專利名稱：制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工程熱物理及測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，特別涉及-種制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻 非金屬基體表面溫度快速測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻(Cryogen Spray Cooling,CSC)已經(jīng)成為激光治療葡萄 酒色斑(Port Wine Stain, PffS)臨床手術(shù)中的重要輔助手段，CSC噴霧時(shí)間極短(幾十毫 秒)，能夠空間選擇性的保護(hù)PWS處表面正常的表皮組織(皮下0-200微米)不受激光的熱 損傷，可以提高治療時(shí)的激光能量，又不會(huì)對(duì)PWS處皮下的病灶血管(皮下200-550微米) 溫度造成影響，所以其在保護(hù)表皮正常組織的同時(shí)又大大改善治療效果。同常規(guī)噴霧過程 不同，制冷劑瞬態(tài)噴霧冷卻是耦合高揮發(fā)性制冷劑強(qiáng)烈霧化、液滴蒸發(fā)和表面沸騰的復(fù)雜 瞬態(tài)相變傳熱過程，皮膚表面溫度在非常短的時(shí)間內(nèi)(幾毫秒)從正常體溫(35°C左右)迅 速降到-40°C左右，皮膚表面溫度的快速準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于計(jì)算皮膚表面熱流密度和表面?zhèn)鳠?系數(shù)等關(guān)鍵傳熱參數(shù)至關(guān)重要，獲取了皮膚表面熱流密度和傳熱系數(shù)等重要參數(shù)，就能對(duì) 皮膚激光手術(shù)中不同條件下制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻皮膚表面的換熱好壞進(jìn)行量化，從而 為醫(yī)生的臨床應(yīng)用提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)，進(jìn)一步改進(jìn)治療效果。由于在皮膚表面布置熱電偶非常困難，容易產(chǎn)生接觸熱阻和比較大的附加熱慣 性，直接測(cè)量制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻皮膚表面快速變化的溫度信號(hào)極為困難，目前國(guó)際 上這方面的研究都是利用類皮膚材料，比如環(huán)氧樹脂和有機(jī)玻璃，其導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱 容和皮膚相似，來模擬真實(shí)皮膚對(duì)制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻中表面熱流密度和傳熱系數(shù)等 參數(shù)進(jìn)行研究。利用環(huán)氧樹脂和有機(jī)玻璃等類皮膚材料，有利于熱電偶的布置，通過雙面膠 帶將熱電偶與類皮膚材料表面黏貼一起，并在雙面膠帶的另一面覆蓋銅或者鋁等導(dǎo)熱性好 的金屬薄層，間接獲取表面溫度，此種方法仍然存在接觸熱阻和較大的附加熱慣性的問題， 對(duì)于制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻中基體表面溫度的快速測(cè)量有較大影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速 測(cè)量方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是1)硬件平臺(tái)的構(gòu)建在非金屬基體材料表面通過磁控濺射方法噴涂T型薄膜熱電偶，T型薄膜熱電偶 的兩極經(jīng)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線與采集卡相連；2)檢查采集卡是否工作就緒，對(duì)儀器進(jìn)行初始化；3)創(chuàng)建溫度采集任務(wù)，設(shè)置連接T型薄膜熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的通道為采集通道、采 樣頻率為IOOKHz、采集時(shí)間為2000ms、存儲(chǔ)路徑參數(shù)；
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4)開始溫度采集任務(wù)，對(duì)制冷劑閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻的非金屬基體材料的T型薄膜 熱電偶的電壓信號(hào)按照步驟3)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行采集；5)當(dāng)采集溫度任務(wù)結(jié)束，將采集得到的T型薄膜熱電偶的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度數(shù) 值，此為采集得到的原始溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)原始的溫度數(shù)值進(jìn)行圖形顯示并保存至文檔；6)設(shè)置800Hz的低通截止頻率，對(duì)原始溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行巴特沃思(Butterworth，簡(jiǎn) 稱BW)低通濾波處理，并將濾波后的溫度曲線和原始溫度數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對(duì)比，獲取既光滑 又不失真的溫度曲線；7)對(duì)濾波后的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至文檔得到制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表 面溫度。本發(fā)明的非金屬基體材料為有機(jī)玻璃、環(huán)氧樹脂或陶瓷，其厚度為5-10mm ；T型薄膜熱電偶兩極材料為銅和康銅，其厚度為0. 5微米-5微米；非金屬基體材料表面及T型薄膜熱電偶表層還涂敷有一層厚度為0. 05-0. 1微米 的SW2薄層；T型薄膜熱電偶的兩極與熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線通過機(jī)械壓緊方法連接；采集卡采用NI :M-6251板卡。本發(fā)明的非金屬基體表面的T型薄膜熱電偶具有極高的反應(yīng)速度，通過控制采集 裝置對(duì)熱電偶的電壓信號(hào)進(jìn)行高速采集并用濾波的方法對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行去高頻雜 波信號(hào)干擾分析處理，獲得制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面平滑而又真實(shí)的溫度 信號(hào)，此種方法可以顯著減小制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻基體表面測(cè)溫的接觸熱阻和附加熱 慣性，提高對(duì)所測(cè)量對(duì)象溫度變化的響應(yīng)速度(通過Nd:YAG激光器產(chǎn)生的單脈沖激光(激 光波長(zhǎng)532nm，脈寬6ns，能量密度0. 2J/cm2)直接作用于T型熱電偶的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)，其瞬態(tài)溫 升率可達(dá)100K/μ s)。


