用于土壤水分测量的单边核磁共振传感器及核磁共振方法与流程

本发明涉及一种用于无损测量浅表土壤水分测量装置及单边核磁共振方法。

背景技术：

目前，我国面临土壤资源紧张、生态环境污染严重、农业用水资源相对缺乏等重大挑战。土壤水分是影响农作物生长的重要因素，而且其含量和存在形态又是土壤中诸多化学、物理和生物学过程的控制因素。因此，就农业及环境保护而言，土壤水分检测的重要意义如下：(1)及时准确地进行土壤水分检测，对于评估干旱和湿害程度，优化利用有限的水资源，保证农作物产量具有重要意义；(2)土壤贮水量和土壤水分运动特性影响其中化学物质的运动和转化(比如土壤养分的传输)，对正确评估化肥的吸收效果，精确计算化肥使用量，进而对环境保护具有重要意义；(3)土壤水分特别是土壤水分含量及水分子运动特性对植物种子的萌芽、根系的生长和养分的吸收至关重要。

国内外检测浅表土壤水分的方法主要有以下几大类：土壤外观触摸法、烘干称重法、张力测定法、中子扩散法、时域反射法、频域反射法、驻波率法、核磁共振法等。其中外观触摸法比较主观，需要一定的经验积累；烘干称重法是目前公认的最为精确、经典的方法，但是耗时较长，无法对同一处的土壤实现无损测量；张力测定法的测量范围受土质影响较大且测量速度不够快；中子扩散法难以测量浅表土壤的水分含量，价格昂贵且易造成辐射危害；时域反射法测量时易受温度、容重、土质的影响，不能测量远距离土壤的水分含量；频域反射法受含有粉粒、沙粒和粘粒的土壤的影响较大；驻波率法易受土壤盐分影响，测量精度也不够高；传统的核磁共振方法多为封闭式测量方式，不适用于野外现场测量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于土壤水分测量的单边核磁共振传感器及核磁共振方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的，一种用于土壤水分测量的单边核磁共振传感器，包括外壳4，还包括设置于外壳内的磁体模块和设置于外壳体上表面的射频线圈2，所述磁体模块用于产生静态主磁场B₀；射频线圈用于产生与静态主磁场B₀垂直的射频磁场B₁，实现对土壤样品的激励以及接收样品产生的回波信号。

进一步，所述磁体模块包括左右两个沿外壳长度方向间隔设置的子磁体模块，两个子磁体模块通过匹配电路6连接；左侧子磁体模块的磁化方向与右侧子磁体模块的磁化方向相反；所述子磁体模块包括四个磁体单元7，四个磁体单元呈田字排列，所述磁体单元包括两个沿外壳宽度方向间隔设置的永磁体，两永磁体的间距可调。

进一步，所述磁体模块的底部设置有用于减少漏磁的铁轭8。

进一步，所述传感器还包括用于减少射频线圈下方的涡流对射频线圈影响的抗涡流板11，该涡流板位于外壳与射频线圈之间。

进一步，所述涡流板主要由上下两层硅钢片层构成；上层硅钢片层由沿着外壳宽度方向间隔排列且其长度向外壳的长度方向延伸的若干硅钢片构成；下层硅钢片层由沿着外壳长度方向间隔排列且其长度向外壳的宽度方向延伸的若干硅钢片构成。

进一步，所述外壳上还设置有BNC转接头，该BNC转接头与匹配电路连接。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，一种用于土壤水分测量的核磁共振方法，用CPMG脉冲序列对样品进行激励，获得CPMG回波信号，对获得的回波信号进行反拉普拉斯变换处理，得到相应的横向弛豫时间T₂谱分布曲线，以其中的长横向弛豫时间波峰对应土壤中的自由水，以其中的短横向弛豫时间波峰对应土壤中的束缚水，以T₂谱分布曲线所覆盖的面积表征土壤中水分的含量。

采用核磁共振方法分析土壤水分较上述方法具有明显的优势，主要体现在以下几个方面：

(1)核磁共振技术直接激励土壤水分中的氢质子，并检测其在弛豫过程中释放的电磁回波，所以核磁共振技术不会受土壤盐分的影响，单次测量时间短，不会损坏试样；

(2)通过分析土壤水分的横向弛豫时间T2分布，可以得到土壤水分存在状态的准确信息，定量区分自由水和结合水；

(3)在梯度磁场中，核磁共振技术可以测量土壤水分的扩散系数；

(4)核磁共振方法的射频信号频率在kHz-MHz的量级，不存在辐射危险。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1(a)是本发明实施例提供的单边核磁共振传感器的整体示意图，图1(b)(c)是传感器的内部结构示意图，图1(d)是分上下两层摆放的硅钢片，硅钢片竖直紧密排列，上下层摆放方向相互垂直；

图2是本发明实施例提供的单边核磁共振传感器同一个孔洞内的磁体以及磁体间的铝块；

图3是本发明实施例提供的单边核磁共振传感器在整个传感器上方75mm高度处的xoy面50mm×50mm范围内的静态磁场分布，yoz面10mm×50mm范围内的磁场分布图以及xoz面10mm×50mm范围内的磁场分布图，还包括三个磁场的位置关系；

