一种用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器，包括在空间产生沿轴向的静态磁场的主磁体10、匹配电路8和产生沿径向向外辐射的射频场的射频线圈5，所述匹配电路与射频线圈电连接；所述主磁体产生的磁场与射频线圈产生的磁场正交。本实用新型体积小，便于携带，同时可以减少打洞的工作量，只需要孔径很小的洞便可以实现测量。
【专利说明】
一种用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种检测水分的传感器，具体涉及一种用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器。
【背景技术】
[0002]土壤水分是农业科学、气象科学和水文科学等领域的重要参数。在农业方面，土壤是农业生产的基本资料，浅表土壤中水分对农作物的生长起着至关重要的作用，同时也是判断农业环境的重要指标。在气象与水利上，浅表土壤水分的测量对于地球表面有效能量的分配、潜热和感热与大气的交换以及径流和入渗的分配研究方面起着重要作用。
[0003]目前，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、遥感法、核磁共振法等。
[0004](I)土壤外观触摸法根据土壤的外观、质地和感知，将土壤与给定的图表对比，根据经验对土壤的含水量做出判断。该方法需要一定的经验积累，实践表明，通过触摸法判断的土壤水分含量与土壤实际含水量相差约± (10%?15% )。
[0005](2)烘干称重法是测土壤质量含水量，常见的有恒温箱烘干法、红外线烘干法和酒精燃烧法等。在国际上，烘干法被认为是测量土壤水分含量的标准方法。但该方法的缺点也比较明显:烘干需要较长的时间，是对土壤有破坏性的一种测量方式，无法定点长期监测。
[0006](3)张力测定法用张力计式土壤水分传感器测定某些土壤水分含量。张力计有一条充水管道，一头是中空的陶瓷头，另一头是真空仪表。陶瓷头与土壤紧密接触，张力计封闭管道中的水通过陶瓷头进入土壤，产生张力。土壤的干湿循环产生的张力大小可通过真空表读出，进而间接确定土壤含水量。它的测量范围受土质影响较大，且易受多种土壤理化特性的影响，此外该方法的测量速度也不够快。
[0007](4)中子扩散法利用中子土壤水分测试仪测量土壤中的含水量。其原理是:快中子与物质作用会改变方向和损失能量，形成衰减变成慢中子，产生的衰减因被测物中含水量不同而异。此法不适合对于小范围土样的含水量测量，且设备价格昂贵，一次性投入大，同时如果屏蔽不到位，会造成辐射危害。
[0008](5)时域反射法测量含水土壤的介电常数，从而来决定土壤的含水量。其最大缺点是设备价格昂贵且电路复杂，测量值还会受到受温度、容重、土质的影响。
[0009](6)频域反射法也是一种利用土壤的介电特性来确定土壤水分含量的方法。此方法不适用于测量含有粉粒、沙粒和粘粒的土壤。
[0010](7)驻波率法利用高频信号发生器发出的高频信号沿传输线传播到土壤探针，由于探针阻抗与传输线阻抗不匹配，在传输线上入射波与反射波叠加形成驻波，通过测量传输线输出端的驻波比来反映土壤的含水率。驻波率法易受土壤盐分影响，测量精度也不高。[0011 ] (8)遥感法利用物体的电磁波特性，通过观测物体的电磁波，从而识别物体及其存在的环境条件。这是一种宏观的大范围测量方法，其精细程度远远不能和其他测量土壤中水分含量的方法相比。
[0012](9)核磁共振法是一种可以通过对氢质子的含量进行检测，从而间接对土壤中的水分含量进行检测一种方法。现有的核磁共振测量土壤水分的设备有一个很大的缺点就是太过于笨重，不使用机械难以操作。
【实用新型内容】
[0013]有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器。
[0014]本实用新型的目的是通过这样的技术方案实现的，一种用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器，包括在空间产生沿轴向的静态磁场的主磁体10、匹配电路8和产生沿径向向外辐射的射频场的射频线圈5，所述匹配电路与射频线圈电连接;所述主磁体产生的磁场与射频线圈产生的磁场正交。
