專利名稱：制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測量方法
技術領域：
本發明屬于工程熱物理及測量儀器領域，特別涉及-種制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻 非金屬基體表面溫度快速測量方法。
背景技術：
制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻(Cryogen Spray Cooling,CSC)已經成為激光治療葡萄 酒色斑(Port Wine Stain, PffS)臨床手術中的重要輔助手段，CSC噴霧時間極短(幾十毫 秒)，能夠空間選擇性的保護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，可以提高治療時的激光能量，又不會對PWS處皮下的病灶血管(皮下200-550微米) 溫度造成影響，所以其在保護表皮正常組織的同時又大大改善治療效果。同常規噴霧過程 不同，制冷劑瞬態噴霧冷卻是耦合高揮發性制冷劑強烈霧化、液滴蒸發和表面沸騰的復雜 瞬態相變傳熱過程，皮膚表面溫度在非常短的時間內(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確測量對于計算皮膚表面熱流密度和表面傳熱 系數等關鍵傳熱參數至關重要，獲取了皮膚表面熱流密度和傳熱系數等重要參數，就能對 皮膚激光手術中不同條件下制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻皮膚表面的換熱好壞進行量化，從而 為醫生的臨床應用提供準確的指導，進一步改進治療效果。由于在皮膚表面布置熱電偶非常困難，容易產生接觸熱阻和比較大的附加熱慣 性，直接測量制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻皮膚表面快速變化的溫度信號極為困難，目前國際 上這方面的研究都是利用類皮膚材料，比如環氧樹脂和有機玻璃，其導熱系數、密度和比熱 容和皮膚相似，來模擬真實皮膚對制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻中表面熱流密度和傳熱系數等 參數進行研究。利用環氧樹脂和有機玻璃等類皮膚材料，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， 對于制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻中基體表面溫度的快速測量有較大影響。
發明內容
本發明的目的在于提供一種制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速 測量方法。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是1)硬件平臺的構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 的兩極經熱電偶補償導線與采集卡相連；2)檢查采集卡是否工作就緒，對儀器進行初始化；3)創建溫度采集任務，設置連接T型薄膜熱電偶補償導線的通道為采集通道、采 樣頻率為IOOKHz、采集時間為2000ms、存儲路徑參數；
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4)開始溫度采集任務，對制冷劑閃蒸瞬態噴霧冷卻的非金屬基體材料的T型薄膜 熱電偶的電壓信號按照步驟3)設置的參數進行采集；5)當采集溫度任務結束，將采集得到的T型薄膜熱電偶的電壓信號轉換為溫度數 值，此為采集得到的原始溫度數據，并對原始的溫度數值進行圖形顯示并保存至文檔；6)設置800Hz的低通截止頻率，對原始溫度數據進行巴特沃思(Butterworth，簡 稱BW)低通濾波處理，并將濾波后的溫度曲線和原始溫度數據曲線進行對比，獲取既光滑 又不失真的溫度曲線；7)對濾波后的溫度數據存儲至文檔得到制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表 面溫度。本發明的非金屬基體材料為有機玻璃、環氧樹脂或陶瓷，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償導線通過機械壓緊方法連接；采集卡采用NI :M-6251板卡。本發明的非金屬基體表面的T型薄膜熱電偶具有極高的反應速度，通過控制采集 裝置對熱電偶的電壓信號進行高速采集并用濾波的方法對采集的溫度數據進行去高頻雜 波信號干擾分析處理，獲得制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面平滑而又真實的溫度 信號，此種方法可以顯著減小制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻基體表面測溫的接觸熱阻和附加熱 慣性，提高對所測量對象溫度變化的響應速度(通過Nd:YAG激光器產生的單脈沖激光(激 光波長532nm，脈寬6ns，能量密度0. 2J/cm2)直接作用于T型熱電偶的測溫結點，其瞬態溫 升率可達100K/μ s)。
圖1是本發明的俯視圖；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 偶補償導線。圖2為快速溫度采集和對原始溫度數據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態響應曲線(激光波長532nm，脈 寬6ns，能量密度0.2J/cm2)；圖4為制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻實驗中非金屬基體表面瞬態溫度采集時采樣率 對低通濾波后溫度結果的影響比較圖；圖5為制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻實驗中低通濾波截止頻率對濾波處理后非金屬 基體表面瞬態溫度變化曲線動態性(真實性)的影響比較圖；圖6為制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻實驗中設置合適的采樣率(IOOkHz)和低通截止 頻率(800Hz)，非金屬基體表面溫度經薄膜熱電偶采集的原始溫度數據和經低通濾波處理 后的溫度數據比較圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。