图4是本发明实施例提供的CPMG脉冲和回波峰值衰减曲线示意图；

图5是本发明实施例提供的对测得数据进行反拉普拉斯变换处理得到的横向弛豫时间T2谱分布曲线的示意图，以T2谱分布曲线所覆盖的面积表征土壤中水分的含量，T2谱分布曲线一般存在两个峰值分别对应一个横轴的长T2和一个短T2，长T2对应的为自由水，短T2对应的为束缚水；

其中，在图1中，1是目标区域，2是射频线圈，3是BNC转接头，4外壳，6是匹配电路，7是磁体，8是铁轭，9是上下两层硅钢片层，10是铝块。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1是本发明实施例提供的单边核磁共振传感器的整体示意图以及内部的结构图，图2是本发明实施例提供的单边核磁共振传感器同一个孔洞内的磁体以及磁体间的铝块，图3是本发明实施例提供的单边核磁共振传感器在目标区域内磁场的分布图以及三个磁场分布的位置关系，图4是本发明实施例提供的CPMG脉冲和回波峰值衰减曲线示意图，图5是本发明实施例提供的对测得数据进行反拉普拉斯变换处理得到的横向弛豫时间T2谱分布曲线的示意图。

参照图1中的(a)(b)(c)(d)，本发明提出了一种用于土壤水分测量的单边核磁共振传感器，包括外壳4，还包括设置于外壳内的磁体模块和设置于外壳体上表面的射频线圈2，所述磁体模块用于产生静态主磁场B₀；射频线圈用于产生与静态主磁场B₀垂直的射频磁场B₁，实现对土壤样品的激励以及接收样品产生的回波信号。

作为对本实施例的改进，所述磁体模块包括左右两个沿外壳长度方向间隔设置的子磁体模块，两个子磁体模块通过匹配电路6连接；左侧子磁体模块的磁化方向与右侧子磁体模块的磁化方向相反；所述子磁体模块包括四个磁体单元7，四个磁体单元呈田字排列，所述磁体单元包括两个沿外壳宽度方向间隔设置的永磁体，两永磁体的间距可调。可在两永磁体之间设置铝块来调节永磁体间的距离，通过调节磁体的尺寸大小以及磁体之间的距离对磁场进行优化。

作为对本实施例的改进，所述磁体模块的底部设置有用于减少漏磁的铁轭8。通过设置铁轭提高了目标区域1的场强和均匀度，在目标区域形成了均匀的静态磁场。

作为对本实施例的改进，所述传感器还包括用于减少射频线圈下方的涡流对射频线圈影响的抗涡流板11，该涡流板位于外壳与射频线圈之间。抗涡流板减少了涡流对射频线圈的影响。

作为对本实施例的改进，所述涡流板主要由上下两层硅钢片层9构成；上层硅钢片层由沿着外壳宽度方向间隔排列且其长度向外壳的长度方向延伸的若干硅钢片构成；下层硅钢片层由沿着外壳长度方向间隔排列且其长度向外壳的宽度方向延伸的若干硅钢片构成。

作为对本实施例的改进，所述外壳上还设置有BNC转接头，该BNC转接头与匹配电路连接，BNC转接头3与同轴电缆相连接。

图2是本发明实施例提供的单边核磁共振传感器外壳同一个孔洞内的磁体以及磁体间的铝块，铝块10用以调节磁体之间的距离。

图3是本发明实施例提供的单边核磁共振传感器在整个传感器上方75mm高度处的xoy面50mm×50mm范围内的静态磁场分布，yoz面10mm×50mm范围内的磁场分布图以及xoz面10mm×50mm范围内的磁场分布图，还包括三个磁场的位置关系。

本发明还提供一种用于土壤水分测量的核磁共振方法，用CPMG脉冲序列用于对样品进行激励，获得CPMG回波信号，对获得的回波信号进行反拉普拉斯变换处理，得到相应的横向弛豫时间T₂谱分布曲线，以其中的长横向弛豫时间波峰对应土壤中的自由水，以其中的短横向弛豫时间波峰对应土壤中的束缚水，以T₂谱分布曲线所覆盖的面积表征土壤中水分的含量。

图4是本发明实施例提供的CPMG脉冲和回波峰值衰减曲线示意图，由于单边磁体主磁场不够均匀，质子系统失相很快，导致横向磁化矢量衰减很快。因此在这种情况下，通常采用连续施加重聚相脉冲的方式，即在自旋回波序列的基础上，在第一个180°脉冲之后每隔一个回波时间就施加一个180°脉冲，这类脉冲序列是CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脉冲序列。由于重复施加180°脉冲可以降低磁场不均匀造成的信号衰减，而且在信号的峰值处采样到的数据不受磁场均匀性的影响。

图5是本发明实施例提供的对测得数据进行反拉普拉斯变换处理得到的横向弛豫时间T2谱分布曲线的示意图，以T2谱分布曲线所覆盖的面积表征土壤中水分的含量，T2谱分布曲线一般存在两个峰值分别对应一个横轴的长T2和一个短T2，长T2对应的为自由水，短T2对应的为束缚水。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。