专利名称：采用脉冲核磁共振测试冻土未冻水含量的系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种测试冻土未冻水含量的系统及方法。
背景技术：
冻土未冻水含量是冻土特征参量之一，此参数对于冻土区或季节冻土区众多地下 工程设计与计算等方面具有重要的作用。同时，未冻水含量是冻土物理力学性质如强度、模 量、阻尼、泊松比等变化的主导影响因子和热工计算的必需指标。因此，准觉测量未冻水含 量具有重要的现实意义和理论意义。在现有冻土未冻水含量测量术中时域反射法通过测定土层介电常数，并根据特 定环境下(土质、容重和温度等)的介电常数标定曲线，来确定土体含水量。由于土的介电 常数受土质、容重和温度等物理因素的影响，标定曲线并不通用。因此对于冻土的未冻水含 量的测量，不同的温度要建立不同的标定曲线，这使得对任意温度下冻土未冻水含量的测 量难以实现。差示扫描量热法将测得补给热量值进行一系列计算得到未冻水含量值。该方法预 先要给出与被测土样一致的热场分布，即量热基线。而对于随机土样来说，确定量热基线是 很难实现的。目前应用该方法对冻土未冻水含量的测量也只是基于已知量热基线的基础上 进行的。冻结温度法测量未冻水含量虽然仪器设备简单，但其只适用于扰动乳土和砂性 土，并且需要事前测得土的塑限含水量和液限含水量，致使测量误差累计，影响测量精度。可见，上述冻土未冻水含量的测量方法只适用于特定的温度、热场或特定种类的 冻土，使得对冻土未冻水含量的测量工作收到很大限制。同时，以往的测量技术只是借助于 相关设备对土体的某些物力特性或化学特性进行测量，再通过其他设备或方法将测量信息 换算为冻土未冻水含量，测量过程受认为因素影响较大，使得测量精度和效率不高。脉冲核磁共振法测定氢核在磁场中的自由感应衰减，根据信号强度与液态水的比 例关系计算出未冻水含量。该方法由于其测试精度较高、测试速度快等优点以被众多研究 机构采用。但是，该测量方法也存在一些弊端测量过程过于繁琐，操作人员需要有较高的 电磁学理论基础，不易于操作；对多温度，多种压力工况下，需要制备多个试件，使其暴漏在 常温下，影响了测量精度。
发明内容
本发明为了解决目前冻土未冻水含量测试时测量过程繁琐、操作人员需要有较高 的电磁学理论基础、不易于操作；对于多温度，多种压力工况下，需要制备多个试件，使其暴 露在常温下影响测量精度的问题，提供了一种采用脉冲核磁共振测试冻土未冻水含量的系 统及方法。本发明解决上述技术问题采取的技术方案是系统方案系统包括频率合成器、 前置放大器、脉冲产生器和操控与显示平台，所述系统还包括射频探头、永久磁体N极、磁体S极、屏蔽框、制冷管线和恒温控制箱，射频探头、永久磁体N极和磁体S极均设在屏蔽框 内，射频探头由土壤测试管、陶瓷管和脉冲感应线圈构成，恒温控制箱由氮气罐、压力控制 阀、压缩机、温度控制阀、温度传感器和压力传感器构成，土壤测试管装在陶瓷管内，温度传 感器的一端设在土壤测试管内，温度传感器的温度信号输出端连接温度控制阀的温度信号 输入端，温度控制阀驱动压缩机运转，操控与显示平台的温度控制信号输出端连接温度控 制阀的温度控制信号输入端；压力传感器的一端设在陶瓷管内，压力传感器的压力信号输出端连接压力控制阀 的压力信号输入端，操控与显示平台的压力控制信号输出端连接压力控制阀的压力控制信 号输入端，陶瓷管的顶部设有氮气输入口和氮气输出口，氮气输入口和氮气输出口均与氮 气罐的输出端连通，压力控制阀设在氮气罐的输出端上；脉冲产生器的射频脉冲信号输出端连接前置放大器的射频脉冲信号输入端，前置 放大器的同步脉冲信号输出端连接操控与显示平台的示波器的同步脉冲信号输入端；陶瓷管的外部设有脉冲感应线圈，脉冲感应线圈设在永久磁体N极和磁体S极之 