一种磁性纳米粒子测量位置的优化设计方法技术

本发明专利技术涉及磁性纳米粒子测量研究领域，特别是一种磁性纳米粒子测量位置的优化设计方法。确定磁性纳米粒子装置对应的极限测量个数和测量距离；构造样本集并训练和输出，对于每个分组的样本集，以一组测量位置的磁感应强度Bx分量为输入，磁性纳米粒子个数为输出进行训练；磁性纳米粒子个数测量准确率越高，响应磁场强度越大时，该分组的评价值越高，从而构造评价函数并评价，得到最优分组及对应的最优测量位置。对含有不同粒子个数的磁性纳米粒子装置进行均匀磁场仿真实验，探究不同位置的响应磁场强度与磁性纳米粒子个数的关系，从而获得磁性纳米粒子的最优测量位置，用于磁性纳米粒子个数的测量，进而提高了磁性纳米粒子个数测量的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种磁性纳米粒子测量位置的优化设计方法
本专利技术涉及磁性纳米粒子测量研究领域，特别是一种磁性纳米粒子测量位置的优化设计方法。
技术介绍
磁性纳米粒子是一种发展迅速且应用广泛的新型纳米材料，具有纳米尺寸效应、独特的表面效应、良好的靶向性等多种物理化学特性。与此同时，磁性纳米粒子作为一种磁性材料，具有磁学性质。为了实现对磁性纳米粒子的研究，实现磁性纳米粒子在实际测量中的应用，尤其在需要得到磁性纳米粒子的个数等信息的实验中，取得其最佳(最优)磁性纳米粒子的测量位置尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是对含有不同粒子个数的磁性纳米粒子装置进行均匀磁场仿真实验，探究不同位置的响应磁场强度与磁性纳米粒子个数的关系，从而获得磁性纳米粒子的最优测量位置，提高磁性纳米粒子个数测量的精度，因此，提供一种磁性纳米粒子测量位置的优化设计方法。为了确定最佳磁性纳米粒子的测量位置，本专利技术提供一种磁性纳米粒子测量位置的优化设计方法，步骤如下：1)测量磁性纳米粒子装置的截面积参数，确定磁性纳米粒子装置对应的极限测量个数N和测量距离L；2)构造样本集：在极限测量个数N以内，调整测量个数和粒子分布，分别进行均匀磁场仿真实验；得到多个仿真模型；对每个仿真模型，以L为半径得到一个圆周上均分分布的测量位置，每个测量位置距离仿真模型的距离均为L；每个测量位置得到相应的磁感应强度Bx分量的数据，从而得到整个样本集；上述均匀分布的测量位置，4个对称的测量位置为一组，从而将整个样本集分为若干个分组样本集，每个分组样本集对应一组测量位置；3)训练和输出：对于每个分组的样本集，以一组测量位置的磁感应强度Bx分量为输入，磁性纳米粒子个数为输出进行训练；磁性纳米粒子个数测量准确率越高，响应磁场强度越大时，该分组的评价值越高，从而构造评价函数maxF(x)；根据评价函数maxF(x)对各个分组进行评价，得到最优分组和较优分组，以及对应的最优测量位置或较优测量位置。有益效果是，对含有不同粒子个数的磁性纳米粒子装置进行均匀磁场仿真实验，探究不同位置的响应磁场强度与磁性纳米粒子个数的关系，从而获得磁性纳米粒子的最优测量位置，用于磁性纳米粒子个数的测量，进而提高了磁性纳米粒子个数测量的精度。针对微纳级磁性纳米粒子装置的测量位置进行了优化设计，充分考虑磁性纳米粒子装置结构、磁性纳米粒子尺寸和实际测量的需要，准确找到了评价测量位置的两个主要指标，有效缩短了磁性纳米粒子测量位置的寻找和测试时间，减小测量误差。通过机器学习方法，以模拟退火优化的神经网络算法为例，建立磁性纳米粒子个数测量模型，再利用测试集评价每一组位置的磁性纳米粒子个数测量准确率，具体显示不同组测量位置的实际测量效果。