圖1是本發(fā)明的俯視圖；其中1—非金屬基體材料，2——T型薄膜熱電偶，3——SiO2薄層，4，5——熱電 偶補(bǔ)償導(dǎo)線。圖2為快速溫度采集和對(duì)原始溫度數(shù)據(jù)低通濾波處理程序流程圖；圖3為Nd: YAG激光作用于薄膜熱電偶的溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(激光波長(zhǎng)532nm，脈 寬6ns，能量密度0.2J/cm2)；圖4為制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)中非金屬基體表面瞬態(tài)溫度采集時(shí)采樣率 對(duì)低通濾波后溫度結(jié)果的影響比較圖；圖5為制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)中低通濾波截止頻率對(duì)濾波處理后非金屬 基體表面瞬態(tài)溫度變化曲線動(dòng)態(tài)性(真實(shí)性)的影響比較圖；圖6為制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)中設(shè)置合適的采樣率(IOOkHz)和低通截止 頻率(800Hz)，非金屬基體表面溫度經(jīng)薄膜熱電偶采集的原始溫度數(shù)據(jù)和經(jīng)低通濾波處理 后的溫度數(shù)據(jù)比較圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。1)硬件平臺(tái)的構(gòu)建，參見圖1，在厚度為5-10mm的非金屬基體材料1 (有機(jī)玻璃、環(huán)氧樹脂或陶瓷)表面通過磁 控濺射方法噴涂厚度為0. 5微米-5微米的T型薄膜熱電偶2，T型薄膜熱電偶2兩極材料 為銅和康銅，T型薄膜熱電偶2的兩極經(jīng)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線4、5與采集卡NI :M-6251板卡相連， 所述的T型薄膜熱電偶2的兩極與熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(4、5)通過機(jī)械壓緊方法連接，非金屬基 體材料1表面及T型薄膜熱電偶2表層還涂敷有一層厚度為0. 05-0. 1微米的^ 薄層3 ；2)參見圖2，檢查采集卡是否工作就緒，對(duì)儀器進(jìn)行初始化；3)創(chuàng)建溫度采集任務(wù)，設(shè)置連接T型薄膜熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的通道為采集通道、采 樣頻率為IOOKHz、采集時(shí)間為2000ms、存儲(chǔ)路徑參數(shù)；4)開始溫度采集任務(wù)，對(duì)制冷劑閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻的非金屬基體材料1的T型薄 膜熱電偶2的電壓信號(hào)按照步驟3)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行采集；5)當(dāng)采集溫度任務(wù)結(jié)束，將采集得到的T型薄膜熱電偶2的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度 數(shù)值，此為采集得到的原始溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)原始的溫度數(shù)值進(jìn)行圖形顯示并保存至文檔；6)設(shè)置800Hz的低通截止頻率，對(duì)原始溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行巴特沃思(Butterworth，簡(jiǎn) 稱BW)低通濾波處理，并將濾波后的溫度曲線和原始溫度數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對(duì)比，獲取既光滑 又不失真的溫度曲線；7)對(duì)濾波后的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至文檔得到制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表 面溫度。參見圖3，通過磁控濺射噴涂在非金屬基體表面的薄面熱電偶具有極高的動(dòng)態(tài)響 應(yīng)速度，其溫升率可達(dá)到100K/μ S，能夠?qū)崟r(shí)快速響應(yīng)制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻中非金屬 基體表面快速變化的瞬態(tài)溫度。參見圖4，在同一濾波截止頻率下，非金屬基體表面溫度采集時(shí)采樣率越高，采 集的原始溫度數(shù)據(jù)通過巴特沃斯濾波后的溫度曲線越光滑，但是當(dāng)采樣率高到一定數(shù)值 (IOOKHz)后，濾波后的溫度曲線光滑性相差不大，而且越高的采樣率會(huì)增加計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān) 和后續(xù)處理數(shù)據(jù)的難度，所以選擇IOOKHz為合適的采樣率。參見圖5，在相同的采樣率(ΙΟΟΚΗζ)下，對(duì)原始溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行巴特沃斯濾波的截 止頻率越低，對(duì)高頻干擾信號(hào)的衰減越強(qiáng)，濾波過后的溫度曲線越光滑，但是濾波后的溫度 曲線在溫度快速變化階段動(dòng)態(tài)性越差，與真實(shí)溫度信號(hào)的變化趨勢(shì)相差越大；反之，截止頻 率越高，濾波過后的溫度曲線動(dòng)態(tài)性越好，在溫度快速下降變化階段，與真實(shí)溫度信號(hào)變化 趨勢(shì)越接近，但是，截止頻率也不是越高越好，截止頻率越高，對(duì)高頻干擾信號(hào)的衰減越弱， 造成濾波過后的溫度曲線越不光滑。通過比較，選擇800Hz作為合適的對(duì)原始溫度濾波的 巴特沃斯濾波截止頻率，使得濾波后的溫度曲線既能夠較大程度的去除干擾信號(hào)，又能保 持很好的動(dòng)態(tài)性。參見圖6，確定IOOKHz為恰當(dāng)?shù)牟蓸勇屎?00Hz為恰當(dāng)?shù)陌吞匚炙篂V波截止頻率， 對(duì)制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度進(jìn)行采集并對(duì)原始溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處 理，通過與原始溫度數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)按照上述參數(shù)得到后的溫度曲線，既能夠較大程度 的去除干擾信號(hào)，又能保持很好的動(dòng)態(tài)性。