间，脉冲感应线圈的一端连接前置放大器的磁化强度自由衰减信号输入端，前置放大器将 磁化强度自由衰减信号放大400倍后传送至频率合成器的放大信号输入端，频率合成器的 放大信号输出端连接操控与显示平台的ARMll单片机芯片；方法方案方法包括以下步骤步骤一、操控与显示平台输出压力控制信号到压力控制阀的压力控制信号输入 端，压力控制阀控制氮气罐内氮气的输出量，操控与显示平台输出温度控制信号到温度控 制阀的温度控制信号输入端，温度控制阀驱动压缩机的转速，输入试件拟达到温度和压力 环境；步骤二、温度传感器和压力传感器实时监测试件温度和陶瓷管内压力并将数据发 送至温度控制阀和压力控制阀；步骤三、温度控制阀根据温度传感器监测试件的温度信息控制压缩机的转速，保 持陶瓷管内温度恒定；压力控制阀根据压力传感器监测陶瓷管内压力信息控制氮气流量， 保持陶瓷管内压力恒定；步骤四、当试件温度和陶瓷管内的压力满足拟达到的要求时，脉冲产生器产生射 频脉冲，传送至前置放大器，前置放大器将同步脉冲信号发送至操控与显示平台的示波 器；步骤五、前置放大器接受到脉冲信号后将大功率射频脉冲加至射频探头的脉冲感 应线圈，作用于陶瓷管范围内；当脉冲结束后，前置放大器调整输入输出开关为输入状态，关闭脉冲通道，打开 信号通道将来自射频探头的脉冲感应线圈的磁化强度自由衰减信号放大400倍后传送至 频率合成器，频率合成器通过混频对磁化强度自由衰减信号进行带通滤波，将频率降低至 100Hz-20kHz的磁化强度自由衰减信号传至操控与显示平台的ARMll单片机芯片；步骤六、操控与显示平台根据磁化强度自由衰减信号强度计算出未冻水含量，计 算过程是这样实现的采用Guass曲线ys = AsX exp (_xs2/2Ts2)对固态水磁化强度自由衰减信号进行最 小二乘拟合，得到K,式中As和Xs为待定系数，As代表固态水磁场强度，ys为固态水自由衰减信号采样点的磁化强度，Ts代表固态水磁化强度自由衰减信号弛豫时间采样点，从0 μ S 至Ij 30 μ s ；采用Guass曲线yb = AbXexp (-xb2/2Tb2)对结合水磁化强度自由衰减信号进行最 小二乘拟合，得到Ab，式中Ab，xb为待定系数，Ab代表结合水磁场强度，yb为结合水自由衰减 信号采样点的磁化强度，Tb代表结合水磁化强度自由衰减信号弛豫时间采样点，从30 μ s到 200 μ s ；采用Lorenz曲线yf = AfXexp (_xf/Tf)对自由水磁化强度自由衰减信号进行最小 二乘拟合，得到Af，式中Af和Xf为待定系数，Af代表自由水磁场强度，yf为自由水自由衰减 信号采样点的磁化强度，Tf表自由水磁化强度自由衰减信号弛豫时间采样点，从200 μ s到 1000 μ S ；从而得到的是固态水与结合水的磁场强度比值为As/Ab、结合水与自由水的磁场强 度比值为Ab/Af和固态水与自由水的磁场强度比值为As/Af，即得到固态水、结合水和自由水 三者的相对含量关系；由公式Wu = (Af+Ab) X (ff0/As+Af+Ab)计算得到未冻水水量，其中Wu为未冻水含量， W0为土壤含水量。本发明具有以下有益效果1.本发明系统可应用于任意温度、热场下和任意土种 的冻土未冻水含量测量中，并实现整个测量过程和多个测量工况的集成，即不需置换试件 条件下获得多工况结果，系统输出为直观的冻土未冻水含量，提高测量效率。2.本发明测试 方法中样品可直接测量，无需任何处理；分析迅速(在数秒至数分钟内完成)，不要求操作 人员具有铰高的电磁学理论基础；测试时无需取出试件，便可以改变试件温度；可对任意 温度及压力下的土体进行测量，样品分析无损无伤，可进行重复测量；结果准确可靠；工程 高度集成，操作简单，稳定性好；环保、无毒、无副作用，不需溶剂和化学试剂。
