用于土壤水分測量的單邊核磁共振傳感器及核磁共振方法與流程

本發(fā)明涉及一種用于無損測量淺表土壤水分測量裝置及單邊核磁共振方法。

背景技術(shù)：

目前，我國面臨土壤資源緊張、生態(tài)環(huán)境污染嚴(yán)重、農(nóng)業(yè)用水資源相對缺乏等重大挑戰(zhàn)。土壤水分是影響農(nóng)作物生長的重要因素，而且其含量和存在形態(tài)又是土壤中諸多化學(xué)、物理和生物學(xué)過程的控制因素。因此，就農(nóng)業(yè)及環(huán)境保護(hù)而言，土壤水分檢測的重要意義如下：(1)及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行土壤水分檢測，對于評估干旱和濕害程度，優(yōu)化利用有限的水資源，保證農(nóng)作物產(chǎn)量具有重要意義；(2)土壤貯水量和土壤水分運(yùn)動特性影響其中化學(xué)物質(zhì)的運(yùn)動和轉(zhuǎn)化(比如土壤養(yǎng)分的傳輸)，對正確評估化肥的吸收效果，精確計(jì)算化肥使用量，進(jìn)而對環(huán)境保護(hù)具有重要意義；(3)土壤水分特別是土壤水分含量及水分子運(yùn)動特性對植物種子的萌芽、根系的生長和養(yǎng)分的吸收至關(guān)重要。

國內(nèi)外檢測淺表土壤水分的方法主要有以下幾大類：土壤外觀觸摸法、烘干稱重法、張力測定法、中子擴(kuò)散法、時(shí)域反射法、頻域反射法、駐波率法、核磁共振法等。其中外觀觸摸法比較主觀，需要一定的經(jīng)驗(yàn)積累；烘干稱重法是目前公認(rèn)的最為精確、經(jīng)典的方法，但是耗時(shí)較長，無法對同一處的土壤實(shí)現(xiàn)無損測量；張力測定法的測量范圍受土質(zhì)影響較大且測量速度不夠快；中子擴(kuò)散法難以測量淺表土壤的水分含量，價(jià)格昂貴且易造成輻射危害；時(shí)域反射法測量時(shí)易受溫度、容重、土質(zhì)的影響，不能測量遠(yuǎn)距離土壤的水分含量；頻域反射法受含有粉粒、沙粒和粘粒的土壤的影響較大；駐波率法易受土壤鹽分影響，測量精度也不夠高；傳統(tǒng)的核磁共振方法多為封閉式測量方式，不適用于野外現(xiàn)場測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于土壤水分測量的單邊核磁共振傳感器及核磁共振方法。

本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，一種用于土壤水分測量的單邊核磁共振傳感器，包括外殼4，還包括設(shè)置于外殼內(nèi)的磁體模塊和設(shè)置于外殼體上表面的射頻線圈2，所述磁體模塊用于產(chǎn)生靜態(tài)主磁場B₀；射頻線圈用于產(chǎn)生與靜態(tài)主磁場B₀垂直的射頻磁場B₁，實(shí)現(xiàn)對土壤樣品的激勵(lì)以及接收樣品產(chǎn)生的回波信號。

進(jìn)一步，所述磁體模塊包括左右兩個(gè)沿外殼長度方向間隔設(shè)置的子磁體模塊，兩個(gè)子磁體模塊通過匹配電路6連接；左側(cè)子磁體模塊的磁化方向與右側(cè)子磁體模塊的磁化方向相反；所述子磁體模塊包括四個(gè)磁體單元7，四個(gè)磁體單元呈田字排列，所述磁體單元包括兩個(gè)沿外殼寬度方向間隔設(shè)置的永磁體，兩永磁體的間距可調(diào)。

進(jìn)一步，所述磁體模塊的底部設(shè)置有用于減少漏磁的鐵軛8。

進(jìn)一步，所述傳感器還包括用于減少射頻線圈下方的渦流對射頻線圈影響的抗渦流板11，該渦流板位于外殼與射頻線圈之間。

進(jìn)一步，所述渦流板主要由上下兩層硅鋼片層構(gòu)成；上層硅鋼片層由沿著外殼寬度方向間隔排列且其長度向外殼的長度方向延伸的若干硅鋼片構(gòu)成；下層硅鋼片層由沿著外殼長度方向間隔排列且其長度向外殼的寬度方向延伸的若干硅鋼片構(gòu)成。