本發(fā)明能夠顯著減小制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻中非金屬基體表面測(cè)溫的接觸熱 阻和附加熱慣性，提高對(duì)所測(cè)量對(duì)象溫度變化的響應(yīng)速度，快速準(zhǔn)確的測(cè)量表面溫度的變 化，通過程序?qū)υ紲囟葦?shù)據(jù)進(jìn)行濾波分析處理，既能夠使濾波后的溫度曲線去除高頻干 擾信號(hào)，又能夠保持與原始溫度曲線變化一致的真實(shí)性。
權(quán)利要求
1.制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測(cè)量方法，其特征在于1)硬件平臺(tái)的構(gòu)建在非金屬基體材料(1)表面通過磁控濺射方法噴涂T型薄膜熱電偶O)，T型薄膜熱電 偶O)的兩極經(jīng)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線0、5)與采集卡相連；2)檢查采集卡是否工作就緒，對(duì)儀器進(jìn)行初始化；3)創(chuàng)建溫度采集任務(wù)，設(shè)置連接T型薄膜熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的通道為采集通道、采樣頻 率為IOOKHz、采集時(shí)間為2000ms、存儲(chǔ)路徑參數(shù)；4)開始溫度采集任務(wù)，對(duì)制冷劑閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻的非金屬基體材料(1)的T型薄膜 熱電偶O)的電壓信號(hào)按照步驟3)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行采集；5)當(dāng)采集溫度任務(wù)結(jié)束，將采集得到的T型薄膜熱電偶O)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度數(shù) 值，此為采集得到的原始溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)原始的溫度數(shù)值進(jìn)行圖形顯示并保存至文檔；6)設(shè)置800Hz的低通截止頻率，對(duì)原始溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行巴特沃思低通濾波處理，并將濾 波后的溫度曲線和原始溫度數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對(duì)比，獲取既光滑又不失真的溫度曲線；7)對(duì)濾波后的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至文檔得到制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測(cè)量 方法，其特征在于所述的非金屬基體材料(1)為有機(jī)玻璃、環(huán)氧樹脂或陶瓷，其厚度為 5-10mmo
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測(cè)量方 法，其特征在于所述的T型薄膜熱電偶( 兩極材料為銅和康銅，其厚度為0.5微米-5微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測(cè)量方 法，其特征在于所述的非金屬基體材料(1)表面及T型薄膜熱電偶( 表層還涂敷有一層 厚度為0. 05-0. 1微米的SW2薄層(3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測(cè)量方 法，其特征在于所述的T型薄膜熱電偶(2)的兩極與熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(4、5)通過機(jī)械壓緊 方法連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測(cè)量方 法，其特征在于所述的采集卡采用NI :M-6251板卡。
全文摘要
一種制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測(cè)量方法，通過磁控濺射技術(shù)在制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻的非金屬基體表面噴涂T型薄膜型熱電偶，將T型薄膜型熱電偶的兩極連接熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線，補(bǔ)償導(dǎo)線接到數(shù)據(jù)采集裝置，控制采集硬件裝置對(duì)制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻中基體表面溫度信號(hào)進(jìn)行高速采集并對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波分析處理。此方法能夠獲取制冷劑瞬態(tài)閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度的快速瞬態(tài)變化特性，通過設(shè)置合適的采樣率和低通濾波截止頻率，使得濾波處理后的溫度結(jié)果可在去除高頻干擾信號(hào)的同時(shí)又保持所測(cè)溫度信號(hào)的真實(shí)性。
文檔編號(hào)A61B18/20GK102080992SQ201010550188
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者吳威濤, 周致富, 王國(guó)祥, 王躍社, 陳斌, 龔政 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)