面向食用油品质鉴别的低场核磁共振检测平台的研制

摘要

食用油的品质鉴别一直是社会的热点问题，在众多的检测方法中，核磁共振技术因具有无损、快速和安全的优势，已经被证实为一种非常有价值的检测方法。本文在回顾食用油品质鉴别研究现状和低场核磁共振技术的基础上，通过研究具有稳定调谐匹配特性的射频探头和具有高精密的温度控制系统，在实验室现有研究成果的基础上，研制了一种面向食用油品质鉴别的低场核磁共振检测平台。基于该平台装置，建立食用油品质核磁共振的检测模型，实现对食用油品质的鉴别。论文研究取得的成果如下:
　　(1)基于螺线管线圈的理论模型，以相对信噪比为优化目标，设计和优化了射频螺线管线圈参数。结果表明，当线圈直径D和高度H取5.1mm时，线径为d为0.2mm，匝数n为12匝，线圈的相对信噪比达到最大，即为最优的参数模型。通过改进螺线管线圈的制作工艺，实现了射频线圈参数的精确控制。最后，根据实验测试的信噪比，验证了理论模型的准确性和合理性。
　　(2)改进探头射频电路的匹配网络，有效的增加了探头调谐匹配范围和降低探头的回波损耗，完成了射频电路的实际制作与测试，包括射频电路的仿真、元器件的选择及测试、耐压值测试等。同时，通过研究射频探头品质因素选择，在26.09MHz频率下，集成所设计的射频线圈和调谐匹配电路，完成射频探头的制作。
　　(3)基于低场核磁共振检测平台的温控需求，设计高精度温度控制系统的技术方案，测定温控系统PID（比例-积分-微分）参数。同时，从传感器位置、空气流动性、保温性能、环境温度等方面，优化系统的温控性能和温度梯度场，确定检测系统的共振频率，实现36.0℃±0.1℃的温控目标，完成高精度温控系统的设计制作。
　　(4)搭建食用油品质低场核磁共振检测平台，选取常用的大豆油、花生油和调和油等食用油作为样本，建立食用油横向弛豫时间T2和纵向弛豫时T1与煎炸时间的线性关系，同时与商业核磁共振仪器Bruker Minispec mq60进行对比，完成检测平台装置的性能验证和测试。最后，基于该平台装置检测了福临门、金龙鱼和鲁花三种大豆油食用油样本，引入极性化合物参数和标准检测方法柱层析法，建立核磁共振弛豫曲线与极性化合物含量的交叉模型，能够有效鉴别不同煎炸时间的极性化合物含量。结果表明，大豆油油脂在煎炸43小时后即不可再食用，检测误差在15％以内。因此，本文研究的低场核磁共振检测平台装置可成为食用油检测领域中的重要潜在工具。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 食用油品质鉴别的研究现状

1．2．1 质量参数和理化指标

1．2．2 检测方法

1．2．3 核磁共振检测

1．3 低场核磁共振装置及关键部件研究现状

1．3．1 低场核磁共振装置

1．3．2 射频探头

1．3．3 永磁体系统

1．4 立项依据与研究内容

1．4．1 存在问题

1．4．2 研究内容与论文框架

1．4．3 课题的来源

第二章 射频探头稳定调谐匹配方法的理论研究

2．1 核磁共振信号的检测机理

2．1．1 核磁共振基本原理

2．1．2 核磁共振信号的检测条件

2．2 螺线管线圈的参数设计及优化

2．2．1 螺线管线圈的理论模型

2．2．2 参数的设计计算

2．2．3 线圈的品质因素

2．3 稳定调谐匹配特性研究

2．3．1 阻抗匹配特性

2．3．2 改进调谐匹配电路

2．3．3 调谐匹配范围对比

2．3．4 回波损耗的对比

2．4 射频探头的品质因素

2．4．1 品质因素

2．4．2 品质因素的理想值

2．4．3 品质因素的选择

第三章 低场核磁共振探头的制作与性能表征

3．1 螺线管线圈探头的制作及性能测试

3．1．1 线圈的参数控制

3．1．2 螺线管线圈探头的制作工艺

3．1．3 线圈电参数测试

3．2 射频探头的结构设计

3．2．1 探头的总体结构

3．2．2 探头与磁体的固定

3．2．3 探头与电路板的固定

3．3 调谐匹配电路的制作及测试

3．3．1 电路的参数测试及匹配

3．3．2 调谐匹配电路的仿真

3．3．3 元器件的选择及测试

3．3．4 耐压值及信噪比测试

第四章 面向永磁体的高精度温控系统的设计制作

4．1 高精度温度控制方案设计

4．1．1 控温目标对象

4．1．2 工作原理

4．2 系统结构设计及调试

4．2．1 结构部件设计

4．2．2 电磁屏蔽干扰

4．2．3 系统的搭建及PID参数调试

4．3 温控方案和温度场的优化

4．3．1 输入偏差的修订

4．3．2 传感器的位置对温控的影响

4．3．3 空气流动性对温控的影响

4．3．4 保温性能对温控的影响

4．3．5 环境温度对温控的影响

第五章 食用油检测平台的构建及性能测试

5．1 食用油检测平台的构建

5．1．1 检测系统的搭建

5．1．2 控制参数的设置

5．2 弛豫时间的测量

5．2．1 材料及样本制备

5．2．2 横向弛豫时间T2与煎炸时间的建模及评价

5．2．3 纵向弛豫时问T1与煎炸时问的建模及评价

5．3 检测平台的测试性能与商业仪器的对比

5．3．1 多次检测的对比

5．3．2 重复性检测的对比

5．3．3 弛豫时间检测的对比

第六章 食用油品质核磁共振检测模型的建立与应用

6．1 食用油的品质鉴别

6．1．1 食用油核磁共振检测机理

6．1．2 检测脉冲的设计

6．2 食用油品质的低场核磁共振检测

6．2．1 材料及样本制备

6．2．2 弛豫曲线的检测

6．2．3 极性化合物检测

6．3 弛豫曲线与极性化合物的交叉检验模型

6．3．1 交叉检验模型

6．3．2 建模的结果

6．4 模型的验证和讨论

6．4．1 模型的验证

6．4．2 油脂品质的鉴别结果

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 研究展望

致谢

参考文献

作者简介(包括攻读硕士学位期间学术成就)