区域上；所述磁纳米涂层的居里温度大于所述待测区域的温度；
S2、基于所述磁纳米涂层的磁光克尔角与磁化强度的线性关系，得到磁纳米涂层的磁化强度；
S3、基于居里外斯定律，根据所述磁纳米涂层的磁化强度，计算得到磁纳米涂层的温度，即所述待测区域的温度。
2.根据权利要求1所述的磁纳米温度测量方法，其特征在于，所述磁纳米涂层的磁光克尔角与磁化强度的线性关系表示如下：
θK＝AK1+AK2MS
其中，θK为磁纳米涂层的磁光克尔角；AK1、AK2为描述磁纳米涂层磁光克尔效应的光学矩阵参数；MS为磁纳米涂层的磁化强度。
3.根据权利要求2所述的磁纳米温度测量方法，其特征在于，所述待测区域的温度T为：
Figure FDA0003084231300000011
MS(x)＝NgμBJBJ(x)
Figure FDA0003084231300000012
其中，g为朗德因子，μB为玻尔磁子，J为磁纳米涂层中微观磁矩的总角动量量子数，B为磁纳米涂层的感应磁场强度和外加磁场强度的总和，KB为玻尔兹曼常数，x为磁纳米涂层的感应磁场和外加磁场的叠加磁场的磁矩的塞曼能与无规则热能之比，N为磁纳米涂层中单位体积内的原子数目，BJ(x)为布里渊函数。
4.根据权利要求1所述的磁纳米温度测量方法，其特征在于，采用消光式磁光克尔角测量法测量所述磁纳米涂层的磁光克尔角。
5.根据权利要求4所述的磁纳米温度测量方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
将所述磁纳米涂层置于所述待测区域上，调整光发生器、起偏器、磁纳米涂层、检偏器以及光电传感器的位置，形成完成的反射回路；
调整所述起偏器和所述检偏器的角度，使所述光电传感器所测得的偏振光光强为零；
将所述检偏器旋转角度δ，采用所述光电传感器测得此时的偏振光光强为I0；
向所述待测区域施加直流磁场，采用所述光电传感器测得此时的偏振光光强为I；
基于所述检偏器的旋转角度δ、偏振光光强I0、偏振光光强I计算得到偏振光的磁光克尔角，即所述磁纳米涂层的磁光克尔角。
6.根据权利要求5所述的磁纳米温度测量方法，其特征在于，所述磁纳米涂层的磁光克尔角为：
Figure FDA0003084231300000021
7.一种磁纳米温度测量系统，其特征在于，包括：
磁光克尔角测量模块，用于测量磁纳米涂层的磁光克尔角；其中，所述磁纳米涂层置于待测区域上；所述磁纳米涂层的居里温度小于所述待测区域的温度；
磁化强度计算模块，用于基于所述磁纳米涂层的磁光克尔角与磁化强度的线性关系，得到磁纳米涂层的磁化强度；
温度计算模块，用于基于居里外斯定律，根据所述磁纳米涂层的磁化强度，计算得到磁纳米涂层的温度，即所述待测区域的温度。
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