[发明专利]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

说明书

技术领域

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。

发明内容

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：