图1是本发明整体结构主视图，图2是图1的A点放大图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1说明本实施方式，本实施方式的系统包括频率合成器 4、前置放大器5、脉冲产生器6和操控与显示平台8，其特征在于所述系统还包括射频探头 1、永久磁体N极2、磁体S极3、屏蔽框7、制冷管线20和恒温控制箱，射频探头1、永久磁体 N极2和磁体S极3均设在屏蔽框7内，射频探头1由土壤测试管15、陶瓷管16和脉冲感 应线圈17构成，恒温控制箱由氮气罐9、压力控制阀10、压缩机11、温度控制阀12、温度传 感器13和压力传感器14构成，土壤测试管15装在陶瓷管16内，温度传感器13的一端设 在土壤测试管15内，温度传感器13的温度信号输出端连接温度控制阀12的温度信号输入 端，温度控制阀12驱动压缩机11运转，操控与显示平台8的温度控制信号输出端连接温度 控制阀12的温度控制信号输入端；压力传感器14的一端设在陶瓷管16内，压力传感器14的压力信号输出端连接压 力控制阀10的压力信号输入端，操控与显示平台8的压力控制信号输出端连接压力控制阀 10的压力控制信号输入端，陶瓷管16的顶部设有氮气输入口 18和氮气输出口 19，氮气输入口 18和氮气输出口 19均与氮气罐9的输出端连通，压力控制阀10设在氮气罐9的输出 端上；脉冲产生器6的射频脉冲信号输出端连接前置放大器5的射频脉冲信号输入端， 前置放大器5的同步脉冲信号输出端连接操控与显示平台8的示波器的同步脉冲信号输入 端；陶瓷管16的外部设有脉冲感应线圈17，脉冲感应线圈17设在永久磁体N极2和 磁体S极3之间，脉冲感应线圈17的一端连接前置放大器5的磁化强度自由衰减信号输入 端，前置放大器5将磁化强度自由衰减信号放大400倍后传送至频率合成器4的放大信号 输入端，频率合成器4的放大信号输出端连接操控与显示平台8的ARMll单片机芯片。
具体实施方式
二 结合图1说明本实施方式，本实施方式的陶瓷管16下部设有制 冷管线，此结构用于对陶瓷管内的试件制冷。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图1说明本实施方式，本实施方式的系统还包括固定塞21， 固定塞21套在陶瓷管16的上部，陶瓷管16通过固定塞21固定在脉冲感应线圈17内，此 结构测试时固定好。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四结合图1说明本实施方式，本实施方式的方法包括以下步骤步骤一、操控与显示平台8输出压力控制信号到压力控制阀10的压力控制信号输 入端，压力控制阀10控制氮气罐9内氮气的输出量，操控与显示平台8输出温度控制信号 到温度控制阀12的温度控制信号输入端，温度控制阀10驱动压缩机11的转速，输入试件 拟达到温度和压力环境；步骤二、温度传感器13和压力传感器14实时监测试件温度和陶瓷管16内压力并 将数据发送至温度控制阀12和压力控制阀10 ；步骤三、温度控制阀12根据温度传感器13监测试件的温度信息控制压缩机11的 转速，保持陶瓷管16内温度恒定；压力控制阀10根据压力传感器14监测陶瓷管16内压力 信息控制氮气流量，保持陶瓷管16内压力恒定；步骤四、当试件温度和陶瓷管16内的压力满足拟达到的要求时，脉冲产生器6产 生射频脉冲，传送至前置放大器5，前置放大器5将同步脉冲信号发送至操控与显示平台8 的示波器；步骤五、前置放大器5接受到脉冲信号后将大功率射频脉冲加至射频探头1的脉 冲感应线圈17，作用于陶瓷管16范围内；当脉冲结束后，前置放大器5调整输入输出开关为输入状态，关闭脉冲通道，打开 信号通道将来自射频探头1的脉冲感应线圈17的磁化强度自由衰减信号放大400倍后传 