在线核磁共振探测装置、系统和方法与流程

本发明涉及核磁共振技术，具体涉及一种在线核磁共振探测装置、系统和方法。

背景技术：

含氢物质是含有氢原子的一类物质，比如烷烃、烯烃、炔烃、环烃及芳香烃等碳氢化合物(或称为“烃类化合物”)，脂肪类化合物、水以及原油等。

目前，对于含氢物质的检测，多数采用化学法，但是往往会对含氢样品的结构造成破坏，无法保证含氢样品的完整性。比如对于食品中脂肪进行测定常采用索氏抽提法，需采用无水乙醚或石油醚等溶剂抽提待检测的样品，然后将溶剂蒸发或获得粗脂肪。该粗脂肪中不仅含有脂肪，还含有色素、具有挥发性的油、蜡、树脂等物质。因此对于脂肪类化合物的测定，不仅需要破坏食品，而且检测的流程较为复杂，需要较长时间，无法满足快速、高效、在线实时的需求。此外，化学法还容易造成检测结果不准确。

核磁共振检测技术是利用核磁共振原理探测氢原子的技术。通过探测被测物内氢原子的含量和赋存状态，能够准确获得被测物内各种成分的信息。因此，期待开发一种基于核磁共振技术的无损检测方法，并满足快速、高效、实时的检测需求。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种在线核磁共振探测装置，能够实现含氢样品的无损、高效、实时检测。

本发明提供一种在线核磁共振探测系统，包括上述在线核磁共振探测装置，能够无损、高效、实时地检测含氢样品。

本发明还提供一种在线核磁共振探测方法，使用前述在线核磁共振探测装置进行。

为实现上述目的，本发明提供一种在线核磁共振探测装置，包括：

主磁体，用于在检测区域内产生静磁场，以对处于检测区域内的含氢样品的氢原子进行极化；

聚焦磁体，设置在静磁场内，以增强静磁场并使静磁场更加均匀；

射频天线，用于在检测区域内产生射频磁场，以激发被极化后的氢原子产生核磁共振；该射频天线还用于接收核磁共振的回波信号。

进一步的，主磁体包括基座以及分别垂直设置在基座上的第一主磁体和第二主磁体，其中：第一主磁体的s极远离基座、n极朝向基座设置；第二主磁体的n极远离基座、s极朝向基座设置。也就是，第一主磁体的s极即为主磁体的s极，第二主磁体的n极即为主磁体的n极。

进一步的，聚焦磁体设置在第一主磁体和第二主磁体之间，聚焦磁体包括第一聚焦磁体和第二聚焦磁体，其中：第一聚焦磁体靠近第一主磁体，且第一聚焦磁体的s极远离基座，n极靠近基座；第二聚焦磁体靠近第二主磁体，且第二聚焦磁体的n极远离基座，s极靠近基座。

进一步的，第一聚焦磁体与第一主磁体之间的夹角为0～15°，第二聚焦磁体与第二主磁体之间的夹角为0～15°。

进一步的，射频天线包括两个天线，每一天线包括u型线圈和矩形线圈，且矩形线圈被所述u型线圈所围绕；两个天线呈对称设置，使两个u型线圈的开口相背。

进一步的，射频磁场的场强大于静磁场的场强。

进一步的，前述在线核磁共振探测装置还包括匀场磁体，匀场磁体设置在第一主磁体和第二主磁体之间，且匀场磁体的s极朝向第一主磁体，匀场磁体的n极朝向第二主磁体。

本发明提供一种在线核磁共振探测系统，包括磁屏蔽外壳、送样机构以及前述的在线核磁共振探测装置，其中：在线核磁共振探测装置容纳在磁屏蔽外壳内；送样机构包括传送带和驱动机构，驱动机构用于驱动传送带传送含氢样品，以使该含氢样品能够经过检测区域。

