一种基于核磁共振原理的温度测量方法及其测量装置

摘要

一种基于核磁共振原理的温度测量方法及其测量装置。所述的测量方法为；将内置有信号源的射频线圈放置在一个永久磁体中，通过脉冲发生器和射频功率放大器向射频线圈发射功率脉冲，被激发的信号源辐射射频脉冲，由射频线圈接收并经过信号放大和采集处理电路处理后，得到信号的频率。由于磁共振信号的频率跟磁场强度成正比，因此，测量磁共振信号的频率即可得到磁场的强度。而永久磁体的磁场强度是随温度变化的，因此微小的温度变化即可引起磁共振信号频率的变化，通过频率的变化可感知温度的变化。由于磁共振信号的频率对磁场的变化非常敏感，因此本发明可以获得非常高的温度分辨率，适用于对温度测量灵敏度要求非常高的场合。

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。

本发明对温度的测量方法，是通过使永久磁体的磁场强度随温度变化来实现的，因此要 求该永久磁体所产生的静磁场的强度能够随外界温度的变化而改变。稀土永磁材料一般都具 有较大的温度系数，比如一种钕铁硼NdFeB材料的温度系数达到0.3％，也就是外界温度每变 化1度，其剩磁Br变化0.3％。从温度测量的角度上讲，需要磁性材料的温度系数越大越好， 核磁共振温度传感器的温度灵敏度公式为：

η＝1/δγB

η为温度灵敏度，δ为磁场的温度系数，γ为旋磁比，B为磁感应强度。为使η更小， 即灵敏度更高，应使B和δ更大。为此，本发明采用高温度系数的稀土永磁材料，如N35牌 号的钕铁棚材料等来制造永久磁体，使用这种材料的另一个好处是比较容易得到高的磁场强 度，对提高灵敏度有利。

本发明温度测量装置采用以下技术方案：

本发明温度测量装置主要由以下部件组成：一个永久磁体，在所述的永久磁体空气隙中 产生一个均匀的静磁场，在永久磁体的空气隙中放置一个射频线圈，射频线圈调谐在静磁场 所对应的磁共振频率上。射频线圈内置有信号源，信号源是含1H原子核的液体，比如水或者 脂肪等物质。一个脉冲发生器输出射频脉冲信号，该射频脉冲信号通过射频功率放大器的信 号输入接口进入射频功率放大器，驱动射频功率放大器输出功率脉冲，射频功率放大器与射 频线圈连接，该功率脉冲馈入射频线圈，使得射频线圈产生一个射频磁场，用来激发信号源 中的1H原子核；被激发的信号源中的1H原子核向外辐射射频脉冲，所辐射的射频脉冲频率 就是1H原子核的磁共振频率，该射频脉冲信号由射频线圈接收并经过信号放大与采集处理 电路将信号放大，转换为数字信号，经过傅立叶变换为频率域信号，频率域信号频谱的峰值 所对应的频率就是磁共振信号的频率。由于磁共振信号的频率跟磁场强度成正比，因此，测 量磁共振信号的频率就可得到磁场的强度。而永久磁体的磁场强度是随温度变化的，因此微 小的温度变化就可引起磁共振信号频率的变化。信号放大与采集处理电路与射频线圈连接， 信号放大与采集处理电路中预先内置有频率与温度对应关系的标定数据表，该信号放大与采 集处理电路将所测得信号的频率数据与所存储的标定数据表比较，并通过差值计算，可以获 得该频率所对应的温度值，即为所测量的温度。本发明所涉及的永久磁体采用温度系数较高 的磁性材料制成，比如稀土永磁材料或铁氧体永磁材料。磁体结构上可采用带轭铁的二极磁 体，也可采用halbach结构，其目的是在磁体中央的空气隙中产生均匀的静磁场。为了提高 温度的响应速度，尽可能减小磁体的体积，以减少热惯性。减小磁体的空气隙可以有效减小 磁体体积，当然，本发明的方法不限于此，即使是大的磁体体积也可以用于温度测量。

本发明所涉及的磁体一般都需要进行磁场均匀的过程，因此需要在磁体的内部设置磁场 均匀装置。该磁场均匀装置通过调节匀场片的位置和尺寸，使得空气隙中的磁场更加均匀。 另外，可在空气隙的周围布置多组的匀场线圈，通过改变线圈的电流达到调节磁场均匀性的 目的。

通过磁场的均匀过程，可将磁场的均匀性调整到可以获得较窄线宽的程度，比如20ppm 或更好，则线宽小于42Hz，若采样100个点，频率分辨率可达到0.42Hz，可获得很高的温度 分辨率。

本发明中在磁体的空气隙中放置有射频线圈，所述的射频线圈的内部有一个信号源。射 频线圈的作用是产生射频磁场，用来激发信号源中的1H原子核。射频线圈是一个高频振荡 器，具有高的品质因数，线圈的形式可以是螺线管，也可以是鞍形，或者螺线管与鞍形的正 交线圈。线圈通过调谐匹配电路工作在谐振频率处，并用来产生射频磁场和接收信号源发出 的射频信号。为获得高的效率，信号源应该充满射频线圈的内腔。