進(jìn)一步，所述外殼上還設(shè)置有BNC轉(zhuǎn)接頭，該BNC轉(zhuǎn)接頭與匹配電路連接。

本發(fā)明的目的之二是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，一種用于土壤水分測量的核磁共振方法，用CPMG脈沖序列對樣品進(jìn)行激勵(lì)，獲得CPMG回波信號，對獲得的回波信號進(jìn)行反拉普拉斯變換處理，得到相應(yīng)的橫向弛豫時(shí)間T₂譜分布曲線，以其中的長橫向弛豫時(shí)間波峰對應(yīng)土壤中的自由水，以其中的短橫向弛豫時(shí)間波峰對應(yīng)土壤中的束縛水，以T₂譜分布曲線所覆蓋的面積表征土壤中水分的含量。

采用核磁共振方法分析土壤水分較上述方法具有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)核磁共振技術(shù)直接激勵(lì)土壤水分中的氫質(zhì)子，并檢測其在弛豫過程中釋放的電磁回波，所以核磁共振技術(shù)不會受土壤鹽分的影響，單次測量時(shí)間短，不會損壞試樣；

(2)通過分析土壤水分的橫向弛豫時(shí)間T2分布，可以得到土壤水分存在狀態(tài)的準(zhǔn)確信息，定量區(qū)分自由水和結(jié)合水；

(3)在梯度磁場中，核磁共振技術(shù)可以測量土壤水分的擴(kuò)散系數(shù)；

(4)核磁共振方法的射頻信號頻率在kHz-MHz的量級，不存在輻射危險(xiǎn)。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中：

圖1(a)是本發(fā)明實(shí)施例提供的單邊核磁共振傳感器的整體示意圖，圖1(b)(c)是傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(d)是分上下兩層擺放的硅鋼片，硅鋼片豎直緊密排列，上下層擺放方向相互垂直；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的單邊核磁共振傳感器同一個(gè)孔洞內(nèi)的磁體以及磁體間的鋁塊；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的單邊核磁共振傳感器在整個(gè)傳感器上方75mm高度處的xoy面50mm×50mm范圍內(nèi)的靜態(tài)磁場分布，yoz面10mm×50mm范圍內(nèi)的磁場分布圖以及xoz面10mm×50mm范圍內(nèi)的磁場分布圖，還包括三個(gè)磁場的位置關(guān)系；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的CPMG脈沖和回波峰值衰減曲線示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的對測得數(shù)據(jù)進(jìn)行反拉普拉斯變換處理得到的橫向弛豫時(shí)間T2譜分布曲線的示意圖，以T2譜分布曲線所覆蓋的面積表征土壤中水分的含量，T2譜分布曲線一般存在兩個(gè)峰值分別對應(yīng)一個(gè)橫軸的長T2和一個(gè)短T2，長T2對應(yīng)的為自由水，短T2對應(yīng)的為束縛水；

其中，在圖1中，1是目標(biāo)區(qū)域，2是射頻線圈，3是BNC轉(zhuǎn)接頭，4外殼，6是匹配電路，7是磁體，8是鐵軛，9是上下兩層硅鋼片層，10是鋁塊。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的單邊核磁共振傳感器的整體示意圖以及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖，圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的單邊核磁共振傳感器同一個(gè)孔洞內(nèi)的磁體以及磁體間的鋁塊，圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的單邊核磁共振傳感器在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)磁場的分布圖以及三個(gè)磁場分布的位置關(guān)系，圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的CPMG脈沖和回波峰值衰減曲線示意圖，圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的對測得數(shù)據(jù)進(jìn)行反拉普拉斯變換處理得到的橫向弛豫時(shí)間T2譜分布曲線的示意圖。

參照圖1中的(a)(b)(c)(d)，本發(fā)明提出了一種用于土壤水分測量的單邊核磁共振傳感器，包括外殼4，還包括設(shè)置于外殼內(nèi)的磁體模塊和設(shè)置于外殼體上表面的射頻線圈2，所述磁體模塊用于產(chǎn)生靜態(tài)主磁場B₀；射頻線圈用于產(chǎn)生與靜態(tài)主磁場B₀垂直的射頻磁場B₁，實(shí)現(xiàn)對土壤樣品的激勵(lì)以及接收樣品產(chǎn)生的回波信號。

