[发明专利]采用脉冲核磁共振测试冻土未冻水含量的系统及方法

权利要求书

1.一种采用脉冲核磁共振测试冻土未冻水含量的系统，所述系统包括频率合成器(4)、前置放大器(5)、脉冲产生器(6)和操控与显示平台(8)，其特征在于所述系统还包括射频探头(1)、永久磁体N极(2)、磁体S极(3)、屏蔽框(7)、制冷管线(20)和恒温控制箱，射频探头(1)、永久磁体N极(2)和磁体S极(3)均设在屏蔽框(7)内，射频探头(1)由土壤测试管(15)、陶瓷管(16)和脉冲感应线圈(17)构成，恒温控制箱由氮气罐(9)、压力控制阀(10)、压缩机(11)、温度控制阀(12)、温度传感器(13)和压力传感器(14)构成，土壤测试管(15)装在陶瓷管(16)内，温度传感器(13)的一端设在土壤测试管(15)内，温度传感器(13)的温度信号输出端连接温度控制阀(12)的温度信号输入端，温度控制阀(12)驱动压缩机(11)运转，操控与显示平台(8)的温度控制信号输出端连接温度控制阀(12)的温度控制信号输入端；

压力传感器(14)的一端设在陶瓷管(16)内，压力传感器(14)的压力信号输出端连接压力控制阀(10)的压力信号输入端，操控与显示平台(8)的压力控制信号输出端连接压力控制阀(10)的压力控制信号输入端，陶瓷管(16)的顶部设有氮气输入口(18)和氮气输出口(19)，氮气输入口(18)和氮气输出口(19)均与氮气罐(9)的输出端连通，压力控制阀(10)设在氮气罐(9)的输出端上；

脉冲产生器(6)的射频脉冲信号输出端连接前置放大器(5)的射频脉冲信号输入端，前置放大器(5)的同步脉冲信号输出端连接操控与显示平台(8)的示波器的同步脉冲信号输入端；

陶瓷管(16)的外部设有脉冲感应线圈(17)，脉冲感应线圈(17)设在永久磁体N极(2)和磁体S极(3)之间，脉冲感应线圈(17)的一端连接前置放大器(5)的磁化强度自由衰减信号输入端，前置放大器(5)将磁化强度自由衰减信号放大400倍后传送至频率合成器(4)的放大信号输入端，频率合成器(4)的放大信号输出端连接操控与显示平台(8)的ARM11单片机芯片。

2.根据权利要求1所述采用脉冲核磁共振测试冻土未冻水含量的系统，其特征在于陶瓷管(16)下部设有制冷管线。

3.根据权利要求1所述采用脉冲核磁共振测试冻土未冻水含量的系统，其特征在于所述系统还包括固定塞(21)，固定塞(21)套在陶瓷管(16)的上部，陶瓷管(16)通过固定塞(21)固定在脉冲感应线圈(17)内。

4.利用权利要求1中所述系统测试方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤一、操控与显示平台(8)输出压力控制信号到压力控制阀(10)的压力控制信号输入端，压力控制阀(10)控制氮气罐(9)内氮气的输出量，操控与显示平台(8)输出温度控制信号到温度控制阀(12)的温度控制信号输入端，温度控制阀(10)驱动压缩机(11)的转速，输入试件拟达到温度和压力环境；

步骤二、温度传感器(13)和压力传感器(14)实时监测试件温度和陶瓷管(16)内压力并将数据发送至温度控制阀(12)和压力控制阀(10)；

步骤三、温度控制阀(12)根据温度传感器(13)监测试件的温度信息控制压缩机(11)的转速，保持陶瓷管(16)内温度恒定；压力控制阀(10)根据压力传感器(14)监测陶瓷管(16)内压力信息控制氮气流量，保持陶瓷管(16)内压力恒定；

步骤四、当试件温度和陶瓷管(16)内的压力满足拟达到的要求时，脉冲产生器(6)产生射频脉冲，传送至前置放大器(5)，前置放大器(5)将同步脉冲信号发送至操控与显示平台(8)的示波器；

步骤五、前置放大器(5)接受到脉冲信号后将大功率射频脉冲加至射频探头(1)的脉冲感应线圈(17)，作用于陶瓷管(16)范围内；

当脉冲结束后，前置放大器(5)调整输入输出开关为输入状态，关闭脉冲通道，打开信号通道将来自射频探头(1)的脉冲感应线圈17的磁化强度自由衰减信号放大400倍后传送至频率合成器4，频率合成器4通过混频对磁化强度自由衰减信号进行带通滤波，将频率降低至100Hz-20kHz的磁化强度自由衰减信号传至操控与显示平台(8)的ARM11单片机芯片；

步骤六、操控与显示平台(8)根据磁化强度自由衰减信号强度计算出未冻水含量，计算过程是这样实现的：

采用Guass曲线y_s＝A_s×exp(-x_s²/2T_S²)对固态水磁化强度自由衰减信号进行最小二乘拟合，得到A_s，式中A_s和x_s为待定系数，A_s代表固态水磁场强度，y_s为固态水自由衰减信号采样点的磁化强度，T_s代表固态水磁化强度自由衰减信号弛豫时间采样点，从0μs到30μs；

采用Guass曲线y_b＝A_b×exp(-x_b²/2T_b²)对结合水磁化强度自由衰减信号进行最小二乘拟合，得到A_b，式中A_b，x_b为待定系数，A_b代表结合水磁场强度，y_b为结合水自由衰减信号采样点的磁化强度，T_b代表结合水磁化强度自由衰减信号弛豫时间采样点，

采用Lorenz曲线y_f＝A_f×exp(-x_f/T_f)对自由水磁化强度自由衰减信号进行最小二乘拟合，得到A_f，式中A_f和x_f为待定系数，A_f代表自由水磁场强度，y_f为自由水自由衰减信号采样点的磁化强度，T_f表自由水磁化强度自由衰减信号弛豫时间采样点，从200μs到1000μs；

从而得到的是固态水与结合水的磁场强度比值为A_s/A_b、结合水与自由水的的磁场强度比值为A_b/A_f和固态水与自由水的磁场强度比值为A_s/A_f，即得到固态水、结合水和自由水三者的相对含量关系；

由公式W_u＝(A_f+A_b×(W₀/A_s+A_f+A_b)计算得到未冻水水量，其中W_u为未冻水含量，W₀为土壤含水量。