进一步的，传送带的传送速度为0～0.4m/s。

本发明还提供一种在线核磁共振探测方法，采用前述的在线核磁共振探测装置进行，包括：将含氢样品置于检测区域内，使主磁体和聚焦磁体对含氢样品的氢原子进行极化，使射频天线激发被极化后的氢原子并产生核磁共振，并采用射频天线接收核磁共振的回波信号。

本发明提供的在线核磁共振探测装置，利用核磁共振技术，通过采用主磁体产生静磁场以对含氢样品的氢原子进行极化，通过聚焦磁体增强静磁场并使静磁场更加均匀，通过射频天线产生射频磁场而激发被极化后的氢原子产生核磁共振并接受核磁共振的回波信号，从而能够对含氢样品进行检测。与现有采用化学法等手段测量含氢物质的方式相比，采用本发明提供的在线核磁共振探测装置，将含氢样品置于检测区域内即可进行检测并获得检测结果，不仅提高了检测的便捷性、缩短了检测时间、简化了检测步骤、提高了检测效率；而且由于无需预先对含氢样品进行化学或物理处理，因此不会对含氢样品造成破坏，实现了无损检测。

本发明提供的在线核磁共振探测系统，包括上述在线核磁共振探测装置，同样能够实现含氢样品准确、便捷、实时、无损检测。

本发明提供的在线核磁共振探测方法，采用上述在线核磁共振探测装置对含氢样品进行检测，同样具有检测准确、便捷、高速、无损的优势。

附图说明

通过参照附图的以下详细描述，本发明实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将以示例以及非限制性的方式对本发明的多个实施例进行说明，其中：

图1为本发明实施例提供的在线核磁共振探测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的在线核磁共振探测装置中射频天线的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的在线核磁共振探测系统的主视图；

图4为本发明实施例提供的在线核磁共振探测系统的侧视图；

图5为本发明实施例提供的在线核磁共振探测系统的俯视图。

附图标记说明：

100-线核磁共振探测装置；110-主磁体；

111-基座；112-第一主磁体；

113-第二主磁体；120-检测区域；

130-聚焦磁体；131-第一聚焦磁体；

132-第二聚焦磁体；140-射频天线；

141-u形线圈；142-矩形线圈；

150-匀场磁体；200-磁屏蔽外壳；

210-样品入口；220-样品出口；

310-传送带；320-驱动机构；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种在线核磁共振探测装置100，包括：

主磁体110，用于在检测区域120(或称为敏感区域)内产生静磁场b0，以对处于检测区域120内的含氢样品的氢原子进行极化；

聚焦磁体130，设置在静磁场b0内，以增强静磁场b0并使静磁场b0更加均匀；

射频天线140，用于在检测区域120内产生射频磁场b1，以激发被极化后的氢原子产生核磁共振；射频天线140还用于接收核磁共振的回波信号。

所谓“含氢样品”指的是包含氢元素的样品，比如富含氢原子的化合物样品。常见的富含氢原子的化合物诸如脂肪类化合物、烃类化合物、原油等流体物质、水等。本实施例在此不做特别限定。

均匀的静磁场b0是使含氢样品发生核磁共振的必要条件之一，根据拉莫尔公式，主磁体110的磁场强度决定了核磁共振系统的共振频率，而磁场均匀度直接影响核磁共振信号的质量，所以主磁体110是在线核磁共振探测装置100的重要组成，应具有体积小、磁场均匀度高等特点，因此主磁体110最好采用温度稳定性好的高质量磁性材料制造。

本实施例中，所用的主磁体110具体可以呈u型，以利于在检测区域120内产生较为均匀的静磁场b0，以对处于检测区域120内的含氢样品进行极化，使含氢样品中的氢原子在静磁场b0的作用下转动至同一方向，且该方向与静磁场b0的方向完全一致或基本一致。

