磁纳米温度测量关键技术及其应用研究

发布时间：2017-03-30 09:06

  本文关键词：磁纳米温度测量关键技术及其应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：磁纳米温度测量方法是利用磁纳米粒子的温度敏感特性和磁化曲线非线性特性实现温度测量,即在交变磁场激励下,通过获取磁纳米粒子磁化响应的谐波幅值信息进行温度测量。由于其利用磁纳米粒子的特殊磁学特性进行温度测量,因此可以实现非侵入式温度测量,为极端特殊条件下的温度测量提供一种全新的测量手段。2014年磁纳米温度计成功实现了大功率LED结温层和荧光层的温度测量,有望为结温层是否是LED最高温度层这一长久以来的争议提供直观的实验依据,其温度测量精度为0.1K,时间分辨率为1s。 本文首先针对用于描述磁纳米特性的郎之万函数不具有解析解问题,提出利用郎之万函数的离散表达式构建磁纳米温度测量模型实现温度的测量。为了提高温度测量精度,本文对测温模型中的参数进行了优化研究,提出最优的激励磁场强度为100-200高斯,激励频率小于1kHz,磁纳米粒子的平均粒径为10-12nm,标准差小于O.15nm。针对磁纳米胶体溶液中特有的热动力行为现象—多聚体与单体之间相互转换,通过研究之后发现激励磁场频率是磁流体多聚体与单体之间相互转换的重要影响因素之一,本文根据磁流体聚集分离现象提出修正模型,为磁纳米胶体溶液在温度测量方面的应用奠定了理论基础。 其次,为了提高磁纳米温度测量精度,本文在系统误差和抗噪性能方面进行研究。在系统误差方面,研究思路是以信号传递链路作为研究对象,分析信号流经系统每个部分时所引入的误差源,找出影响显著的误差源,然后通过分析这些影响显著的误差源在传递过程中的变化规律寻找到最小误差传递链路,为系统硬件设计提供理论基础。在抗噪性能方面,分别在谐波噪声、工频噪声、高斯噪声、采样率和采样周期等方面进行了深入分析,并提出当信噪比高于80dB时温度测量精度小于0.1K,为系统设计提供重要参数指标。 此外,本文对影响磁纳米温度计系统稳定性重要因素进行研究。针对亥姆霍兹线圈由于发热问题引起的特征参数非线性时漂,提出利用循环硅油冷却系统来保证亥姆霍兹线圈工作温度恒定。针对功率放大器的非线性漂移问题,本文提出采用数字式反馈预处理技术实现了功率放大器非线性补偿,进而解决了磁纳米温度计系统长期稳定性问题。接下来本文对高精度的温度测量系统进行设计。其中激励磁场发生装置的指标参数为THD小于0.01%,磁场波动性小于0.01%。该指标远远高于国家关于交流测试的计量标准。在谐波检测装置部分创新性的提出三级消减剩磁方案,达到80dB以上的剩磁消减效果。 最后本文介绍了磁纳米温度计的成功应用案例—大功率LED结温测量。利用磁纳米温度计不但实现了大功率LED结温测量,而且还发现LED结温层温度小于荧光层温度。为大功率LED结温层是否是最高温度层这一长久以来的持续争论提供最直接的实验依据。
【关键词】：非侵入式 纳米温度计 磁纳米粒子 朗之万函数 LED-结温
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP274
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-27
• 1.1 引言12
• 1.2 极端特殊条件下温度测量12-18
• 1.3 温度测量方法的现状18-20
• 1.4 纳米温度测量技术研究进展20-24
• 1.5 论文课题的来源24
• 1.6 论文主要内容和结构安排24-27
• 2 磁纳米温度测量方法27-62
• 2.1 引言27-28
• 2.2 磁纳米超顺磁性与郎之万顺磁理论28-33
• 2.3 磁纳米温度测量模型33-41
• 2.4 磁纳米温度测量模型参数优化41-48
• 2.5 磁纳米温度反演方法48-56
• 2.6 磁流体的交流磁化率与二聚体分离极限温度56-61
• 2.7 本章小结61-62
• 3 磁纳米温度测量系统误差及其抗噪性能分析62-87
• 3.1 引言62
• 3.2 磁纳米温度测量系统误差分析62-74
• 3.3 磁纳米温度测量系统抗噪性能分析74-86
• 3.4 本章小结86-87
• 4 磁纳米温度测量系统稳定性分析87-99
• 4.1 引言87-88
• 4.2 亥姆霍兹线圈影响分析88-89
• 4.3 功率放大器非线性影响分析89-98
• 4.4 本章小结98-99
• 5 高精度磁纳米温度计系统设计99-117
• 5.1 引言99
• 5.2 磁纳米温度计系统组成99-100
• 5.3 激励磁场发生装置设计100-105
• 5.4 弱磁测量装置设计105-109
• 5.5 磁纳米温度计软件系统设计109-113
• 5.6 仪器指标测试113-115
• 5.7 本章小结115-117
• 6 应用案例：大功率LED结温测量117-127
• 6.1 引言117-119
• 6.2 大功率LED内部结构与热流分析119-121
• 6.3 实验描述与实验步骤121-125
• 6.4 实验结果与分析125-126
• 6.5 本章小结126-127
• 7 总结与展望127-130
• 7.1 研究工作总结127-128
• 7.2 未来工作展望128-130
• 致谢130-132
• 参考文献132-146
• 附录1 攻读博士期间发表、投稿和即将投稿的论文146-147
• 附录2 学术论文和学位论文的关系147-149
• 附录3 攻读博士期间授权和申请的发明专利149-150
• 附录4 攻读博士期间参加的国际会议和学术交流150

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