送至频率合成器4，频率合成器4通过混频对磁化强度自由衰减信号进行带通滤波，将频率 降低至100Hz-20kHz的磁化强度自由衰减信号传至操控与显示平台8的ARMll单片机芯 片；步骤六、操控与显示平台8根据磁化强度自由衰减信号强度计算出未冻水含量， 计算过程是这样实现的采用Guass曲线ys = AsXexp (-xs2/2Ts2)对固态水磁化强度自由衰减信号进行最 小二乘拟合，得到K,式中As和Xs为待定系数，As代表固态水磁场强度，ys为固态水自由衰 减信号采样点的磁化强度，Ts代表固态水磁化强度自由衰减信号弛豫时间采样点，从0 μ s到 30 μ S ；最小二乘拟合过程如下它是一种数学上的近似和优化，利用已知的数据得出一条直线或者曲线，使之在 坐标系上与已知数据之间的距离的平方和最小。Guass曲线拟合的过程此处下边的公式角标应和前面对应。Guass曲线形式如下
权利要求
1.一种采用脉冲核磁共振测试冻土未冻水含量的系统，所述系统包括频率合成器 (4)、前置放大器(5)、脉冲产生器(6)和操控与显示平台(8)，其特征在于所述系统还包括 射频探头(1)、永久磁体N极(2)、磁体S极(3)、屏蔽框(7)、制冷管线(20)和恒温控制箱， 射频探头(1)、永久磁体N极(2)和磁体S极(3)均设在屏蔽框(7)内，射频探头(1)由土 壤测试管(15)、陶瓷管(16)和脉冲感应线圈(17)构成，恒温控制箱由氮气罐(9)、压力控 制阀(10)、压缩机(11)、温度控制阀(12)、温度传感器(13)和压力传感器(14)构成，土壤 测试管(15)装在陶瓷管(16)内，温度传感器(13)的一端设在土壤测试管(15)内，温度传 感器(13)的温度信号输出端连接温度控制阀(12)的温度信号输入端，温度控制阀(12)驱 动压缩机(11)运转，操控与显示平台(8)的温度控制信号输出端连接温度控制阀(12)的 温度控制信号输入端；压力传感器(14)的一端设在陶瓷管(16)内，压力传感器(14)的压力信号输出端连接 压力控制阀(10)的压力信号输入端，操控与显示平台(8)的压力控制信号输出端连接压力 控制阀(10)的压力控制信号输入端，陶瓷管(16)的顶部设有氮气输入口(18)和氮气输出 口(19)，氮气输入口(18)和氮气输出口(19)均与氮气罐(9)的输出端连通，压力控制阀 (10)设在氮气罐(9)的输出端上；脉冲产生器(6)的射频脉冲信号输出端连接前置放大器(5)的射频脉冲信号输入端， 前置放大器(5)的同步脉冲信号输出端连接操控与显示平台(8)的示波器的同步脉冲信号 输入端；陶瓷管(16)的外部设有脉冲感应线圈(17)，脉冲感应线圈(17)设在永久磁体N极(2) 和磁体S极(3)之间，脉冲感应线圈(17)的一端连接前置放大器(5)的磁化强度自由衰减 信号输入端，前置放大器(5)将磁化强度自由衰减信号放大400倍后传送至频率合成器(4) 的放大信号输入端，频率合成器(4)的放大信号输出端连接操控与显示平台(8)的ARMll 单片机芯片。
2.根据权利要求1所述采用脉冲核磁共振测试冻土未冻水含量的系统，其特征在于陶 瓷管(16)下部设有制冷管线。
3.根据权利要求1所述采用脉冲核磁共振测试冻土未冻水含量的系统，其特征在于所 述系统还包括固定塞(21)，固定塞(21)套在陶瓷管(16)的上部，陶瓷管(16)通过固定塞 (21)固定在脉冲感应线圈(17)内。
