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作物生長的重要因素，其檢測有利于評估干旱和濕害程度，促進水資源的有效利用；土壤貯水量和土壤水分運動特性影響其中化學物質的運動和轉化，對土壤水分的檢測有助于正確評估化肥的吸收效果，對環(huán)境保護具有重要意義；土壤水分含量及水分子運動特性對植物種子的萌芽、根系的生長和養(yǎng)分的吸收也至關重要。所以，如何對淺表土壤進行測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，實現(xiàn)對土壤水分的現(xiàn)場無損測量。
　　本文針對淺表土壤水分測量的要求設計了一款單邊核磁共振傳感器并測試其性能，開展了核磁共振應用測量實驗，具體內容如下：
　　(1)單邊磁體結構設計。本文在給定目標區(qū)域的情況下，使用有限元仿真軟件Ansoft Maxwell計算靜態(tài)磁場分布，設計出了一種四個磁體單元對稱排列的磁體結構，每個磁體單元由四塊磁體構成，可產(chǎn)生水平方向的靜態(tài)磁場。磁體下方加

3、鐵軛以減少漏磁，增強目標區(qū)域磁場。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。測試了抗渦流效果，對發(fā)射線圈施加電壓，加抗渦流板后檢測線圈可檢測到的電壓信號較加抗渦流板前增強，抗渦流板起到了抗渦流效果。目標平面在傳感器表面上方75mm處50mm×50mm的范圍內，中心點的場強為71.1mT(核磁共振頻率為3.027MHz)，目標平面內磁場均勻度為0.95%，在目標平面中心點上下各5mm的范圍內磁場的梯度為1.03T/m。<

4、br>　　(2)射頻線圈設計。仿真設計了四個不同尺寸平面螺旋線圈，以B1/ R作為設計標準，對比每個線圈上方不同高度處的B1/√ R，通過對比選擇B1/√R較好的最小尺寸的線圈。
　　(3)傳感器性能測試：(a)線圈仿真結果驗證：對設計的四個線圈進行CPMG Add實驗（將所有CPMG回波疊加），測得不同線圈最大可探測深度，實驗結果表明線圈尺寸越小，測得的信號越好，最小尺寸的線圈可探測深度最大可達45mm，測得的信號最強，與仿真設

5、計的結果基本一致，選擇最小尺寸的線圈；(b)單次激勵可測厚度Δd測試：對測得的CPMG Add頻譜分析可知Δd為0.865mm；(c)縱向分辨率實驗：本文將浸油紙與蓋玻片交替疊放，測量獲得其信號的頻譜分布，通過頻譜分布有效地區(qū)分出了不同層浸油紙之間的最小距離441μm；(d)磁場溫度穩(wěn)定性測量：在0~40℃溫度范圍內，傳感器上方50mm中心點處的磁場溫度系數(shù)為-0.256%/℃。
　　(4)單邊核磁共振傳感器應用實驗：使用單邊核磁