作為對本實(shí)施例的改進(jìn)，所述磁體模塊包括左右兩個(gè)沿外殼長度方向間隔設(shè)置的子磁體模塊，兩個(gè)子磁體模塊通過匹配電路6連接；左側(cè)子磁體模塊的磁化方向與右側(cè)子磁體模塊的磁化方向相反；所述子磁體模塊包括四個(gè)磁體單元7，四個(gè)磁體單元呈田字排列，所述磁體單元包括兩個(gè)沿外殼寬度方向間隔設(shè)置的永磁體，兩永磁體的間距可調(diào)?？稍趦捎来朋w之間設(shè)置鋁塊來調(diào)節(jié)永磁體間的距離，通過調(diào)節(jié)磁體的尺寸大小以及磁體之間的距離對磁場進(jìn)行優(yōu)化。

作為對本實(shí)施例的改進(jìn)，所述磁體模塊的底部設(shè)置有用于減少漏磁的鐵軛8。通過設(shè)置鐵軛提高了目標(biāo)區(qū)域1的場強(qiáng)和均勻度，在目標(biāo)區(qū)域形成了均勻的靜態(tài)磁場。

作為對本實(shí)施例的改進(jìn)，所述傳感器還包括用于減少射頻線圈下方的渦流對射頻線圈影響的抗渦流板11，該渦流板位于外殼與射頻線圈之間。抗渦流板減少了渦流對射頻線圈的影響。

作為對本實(shí)施例的改進(jìn)，所述渦流板主要由上下兩層硅鋼片層9構(gòu)成；上層硅鋼片層由沿著外殼寬度方向間隔排列且其長度向外殼的長度方向延伸的若干硅鋼片構(gòu)成；下層硅鋼片層由沿著外殼長度方向間隔排列且其長度向外殼的寬度方向延伸的若干硅鋼片構(gòu)成。

作為對本實(shí)施例的改進(jìn)，所述外殼上還設(shè)置有BNC轉(zhuǎn)接頭，該BNC轉(zhuǎn)接頭與匹配電路連接，BNC轉(zhuǎn)接頭3與同軸電纜相連接。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的單邊核磁共振傳感器外殼同一個(gè)孔洞內(nèi)的磁體以及磁體間的鋁塊，鋁塊10用以調(diào)節(jié)磁體之間的距離。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的單邊核磁共振傳感器在整個(gè)傳感器上方75mm高度處的xoy面50mm×50mm范圍內(nèi)的靜態(tài)磁場分布，yoz面10mm×50mm范圍內(nèi)的磁場分布圖以及xoz面10mm×50mm范圍內(nèi)的磁場分布圖，還包括三個(gè)磁場的位置關(guān)系。

本發(fā)明還提供一種用于土壤水分測量的核磁共振方法，用CPMG脈沖序列用于對樣品進(jìn)行激勵(lì)，獲得CPMG回波信號，對獲得的回波信號進(jìn)行反拉普拉斯變換處理，得到相應(yīng)的橫向弛豫時(shí)間T₂譜分布曲線，以其中的長橫向弛豫時(shí)間波峰對應(yīng)土壤中的自由水，以其中的短橫向弛豫時(shí)間波峰對應(yīng)土壤中的束縛水，以T₂譜分布曲線所覆蓋的面積表征土壤中水分的含量。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的CPMG脈沖和回波峰值衰減曲線示意圖，由于單邊磁體主磁場不夠均勻，質(zhì)子系統(tǒng)失相很快，導(dǎo)致橫向磁化矢量衰減很快。因此在這種情況下，通常采用連續(xù)施加重聚相脈沖的方式，即在自旋回波序列的基礎(chǔ)上，在第一個(gè)180°脈沖之后每隔一個(gè)回波時(shí)間就施加一個(gè)180°脈沖，這類脈沖序列是CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脈沖序列。由于重復(fù)施加180°脈沖可以降低磁場不均勻造成的信號衰減，而且在信號的峰值處采樣到的數(shù)據(jù)不受磁場均勻性的影響。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的對測得數(shù)據(jù)進(jìn)行反拉普拉斯變換處理得到的橫向弛豫時(shí)間T2譜分布曲線的示意圖，以T2譜分布曲線所覆蓋的面積表征土壤中水分的含量，T2譜分布曲線一般存在兩個(gè)峰值分別對應(yīng)一個(gè)橫軸的長T2和一個(gè)短T2，長T2對應(yīng)的為自由水，短T2對應(yīng)的為束縛水。

最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。