[发明专利]一种基于核磁共振原理的温度测量方法及其测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种温度测量方法和使用了该温度测量方法的装置。

背景技术

温度测量是测量领域最重要的功能之一，随着科学技术的发展和现代工业技术的需要，测温技术也不断地改进和提高。目前传统的温度测量方法包括如下几种：热辐射温度测量、电阻温度测量、热电偶温度测量、热胀冷缩的原理的温度测量等。现有的温度测量技术存在灵敏度不高的问题，以常用的铂电阻温度传感器为例，在273K时，铂电阻每欧姆温度系数大约为0.00392Ω·K^-1。此温度下电阻为25Ω的铂电阻温度计，温度系数大约为0.1Ω·K^-1，欲使所测温度能准确到0.001K，测得的电阻值必须精确到±10^-4Ω以内。由于测量电路的限制，测量温度的灵敏度很难提高。

中国发明专利200980101841.9公开了一种温度测量方法，采用温度敏感的磁性材料放置在被测量位置，通过测量磁场来测量温度的变化。该方法的灵敏度主要由磁场测量灵敏度决定，目前的磁场测量方法除了核磁共振方法外，其它方法灵敏度均较低，因此温度测量的灵敏度也较低。超导量子干涉仪虽然灵敏度较高，但是只适用于对弱磁场的测量，并受环境磁场的严重影响，因此不适用于该方法的温度测量。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种温度测量方法及其温度测量装置，本发明采用核磁共振原理进行温度测量，可获得非常高的温度测量灵敏度。

本发明温度测量方法的原理是，将一个内置有信号源的射频线圈放入一个由具有温度敏感性的永久磁体产生的均匀的静磁场中，所述的永久磁体放置在需要测量温度之处。给射频线圈施加一个脉冲功率，该射频线圈产生一个射频场，所述的射频场照射内置的所述的信号源，信号源中的原子核由于核磁共振而受到激发。撤除所述的射频场后，所述的信号源中被激发的原子核辐射出射频信号，所述的射频信号由所述的射频线圈接收，射频信号经过放大和数字滤波，并经过傅立叶变换，可获得所述信号源所辐射的射频信号的频率。由于信号源所辐射的射频信号频率与其所在位置的磁场强度成比例，因此所述信号源所辐射的射频信号的频率可转换为其对应的磁场强度。又因为磁场强度与所述的永久磁体的温度相关，其对应关系可事先标定。将测量得到的磁场强度数据和已标定的温度与磁场强度的对应关系进行比对，经过差值处理，可获得所述的永久磁体当前的温度，以所述的永久磁体当前的温度得到上述需要测量温度之处的温度，从而实现温度测量。

信号源所辐射的射频信号的频率与磁场关系是：

λ＝γB

其中：λ为磁共振信号频率，γ为旋磁比，B为磁感应强度。

基于上述原理，本发明提供一种温度测量方法，其特征在于，将具有温度敏感性的永久磁体放置在需要测量温度的位置，所述的永久磁体用以产生均匀的静磁场，并在所述的永久磁体内放置有包含信号源的射频线圈，测量时，给所述的射频线圈施加一个脉冲功率，使射频线圈产生一个射频场，所述的射频场激励射频线圈内的信号源，信号源辐射射频信号，采集所述的射频信号，放大并转换为数字信号，经过傅立叶变换转换成频率域信号，频率域信号峰值所对应的频率就是所述永久磁体磁场强度所对应的核磁共振频率，通过比对已标定的核磁共振频率与温度的关系，可得到所述的永久磁体的温度，也即上述需要测量温度位置处的温度。

对于1H原子核，旋磁比γ＝42.58MHz/T。

该发明的温度测量灵敏度推算如下：对于一个1000Gs的磁场，其对应的信号频率λ＝4.258MHz。若磁场的温度变化为0.5％/C°，则信号频率的变化为Δλ＝21290Hz。接收电路的频率分辨率很容易达到1Hz，因此温度灵敏度可达到4.7×10^-5C°。

由于本发明的温度测量过程是将模拟电平信号通过傅立叶变换转换成频率域信号，因此电路在放大等环节的误差都不影响测量结果，因此温度测量具有很高的精确度。

由于模拟信号是通过傅立叶变换转换成频率域信号的，因此信号线宽会对测量的准确度有一定的影响，因此需要信号的线宽尽量窄。缩小线宽的根本方法就是让静磁场更加均匀，因此在所述永久磁体中设置有匀场装置。基本的匀场装置是采用铁片贴在所述永久磁体的两极上，以此改变磁场的分布，使磁场更加均匀。另一种使磁场均匀的方法是采用多组线圈，调节不同线圈的电流来改变线圈所产生的磁场，从而补偿静磁场的不均匀性，达到改善磁场均匀度的目的。