请进一步参考图1，主磁体110包括基座111以及分别垂直设置在基座111上的第一主磁体112和第二主磁体113，其中：

第一主磁体112的s极远离基座111、n极朝向基座111设置；

第二主磁体113的n极远离基座111、s极朝向基座111设置。

上述由基座111、第一主磁体112和第二主磁体113共同构成的主磁体110大致呈u型，且第一主磁体112的s极作为主磁体110的s极，第二主磁体113的n极作为主磁体110的n极。该主磁体110能够在检测区域120内产生较为均匀的静磁场b0，使含氢样品中的氢原子在静磁场b0的作用下转动至与静磁场b0的方向完全一致或基本一致的方向。

在具体实施过程中，基座111可以为铁质，第一主磁体112和第二主磁体113可以均为条形磁铁，比如呈长方体，且第一主磁体112和第二主磁体113的规格相同。

单纯依靠主磁体110所建立的静磁场b0，在主磁体110激励的检测区域120的边界上往往不均匀，而且所有磁性材料在不同温度或者环境中会逐渐发生退磁现象，而聚焦磁体130的作用在于通过磁场叠加而增强静磁场b0并使静磁场b0更加均匀。

聚焦磁体130一般可设置在第一主磁体112和第二主磁体113之间，即聚焦磁体130可设置在由基座111、第一主磁体112和第二主磁体113共同围成的区域中。优选的，聚焦磁体130可以包括第一聚焦磁体131和第二聚焦磁体132，其中：

第一聚焦磁体131靠近第一主磁体112，且第一聚焦磁体131的s极远离基座111，n极靠近或者说朝向基座111；

第二聚焦磁体132靠近第二主磁体113，且第二聚焦磁体132的n极远离基座111，s极靠近或者说朝向基座111。

因此，采用上述结构的聚焦磁体130，能够增强静磁场b0并使主磁体110所建立的静磁场b0更加均匀。

请进一步参考图1，第一聚焦磁体131和第二聚焦磁体132均可以为条形磁铁，比如呈长方体。并且，第一聚焦磁体131和第二聚焦磁体132可以为规格相同的条形磁铁。

请进一步参考图1，第一聚焦磁体131可以平行于第一主磁体112，或者第一聚焦磁体131与第一主磁体112之间具有一定的夹角；第二聚焦磁体132也可以平行于第二主磁体113，或者第二聚焦磁体132与第二主磁体113之间具有一定的夹角。通过控制第一聚焦磁体131与第一主磁体112之间的夹角，以及第二聚焦磁体132与第二主磁体113之间的夹角，能够增强检测区域120中静磁场b0的强度，同时确保敏感区域中静磁场b0是水平均匀的。

优选的，第一聚焦磁体131与第一主磁体112之间的夹角为0～15°，第二聚焦磁体132与第二主磁体113之间的夹角为0～15°。进一步优选的，第一聚焦磁体131和第二聚焦磁体132呈对称设置，以进一步确保敏感区域静磁场b0为水平均匀。针对不同测量对象和特定的核磁共振激励区域，可以适当调整聚焦磁体130和主磁体110之间的夹角，聚焦磁体130的可调整性起到对主磁体110产生的静磁场b0的聚焦作用，使得敏感区域的磁场更加均匀。

本实施例中，若无特别说明，两个磁体之间的夹角，是以磁体的n极与s极之间的连线为准，比如若第一聚焦磁体131和第一主磁体112均为条形磁铁，则条形磁铁的n极与s极之间的连线，即为条形磁铁的长度方向，或者说轴向。比如当第一聚焦磁体131与第一主磁体112之间的夹角为0°，则表示两个条形磁铁在长度方向上平行，即第一聚焦磁体131与第一主磁体112均垂直于基座111。

如图1中的箭头所示，当第一聚焦磁体131的s极朝向第二主磁体113旋转，则会使第一聚焦磁体131与第一主磁体112之间具有相应的角度。当然，当第一聚焦磁体131的n极朝向第二主磁体113旋转，也会使第一聚焦磁体131与第一主磁体112之间具有相应的角度。同理，当第二聚焦磁体132的n极或s极朝向第一主磁体112旋转，则会使第二聚焦磁体132与第二主磁体113之间具有相应的角度。