可以广泛适用于各类规则形状的微纳级磁性纳米粒子装置测量位置的选取和优化，为实际测量中传感器的布置提供依据。通过模拟退火算法对BP神经网络的权值、阈值参数进行优化，克服了BP神经网络在权值选择上的随机性，提高BP神经网络的全局寻优能力和学习能力，改善BP神经网络的性能，提高磁性纳米粒子个数测量的精度和测量位置选取的准确性。进一步地，为了准确得到极限测量个数，极限测量个数N的计算公式如下：式中，N表示极限测量个数，S表示磁性纳米粒子装置的截面积，s1表示单个磁性纳米粒子的截面积，m％表示根据磁性纳米粒子的性质和装置的形状，确定的所有磁性纳米粒子占据面积在装置截面积中占据的最大比例。进一步地，为了准确得到测量距离，使用随机函数模拟达到极限测量个数N时磁性纳米粒子在装置中的分布，生成10个不同的模型，并对这10个模型进行均匀磁场仿真实验，对于每个模型的计算结果，每隔相同的距离均匀取1000个磁感应强度Bx分量，作为一组，对各组依次进行稳定度评价，取第一个达到设定的稳定度指标时的测量距离作为该模型对应的测量距离li，测量距离L的计算公式如下：式中，L表示该磁性纳米粒子装置对应的测量距离，li(i＝1,2,...,10)表示10个仿真模型在稳定度评价后分别得出的测量距离。进一步地，为了简单实现评价函数的构造，根据磁性纳米粒子个数测量准确率和响应磁场强度，通过线性加权法，构造的评价函数maxF(x)，公式如下：式中，m为指标函数个数，wi为加权因子，gi(x)为指标函数，F(x)为评价函数。进一步地，为了对训练结果进行评价，选取部分的所述样本集作为测试集，用于对训练结果进行测试。附图说明图1是本专利技术的一种磁性纳米粒子装置的立体视图；图2是本专利技术的一种磁性纳米粒子装置的俯视图；图3是本专利技术的一种磁性纳米粒子测量位置优化设计方法的主要流程图；图4是本专利技术的磁性纳米粒子测量模型的BP神经网络结构示意图；图5是本专利技术的BP神经网络建立与磁性纳米粒子个数测量准确率计算的流程图；图6是本专利技术的模拟退火算法优化神经网络模型的流程图；图7是本专利技术的非圆形磁性纳米粒子装置的测量位置优化设计方法的流程图；图中，1为磁性纳米粒子，2为玻璃边框结构，3为混合溶液，4为吸附磁性纳米粒子的特殊基底结构。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细的说明。本专利技术提供一种磁性纳米粒子测量位置的优化设计方法适用于圆形磁性纳米粒子装置，但并不局限于此，如图1和图2所示，圆形磁性纳米粒子装置包括磁性纳米粒子1、玻璃边框结构2、混合溶液3和吸附磁性纳米粒子的特殊基底结构4。本专利技术的磁性纳米粒子装置是通过微流控技术制造的，厚度为微纳级，微流控技术是使用微纳级管道处理或操控微小流体的相关技术，涉及化学、微电子、流体物理、材料学、生物学等多个领域，具有微型化、集成化等特征。在微流控的通道中，流体表现出层流和液滴的流体现象。本专利技术提供一种磁性纳米粒子测量位置的优化设计方法，如图3所示，步骤如下：1)测量磁性纳米粒子装置的截面积参数，确定磁性纳米粒子装置对应的极限测量个数N和测量距离L。建立测量距离与微纳级磁性纳米粒子装置尺寸之间的关系，通过测量磁性纳米粒子装置即可获得设定尺寸下磁性纳米粒子的极限测量个数和测量距离。本实施例中结合磁性纳米粒子的相关性质，将占据磁性纳米粒子装置m％截面积时的磁性纳米粒子个数定义为极限测量个数N，m％表示所有磁性纳米粒子占据面积在装置截面积中可以占据的最大比例，对于本实施例中的磁性纳米粒子装置，取m％＝45％，则计算方法如公式(1)所示：公式(1)中，N表示极限测量个数，S表示磁性纳米粒子装置截面积，s1表示单个磁性纳米粒子的截面积。