1)硬件平臺的構建，參見圖1，在厚度為5-10mm的非金屬基體材料1 (有機玻璃、環氧樹脂或陶瓷)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的兩極經熱電偶補償導線4、5與采集卡NI :M-6251板卡相連， 所述的T型薄膜熱電偶2的兩極與熱電偶補償導線(4、5)通過機械壓緊方法連接，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，對儀器進行初始化；3)創建溫度采集任務，設置連接T型薄膜熱電偶補償導線的通道為采集通道、采 樣頻率為IOOKHz、采集時間為2000ms、存儲路徑參數；4)開始溫度采集任務，對制冷劑閃蒸瞬態噴霧冷卻的非金屬基體材料1的T型薄 膜熱電偶2的電壓信號按照步驟3)設置的參數進行采集；5)當采集溫度任務結束，將采集得到的T型薄膜熱電偶2的電壓信號轉換為溫度 數值，此為采集得到的原始溫度數據，并對原始的溫度數值進行圖形顯示并保存至文檔；6)設置800Hz的低通截止頻率，對原始溫度數據進行巴特沃思(Butterworth，簡 稱BW)低通濾波處理，并將濾波后的溫度曲線和原始溫度數據曲線進行對比，獲取既光滑 又不失真的溫度曲線；7)對濾波后的溫度數據存儲至文檔得到制冷劑瞬態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態響 應速度，其溫升率可達到100K/μ S，能夠實時快速響應制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻中非金屬 基體表面快速變化的瞬態溫度。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采樣率越高，采 集的原始溫度數據通過巴特沃斯濾波后的溫度曲線越光滑，但是當采樣率高到一定數值 (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增加計算機的負擔 和后續處理數據的難度，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，對原始溫度數據進行巴特沃斯濾波的截 止頻率越低，對高頻干擾信號的衰減越強，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態性越差，與真實溫度信號的變化趨勢相差越大；反之，截止頻 率越高，濾波過后的溫度曲線動態性越好，在溫度快速下降變化階段，與真實溫度信號變化 趨勢越接近，但是，截止頻率也不是越高越好，截止頻率越高，對高頻干擾信號的衰減越弱， 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，又能保 持很好的動態性。參見圖6，確定IOOKHz為恰當的采樣率和800Hz為恰當的巴特沃斯濾波截止頻率， 對制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度進行采集并對原始溫度數據進行濾波處 理，通過與原始溫度數據對比發現，發現按照上述參數得到后的溫度曲線，既能夠較大程度 的去除干擾信號，又能保持很好的動態性。
本發明能夠顯著減小制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻中非金屬基體表面測溫的接觸熱 阻和附加熱慣性，提高對所測量對象溫度變化的響應速度，快速準確的測量表面溫度的變 化，通過程序對原始溫度數據進行濾波分析處理，既能夠使濾波后的溫度曲線去除高頻干 擾信號，又能夠保持與原始溫度曲線變化一致的真實性。
權利要求
1.制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測量方法，其特征在于1)硬件平臺的構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)的兩極經熱電偶補償導線0、5)與采集卡相連；2)檢查采集卡是否工作就緒，對儀器進行初始化；3)創建溫度采集任務，設置連接T型薄膜熱電偶補償導線的通道為采集通道、采樣頻 率為IOOKHz、采集時間為2000ms、存儲路徑參數；4)開始溫度采集任務，對制冷劑閃蒸瞬態噴霧冷卻的非金屬基體材料(1)的T型薄膜 熱電偶O)的電壓信號按照步驟3)設置的參數進行采集；5)當采集溫度任務結束，將采集得到的T型薄膜熱電偶O)的電壓信號轉換為溫度數 值，此為采集得到的原始溫度數據，并對原始的溫度數值進行圖形顯示并保存至文檔；6)設置800Hz的低通截止頻率，對原始溫度數據進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據曲線進行對比，獲取既光滑又不失真的溫度曲線；7)對濾波后的溫度數據存儲至文檔得到制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度。
2.根據權利要求1所述的制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測量 方法，其特征在于所述的非金屬基體材料(1)為有機玻璃、環氧樹脂或陶瓷，其厚度為 5-10mmo
3.根據權利要求1所述的制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測量方 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.根據權利要求1所述的制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測量方 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.根據權利要求1所述的制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測量方 法，其特征在于所述的T型薄膜熱電偶(2)的兩極與熱電偶補償導線(4、5)通過機械壓緊 方法連接。
6.根據權利要求1所述的制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測量方 法，其特征在于所述的采集卡采用NI :M-6251板卡。
全文摘要
一種制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度快速測量方法，通過磁控濺射技術在制冷劑瞬態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償導線，補償導線接到數據采集裝置，控制采集硬件裝置對制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻中基體表面溫度信號進行高速采集并對采集的溫度數據進行濾波分析處理。此方法能夠獲取制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻非金屬基體表面溫度的快速瞬態變化特性，通過設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果可在去除高頻干擾信號的同時又保持所測溫度信號的真實性。
文檔編號A61B18/20GK102080992SQ201010550188
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月18日 優先權日2010年11月18日
發明者吳威濤, 周致富, 王國祥, 王躍社, 陳斌, 龔政 申請人:西安交通大學