核磁共振定量分析的基础是信号强度与含氢样品中氢核自旋数目成正比，把样品测量结果与标样信号强度作对比，得到用百分比表示的定量数据。而静磁场b0与射频磁场b1正交是获得最大信号的关键。

本实施例中，射频天线140的作用是产生与静磁场b0垂直的射频磁场b1。一般情况下，射频天线140可以包括线圈以及与线圈连接的电路，以及控制电路工作的开关，比如电子开关。具体的，线圈可以采用螺线管线圈等形式，打开电子开关，射频天线140产生与静磁场b0正交的射频磁场b1，当脉冲结束后，电子开关自动将射频天线140切换到接收机线路，这时射频天线140起接收核磁共振回波信号作用。

请参考图2并结合图1，射频天线140具体可以包括两个天线(未图示)，每一天线包括u型线圈141和矩形线圈142，且矩形线圈142被u型线圈141所围绕，即矩形线圈142设置在u型线圈141所围成的区域中；两个天线呈对称设置，使两个u型线圈141的开口相背。

其中，u型线圈141和矩形线圈142在通电后均产生电流而形成磁场，矩形线圈142在通电后产生的磁场可以抵消u型线圈141的涡流效应，从而产生均匀的射频磁场b1，继而激励处于检测区域内含氢样品的氢原子核的核磁共振信号。

可以理解，为实现核磁共振，射频磁场b1的作用方向应与静磁场b0垂直，一般情况下，射频天线140所在的平面可以与基座111平行设置，即射频天线140所在的平面垂直于第一主磁体112，且射频天线140设置在第一主磁体112远离基座111一侧，聚焦磁体130设置在射频天线140与基座111之间的区域内。

可以理解，本实施例中，射频磁场b1的场强应远小于静磁场b0的场强。

请进一步参考图1，优选的，为进一步确保静磁场b0的均匀性，本实施例所提供的在线核磁共振探测装置，还可以包括匀场磁体150，或称为调谐磁体。匀场磁体150具体可以设置在第一主磁体112和第二主磁体113之间，尤其是，匀场磁体150设置在第一聚焦磁体131与第二聚焦磁体132之间；并且，匀场磁体150的s极朝向第一主磁体112，匀场磁体150的n极朝向第二主磁体113。

通过设置该匀场磁体150，可以促进静磁场b0的均匀性，促使主磁体110发出的静磁场b0更均匀，确保含氢样品中的氢原子的转动方向保持高度一致，缩小各氢原子之间转动角度的偏差，从而保证检测结果的准确性。

在本实施例具体实施过程中，匀场磁体150为条形磁铁，比如呈长方体。匀场磁体150具体可以垂直于第一主磁体112设置，匀场磁体150的s极朝向第一主磁体112，匀场磁体150的n极朝向第二主磁体113，以帮助实现匀场。在本实施例具体实施过程中，如图1所示，匀场磁体150一般设置在射频天线140与主磁体110的基座111之间，且匀场磁体150从s极到n极的长度方向平行于基座111。

本实施例提供的在线核磁共振探测装置，通过主磁体110产生静磁场b0以对含氢样品的氢原子进行极化，通过聚焦磁体130增强静磁场b0并使静磁场b0更加均匀，通过射频天线140产生射频磁场b1而激发被极化后的氢原子产生核磁共振并接受核磁共振的回波信号，从而能够对含氢样品进行检测。

因此，与现有采用化学法等手段测量含氢物质的方式相比，采用本实施例提供的在线核磁共振探测装置，将含氢样品置于检测区域120内即可进行检测并获得检测结果，不仅提高了样品检测的便捷性、缩短了检测时间、简化了检测步骤、提高了检测效率；而且由于无需预先对含氢样品进行化学或物理处理，因此不会对含氢样品造成破坏，实现了无损检测。