[0015]进一步，所述主磁体包括上磁体、中间磁体和下磁体三部分，每一个部分的磁体可由单个或多个相同大小的磁体组成，三部分磁体依次叠放，且磁化方向均为轴向。
[0016]进一步，所述中间磁体的半径小于上磁体，同时中间磁体的半径小于下磁体。
[0017]进一步，所述上磁体的半径等于下磁体的半径。
[0018]进一步，所述的射频线圈5设置于中间磁体的周围。
[0019]进一步，所述射频线圈包括多个子线圈串联而成。
[0020]进一步，所述子线圈由两层绕向相同的线圈串联而成。
[0021]进一步，所述传感器还包括用于放置主磁体的磁体腔2。
[0022]进一步，所述传感器还包括绝缘垫片4，所述绝缘垫片设置于射频线圈与中间磁体之间。
[0023]由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下的优点:
[0024]本实用新型体积小，便于携带，同时可以减少打洞的工作量，只需要孔径很小的洞便可以实现测量。
【附图说明】
[0025]为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，其中:
[0026]图1为本实用新型提供传感器和目标区域的3D示意图；
[0027]图2为本实用新型提供传感器内部结构示意图；
[0028]图3为本实用新型提供传感器内部结构拆解图；
[0029]图4为本实用新型提供传感器内部结构的剖面图；
[0030]图5为本实用新型提供传感器主磁体示意图；
[0031]图6为本实用新型提供目标区域XOY平面内的主磁场分布；
[0032]图7为本实用新型提供射频线圈的平铺图；
[0033]图8为本实用新型提供线圈在目标区域XOY平面内一个圆周上的相对信噪比曲线。【具体实施方式】
[0034]以下将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述;应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。
[0035]图1为本实用新型提供传感器和目标区域的3D示意图，图2为本实用新型提供传感器内部结构示意图，图3为本实用新型提供传感器内部结构拆解图，图4为本实用新型提供传感器内部结构的剖面图，图5为本实用新型提供传感器主磁体示意图，图6为本实用新型提供目标区域XOY平面内的主磁场分布，图7为本实用新型提供射频线圈的平铺图，图8为本实用新型提供线圈在目标区域XOY平面内一个圆周上的相对信噪比曲线。
[0036]如图所示，本实用新型提供了一种用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器，该传感器可以检测外部土壤内的水分含量。
[0037]下面详述本实用新型实施例所提供的圆柱形核磁共振传感器。
[0038]图1为传感器和目标区域的3D示意图，图中11为包裹着防水护套的传感器，12为目标区域，7为连接同轴电缆的接头。传感器可以测量传感器外围一定区域土壤中的水分，测量时需要在土壤中打洞，然后把传感器渗入到洞内进行测量。
[0039]图2为传感器内部结构示意图，图3为传感器内部结构拆解图，图4为传感器内部结构的XOZ剖面图，图2、图3和图4中各标号一一对应，以便更清楚的显示传感器内部的结构。图中，I为上盖板，2为磁体腔，3为线槽，4为绝缘垫片，5为射频线圈，6为下盖板，7为同轴电缆接头，8为匹配电路，9为防水护套，10为主磁体。
[0040]—种用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器包括主磁体、磁体腔、上盖板、下盖板、匹配电路、绝缘垫片、射频线圈和防水保护套。
[0041]所述核磁共振传感器的主磁体在空间产生沿轴向的静态磁场，射频线圈由三个子线圈串联而成，产生沿径向向外辐射的射频场，射频场与静态磁场正交，以实现核磁共振信号的测量。
[0042]图5为主磁体结构，由三块圆柱形低温度系数的钐钴永磁体构成，三块磁体(即上磁体、中间磁体、下磁体)磁化方向均为轴向，且同向同轴摆放，两块直径较大的磁体的在上下两端，直径为20_，高度为15_； 一径较小的磁体摆放在中间，直径为12_，高度为20_。
[0043]磁体腔，用于放置主磁体，其外部形状和主磁体部分的外部性状相似，近似哑铃状，中间凹陷的部分(即中间磁体部分)放置绝缘垫片，绝缘垫片外部放置射频线圈。上磁体所在的磁体腔部分比下磁体所在磁体腔部分长，用于放置匹配电路。