4.利用权利要求1中所述系统测试方法，其特征在于所述方法包括以下步骤 步骤一、操控与显示平台(8)输出压力控制信号到压力控制阀(10)的压力控制信号输入端，压力控制阀(10)控制氮气罐(9)内氮气的输出量，操控与显示平台(8)输出温度控 制信号到温度控制阀(12)的温度控制信号输入端，温度控制阀(10)驱动压缩机(11)的转 速，输入试件拟达到温度和压力环境；步骤二、温度传感器(13)和压力传感器(14)实时监测试件温度和陶瓷管(16)内压力 并将数据发送至温度控制阀(12)和压力控制阀(10)；步骤三、温度控制阀(12)根据温度传感器(13)监测试件的温度信息控制压缩机(11) 的转速，保持陶瓷管(16)内温度恒定；压力控制阀(10)根据压力传感器(14)监测陶瓷管 (16)内压力信息控制氮气流量，保持陶瓷管(16)内压力恒定；步骤四、当试件温度和陶瓷管(16)内的压力满足拟达到的要求时，脉冲产生器(6)产生射频脉冲，传送至前置放大器(5)，前置放大器(5)将同步脉冲信号发送至操控与显示平 台(8)的示波器；步骤五、前置放大器(5)接受到脉冲信号后将大功率射频脉冲加至射频探头(1)的脉 冲感应线圈(17)，作用于陶瓷管(16)范围内；当脉冲结束后，前置放大器(5)调整输入输出开关为输入状态，关闭脉冲通道，打开信 号通道将来自射频探头(1)的脉冲感应线圈17的磁化强度自由衰减信号放大400倍后传 送至频率合成器4，频率合成器4通过混频对磁化强度自由衰减信号进行带通滤波，将频率 降低至100Hz-20kHz的磁化强度自由衰减信号传至操控与显示平台(8)的ARMll单片机芯 片；步骤六、操控与显示平台(8)根据磁化强度自由衰减信号强度计算出未冻水含量，计 算过程是这样实现的采用Guass曲线ys = AsXexp (_xs2/2Ts2)对固态水磁化强度自由衰减信号进行最小二 乘拟合，得到As，式中As和Xs为待定系数，As代表固态水磁场强度，ys为固态水自由衰减 信号采样点的磁化强度，Ts代表固态水磁化强度自由衰减信号弛豫时间采样点，从0 μ s到 30μ s ；采用Guass曲线yb = AbXexp (-xb2/2Tb2)对结合水磁化强度自由衰减信号进行最小二 乘拟合，得到Ab，式中Ab，xb为待定系数，Ab代表结合水磁场强度，yb为结合水自由衰减信号 采样点的磁化强度，Tb代表结合水磁化强度自由衰减信号弛豫时间采样点，采用Lorenz曲线yf = Af Xexp (-Xf/Tf)对自由水磁化强度自由衰减信号进行最小二 乘拟合，得到Af，式中Af和Xf为待定系数，Af代表自由水磁场强度，yf为自由水自由衰减 信号采样点的磁化强度，Tf表自由水磁化强度自由衰减信号弛豫时间采样点，从200 μ s到 1000 μ S ；从而得到的是固态水与结合水的磁场强度比值为As/Ab、结合水与自由水的的磁场强度 比值为Ab/Af和固态水与自由水的磁场强度比值为As/Af，即得到固态水、结合水和自由水三 者的相对含量关系；由公式Wu = (Af+AbX (ff0/As+Af+Ab)计算得到未冻水水量，其中Wu为未冻水含量，W0为 土壤含水量。
全文摘要
一种采用脉冲核磁共振测试冻土未冻水含量的系统及方法，它涉及一种测试冻土未冻水含量的系统及方法。针对目前冻土未冻水含量测试时测量过程繁琐、操作人员需要有较高的电磁学理论基础、不易于操作；对于多温度，多种压力工况下，需要制备多个试件，使其暴露在常温下影响测量精度的问题。系统方案土壤测试管装在陶瓷管内，温度传感器的温度信号输入端设在土壤测试管内，温度传感器的温度信号输出端连接温度控制阀的温度信号输入端；方法方案对磁化强度自由衰减信号进行拟合时规定出固态水、结合水、自由水在衰减过程中不同的弛豫时间，就可以得到该弛豫时间磁化强度自由衰减信号所对应的磁场强度值。本发明测试冻土未冻水含量。
文档编号G01N24/08GK102004115SQ201010584539
公开日2011年4月6日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者汤爱平, 王连发, 董鉴峰 申请人:哈尔滨工业大学