用于淺表土壤水分分析的單邊核磁共振傳感器.pdf

1、淺表土壤水分是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要因素，其檢測(cè)有利于評(píng)估干旱和濕害程度，促進(jìn)水資源的有效利用；土壤貯水量和土壤水分運(yùn)動(dòng)特性影響其中化學(xué)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化，對(duì)土壤水分的檢測(cè)有助于正確評(píng)估化肥的吸收效果，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要意義；土壤水分含量及水分子運(yùn)動(dòng)特性對(duì)植物種子的萌芽、根系的生長(zhǎng)和養(yǎng)分的吸收也至關(guān)重要。所以，如何對(duì)淺表土壤進(jìn)行測(cè)量反映土壤中的水分分布情況是土壤研究的重要方面。
　　本文提出使用單邊核磁共振方法測(cè)量淺表土壤水分。該方法

2、不僅可反映土壤含水情況，而且可反映含水孔隙大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分的現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損測(cè)量。
　　本文針對(duì)淺表土壤水分測(cè)量的要求設(shè)計(jì)了一款單邊核磁共振傳感器并測(cè)試其性能，開(kāi)展了核磁共振應(yīng)用測(cè)量實(shí)驗(yàn)，具體內(nèi)容如下：
　　(1)單邊磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文在給定目標(biāo)區(qū)域的情況下，使用有限元仿真軟件Ansoft Maxwell計(jì)算靜態(tài)磁場(chǎng)分布，設(shè)計(jì)出了一種四個(gè)磁體單元對(duì)稱(chēng)排列的磁體結(jié)構(gòu)，每個(gè)磁體單元由四塊磁體構(gòu)成，可產(chǎn)生水平方向的靜態(tài)磁場(chǎng)。磁體下方加

3、鐵軛以減少漏磁，增強(qiáng)目標(biāo)區(qū)域磁場(chǎng)。為減小鋁殼上方渦流，在傳感器上方添加由硅鋼片組成的抗渦流板。測(cè)試了抗渦流效果，對(duì)發(fā)射線圈施加電壓，加抗渦流板后檢測(cè)線圈可檢測(cè)到的電壓信號(hào)較加抗渦流板前增強(qiáng)，抗渦流板起到了抗渦流效果。目標(biāo)平面在傳感器表面上方75mm處50mm×50mm的范圍內(nèi)，中心點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為71.1mT(核磁共振頻率為3.027MHz)，目標(biāo)平面內(nèi)磁場(chǎng)均勻度為0.95%，在目標(biāo)平面中心點(diǎn)上下各5mm的范圍內(nèi)磁場(chǎng)的梯度為1.03T/m。<

4、br>　　(2)射頻線圈設(shè)計(jì)。仿真設(shè)計(jì)了四個(gè)不同尺寸平面螺旋線圈，以B1/ R作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比每個(gè)線圈上方不同高度處的B1/√ R，通過(guò)對(duì)比選擇B1/√R較好的最小尺寸的線圈。
　　(3)傳感器性能測(cè)試：(a)線圈仿真結(jié)果驗(yàn)證：對(duì)設(shè)計(jì)的四個(gè)線圈進(jìn)行CPMG Add實(shí)驗(yàn)（將所有CPMG回波疊加），測(cè)得不同線圈最大可探測(cè)深度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明線圈尺寸越小，測(cè)得的信號(hào)越好，最小尺寸的線圈可探測(cè)深度最大可達(dá)45mm，測(cè)得的信號(hào)最強(qiáng)，與仿真設(shè)

5、計(jì)的結(jié)果基本一致，選擇最小尺寸的線圈；(b)單次激勵(lì)可測(cè)厚度Δd測(cè)試：對(duì)測(cè)得的CPMG Add頻譜分析可知Δd為0.865mm；(c)縱向分辨率實(shí)驗(yàn)：本文將浸油紙與蓋玻片交替疊放，測(cè)量獲得其信號(hào)的頻譜分布，通過(guò)頻譜分布有效地區(qū)分出了不同層浸油紙之間的最小距離441μm；(d)磁場(chǎng)溫度穩(wěn)定性測(cè)量：在0~40℃溫度范圍內(nèi)，傳感器上方50mm中心點(diǎn)處的磁場(chǎng)溫度系數(shù)為-0.256%/℃。
　　(4)單邊核磁共振傳感器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)：使用單邊核磁