[0044]所述匹配电路为圆形的PCB电路板，安装在上盖板的内侧，面朝磁体腔内部，从外部看不到匹配电路。
[0045]上盖板、下盖板和磁体腔形成密闭腔体。上盖板面对磁体腔的一面(内侧)安装匹配电路并将其封装在磁体腔内，面对外界的一面(外侧)安装同轴电缆接头来与外部设备连接，下盖板用在下磁体的一端起封闭磁体的作用;上盖板外侧安装有同轴电缆接头，用同轴电缆连接传感器和仪器；同轴电缆连接传感器和测量仪器;所述上盖板、下盖板均为圆柱形钛合金盖板，尺寸相同，钛合金盖板可以使传感器保持一定的机械强度同时将匹配电路封闭在内来屏蔽外界环境电磁信号的干扰。
[0046]绝缘垫片厚4_，其作用是把射频线圈和磁体腔隔开一定距离，削弱涡流效应对射频场的影响。
[0047]图6为目标区域XOY平面内的主磁场分布，可以看出主磁场等位线呈同心圆分布，目标区域内径为20mm，外径为25mm。
[0048]图7为射频线圈的平铺图，线圈由三个子线圈等弧长间隔串联而成，每个子线圈由两层绕向相同的线圈串联而成，线宽为0.8mm，射频线圈的总尺寸为122.2mm*18.5mm，射频线圈用柔性印刷电路制作而成，弯曲呈环状，贴在绝缘垫片外部。射频线圈由若干个子线圈组成，每个子线圈的结构参数完全相同，在圆周上等弧长等间隔分布，每个子线圈之间相互串联，发出的射频磁场方向相同。
[0049]所述的防水保护套其作用是防止土壤中的水分渗透到传感器内部，缩短传感器的寿命，或者造成传感器内部电路短路，引发故障，损坏传感器或测量仪器。
[0050]图8为射频线圈在目标区域XOY平面内半径为25mm圆周上的相对信噪比曲线，曲线上平坦的部分对应线圈的激励区域。
[0051]以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器，其特征在于:包括在空间产生沿轴向的静态磁场的主磁体(10)、匹配电路(8)和产生沿径向向外辐射的射频场的射频线圈(5)，所述匹配电路与射频线圈电连接;所述主磁体产生的磁场与射频线圈产生的磁场正交。2.根据权利要求1所述的用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器，其特征在于:所述主磁体包括上磁体、中间磁体和下磁体三部分，每一个部分的磁体可由单个或多个相同大小的磁体组成，三部分磁体依次叠放，且磁化方向均为轴向。3.根据权利要求2所述的用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器，其特征在于:所述中间磁体的半径小于上磁体，同时中间磁体的半径小于下磁体。4.根据权利要求3所述的用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器，其特征在于:所述上磁体的半径等于下磁体的半径。5.根据权利要求3所述的用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器，其特征在于:所述的射频线圈(5)设置于中间磁体的周围。6.根据权利要求5所述的用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器，其特征在于:所述射频线圈包括多个子线圈串联而成。7.根据权利要求6所述的用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器，其特征在于:所述子线圈由两层绕向相同的线圈串联而成。8.根据权利要求1所述的用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器，其特征在于:所述传感器还包括用于放置主磁体的磁体腔(2)。9.根据权利要求5所述的用于检测土壤中水分的圆柱形核磁共振传感器，其特征在于:所述传感器还包括绝缘垫片(4)，所述绝缘垫片设置于射频线圈与中间磁体之间。
【文档编号】G01N24/08GK205484139SQ201620019151
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月8日
【发明人】郭盼, 徐征, 叶强
【申请人】重庆师范大学, 重庆迈格威电子科技有限公司