通过公式(1)获得该磁性纳米粒子装置对应的极限测量个数N，并将N作为磁性纳米粒子测量距离的计算依据。使用随机函数模拟达到极限测量个数时磁性纳米粒子在装置中的分布，生成10个不同的模型，并对这10个模型进行均匀磁场仿真实验。对于每个模型的计算结果，每隔相同的距离均匀取1000个磁感应强度Bx分量。将相同测量距离的1000个数据作为一组，对各组依次进行稳定度评价，取刚好达到设定的稳定度指标时的测量距离作为该模型对应的测量距离。对于生成的10个模型，都进行上述操作，获得每个模型的测量距离，并通过公式(2)确定该装置对应的测量距离L，公式(2)如下所示：公式(2)中，L表示该磁性纳米粒子装置对应的测量距离，li(i＝1,2,...,10)表示10个模型在稳定度评价后分别得出的测量距离。本专利技术中N和L本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性纳米粒子测量位置的优化设计方法，其特征在于，步骤如下：1)测量磁性纳米粒子装置的截面积参数，确定磁性纳米粒子装置对应的极限测量个数N和测量距离L；2)构造样本集：在极限测量个数N以内，调整测量个数和粒子分布，分别进行均匀磁场仿真实验；得到多个仿真模型；对每个仿真模型，以L为半径得到一个圆周上均分分布的测量位置，每个测量位置距离仿真模型的距离均为L；每个测量位置得到相应的磁感应强度Bx分量的数据，从而得到整个样本集；上述均匀分布的测量位置，4个对称的测量位置为一组，从而将整个样本集分为若干个分组样本集，每个分组样本集对应一组测量位置；3)训练和输出：对于每个分组的样本集，以一组测量位置的磁感应强度Bx分量为输入，磁性纳米粒子个数为输出进行训练；磁性纳米粒子个数测量准确率越高，响应磁场强度越大时，该分组的评价值越高，从而构造评价函数maxF(x)；根据评价函数maxF(x)对各个分组进行评价，得到最优分组和较优分组，以及对应的最优测量位置或较优测量位置。

【技术特征摘要】
1.一种磁性纳米粒子测量位置的优化设计方法，其特征在于，步骤如下：1)测量磁性纳米粒子装置的截面积参数，确定磁性纳米粒子装置对应的极限测量个数N和测量距离L；2)构造样本集：在极限测量个数N以内，调整测量个数和粒子分布，分别进行均匀磁场仿真实验；得到多个仿真模型；对每个仿真模型，以L为半径得到一个圆周上均分分布的测量位置，每个测量位置距离仿真模型的距离均为L；每个测量位置得到相应的磁感应强度Bx分量的数据，从而得到整个样本集；上述均匀分布的测量位置，4个对称的测量位置为一组，从而将整个样本集分为若干个分组样本集，每个分组样本集对应一组测量位置；3)训练和输出：对于每个分组的样本集，以一组测量位置的磁感应强度Bx分量为输入，磁性纳米粒子个数为输出进行训练；磁性纳米粒子个数测量准确率越高，响应磁场强度越大时，该分组的评价值越高，从而构造评价函数maxF(x)；根据评价函数maxF(x)对各个分组进行评价，得到最优分组和较优分组，以及对应的最优测量位置或较优测量位置。2.根据权利要求1所述的磁性纳米粒子测量位置的优化设计方法，其特征在于，极限测量个数N的计算公式如下：式中，N表示极限测量个数，S表示磁性纳米粒子装置的截面积，s1表示单个磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莉，周潼，牛群峰，侯志伟，惠延波，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：河南,41