进一步的，通过设置匀场磁体150，还可以使静磁场b0更加均匀，进一步提高检测结果的准确性。

实施例二

请参考图3至图5并结合图1，本实施例提供一种在线核磁共振探测系统，包括磁屏蔽外壳200、送样机构(未图示)以及实施例一中提供的在线核磁共振探测装置100，其中：

在线核磁共振探测装置100容纳在磁屏蔽外壳200内；

送样机构包括传送带310和驱动机构320，驱动机构320用于驱动传送带310传送含氢样品，以使含氢样品能够经过检测区域120。

具体的，磁屏蔽外壳200用于对在线核磁共振探测装置100进行保护，并屏蔽外界电磁波对内部电路的影响以及防止在线核磁共振探测装置100产生的电磁波向外辐射。磁屏蔽外壳200可以采用常见的金属屏蔽材料制成，本实施例在此不做特别限定。

送样机构具体可以安装在磁屏蔽外壳100内，其包括传送带310和驱动机构320。本实施例对于驱动机构320的具体形式不做特别限定，只要能够驱动传动带310运动，以传送含氢样品，使含氢样品经过检测区域120而实现含氢样品的准确检测即可。

本实施例中，送样机构可采用皮带传动的方式运送含氢样品，一般可包括两个带轮(未图示)以及张紧在两个带轮上的皮带(未图示)。而两个带轮可进一步分为主动轮和从动轮，皮带连接成环形。由于张紧原因，便在皮带与带轮的接触部分产生了压紧力。当主动轮运转时，依靠摩擦力作用带动皮带，而皮带则带动从动轮进行运转。这样就实现了待检测的含氢样品的传送。

在本实施例优选的方案中，可控制传送带310的传送速度为0～0.4m/s。比如上述采用皮带传动的方式，则可控制皮带的传送速度为0～0.4m/s，以确保含氢样品发生核磁共振并实现准确检测。

进一步的，如图3和图5所示，还可以在磁屏蔽外壳200上开设样品入口210和样品出口220，在检测前，可将待检测的含氢样品通过该样品入口210放置到传送带310上；检测完成的含氢样品被传送带310继续传送，并可通过样品出口320取出。

可以理解，本实施例中，在线核磁共振探测系统还可以包括数字主控制电路(未图示)和处理器(未图示)，其中数字主控制电路有如下三个功能：1)接收并解释处理器发出的指令；2)根据处理器的指令，形成cpmg核磁共振脉冲序列；3)接收射频天线140发出的回波信号，并把回波信号传给处理器。处理器收到回波信号后，对回波信号进行解析，实现含氢样品的准确检测。

实施例三

请参考图1，本实施例提供一种在线核磁共振探测方法，采用实施例一所述的在线核磁共振探测装置100进行，包括：

将含氢样品置于检测区域120内，使主磁体110和聚焦磁体130对含氢样品的氢原子进行极化，使射频天线140激发被极化后的氢原子并产生核磁共振，并采用射频天线140接收核磁共振的回波信号。

如前所述，核磁共振定量分析的基础是信号强度与被测样品中所含氢核自旋数目成正比，把样品测量结果同标样信号强度作对比，得到用百分比表示的定量数据。

核磁共振所检测的是微弱信号，信噪比低时十分突出的问题。通常方法是对观测信号的反复累加来实现。已有研究表明，观测信号累加n次，信噪比将增加n^1/2倍。场强越高，信噪比越高。

本实施例中，对于含氢样品的检测是以自旋回波技术为基础。众所周知，回波是重聚的nmr信号，它作为90°脉冲之后180°脉冲重聚作用的结果，在原始nmr自由感应衰减信号fid消失较长的一段时间之后出现，而且能够通过180°射频脉冲串一个接一个地多次重聚，由此得到一个回旋回波串。通过接收核磁共振的回波信号并进行解析，从而获得含氢样品(观测对象)的氢核弛豫时间和流体分子的扩散运动信息。

本实施例中，具体的，可选择横向弛豫时间作为测量对象，纵向弛豫则被用作加权机制，实现对饱含氢原子的流体成分(比如水、原油)的准确识别。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于方便描述不同的磁体，而不能理解为指示或暗示顺序关系或相对重要性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。