本发明包括脉冲序列发生器和射频功率放大器，其中脉冲序列发生器产生一个特定形 状、大小和宽度的射频脉冲，驱动射频功率放大器；射频功率放大器与射频线圈连接，将射 频功率馈送给射频线圈。一般地，为获得较高的磁共振信号，可将所有信号源的1H原子核激 发，由于磁场有一定的不均匀性，需要一个有一定激发带宽的射频脉冲，比如宽度1ms的脉冲， 可激发大约1Hz的宽度，对于20ppm以下的磁场均匀度，则可将所有1H核激发，产生足够的信 号强度。脉冲序列发生器的脉冲形状可采用固定波形，也可采用外部控制的可编程波形，其 大小和宽度也同样固定或可控。

本发明的射频线圈为收发一体的线圈形式，即线圈兼有产生射频场和接收磁共振信号的 功能。射频功率放大器通过一个TX/RX开关与射频线圈连接，射频线圈接收的磁共振信号经 过一个四分之一波长线与信号放大和采集处理电路连接，将信号输入到信号放大器。

本发明包括一个信号放大和采集处理电路，由射频线圈输出的信号输入到信号放大和采 集处理电路中。信号放大和采集处理电路主要由A/D转换器，数字正交解调器和傅立叶变换 器构成，信号放大和采集处理电路受脉冲发生器的时序控制，并接收脉冲发生器产生的本振 信号。射频线圈输出的信号进入到信号放大和采集处理电路的A/D转换器变为数字信号，A/D 转换器后面跟随一个数字正交解调器，数字信号进入数字正交解调器后，转换为两路基带正 交信号，进入与之相连的傅立叶变换器，变换为频率域信号，并计算出信号的频率，转换为 温度值。

附图说明

图1为核磁共振温度测量装置结构图，图中：101永久磁体，102磁场均匀磁装置，103 射频线圈，104信号源，105射频功率放大器，106脉冲发生器，107信号放大和采集处理电 路，108TX/RX开关。

图2是磁体结构原理图；

图3是本发明工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示为本发明的温度测量装置结构图。其中，磁体结构如图2所示。磁体是由磁性 材料和轭铁构成，或者由不同磁化方向的磁性材料按一定方式排列组成，在空气隙中形成均 匀的静磁场。在极板201上，或围绕halbach磁体内腔的圆周布置有磁场均匀装置102。

在磁体的空气隙中安装射频线圈103，其中在射频线圈103中放置有信号源104，信号 源104中充满水或脂肪等包含1H原子核的物质。射频线圈103通过一个TX/RX开关与射频 功率放大器105连接，同时通过一根四分之一波长线与信号放大和采集处理电路107连接。 脉冲发生器106发出具有特定时序的射频脉冲波形，并控制信号放大和采集处理电路107的 工作。

所述的信号源104中的1H原子核将受到极化，1H原子核的磁矩将围绕外磁场方向进动， 1H原子核的磁矩围绕外磁场进动的频率就是拉莫尔频率，拉莫尔频率与外磁场的大小成正 比。脉冲发生器106产生一个射频脉冲，驱动射频功率放大器105，将射频功率脉冲传输到 射频线圈103上。射频线圈所产生的射频场将1H原子核的磁矩打到垂直于外磁场的横向位 置。射频脉冲结束后，1H原子核的磁矩向外磁场方向恢复，并在此过程中在射频线圈上感 应出信号，信号的频率就是外磁场对应的拉莫尔频率。

所述的信号经放大后，进入该信号放大采集处理电路的A/D转换器301转换为数字信号， 再经过数字正交解调单元302，将高频信号转换为基带信号，同时生成了两路正交信号，两 路正交信号通过傅立叶变换单元303，将时域信号变换到频域信号，即可读出信号的频率值。

图2是永久磁体101的结构，图2(A)是带铁轭的二极磁体，图2(B)是Halbach结 构的二极磁体。在图2(A)中铁轭202起导磁的作用，极板201对磁场进行均匀作用，在图 2(B)中，磁场通过磁性材料的不同磁化方向和一定的排列顺序形成均匀磁场。在两种磁体 中，起温度敏感作用的是磁性材料，采用NdFeB永磁材料，具有比较大的温度系数，或者专 门制作具有高的温度系数的磁性材料，一般温度系数达到0.1％以上，就具有很高的温度灵敏 度，本发明的这一要求与通常的永久磁体正好相反，常规的永久磁体需要温度系数越低越好。 当然，一切具有高的温度系数的材料都可以用于本发明中。在磁体结构上，带铁轭的二极磁 体具有稳定的磁场均匀性，信号的线宽容易控制，但是重量比halbach结构的要重。Halbach 磁体结构轻巧，但是磁场均匀度的稳定性不如带铁轭的二极磁体。两种结构的磁体均可用于 温度测量。

图3是本发明的工作原理图。永久磁体空气隙中产生一个均匀的静磁场，在永久磁体的 空气隙中放置一个射频线圈，射频线圈调谐在静磁场所对应的磁共振频率上。射频线圈内置 有信号源，信号源是含1H原子核的液体，比如水或者脂肪等物质。一个脉冲发生器与射频功 率放大器连接，输出射频脉冲信号，该射频脉冲信号驱动射频功率放大器输出功率脉冲；射 频功率放大器与射频线圈连接，该功率脉冲经过一个TX/RX开关馈入射频线圈，使得射频线 圈产生一个射频磁场，用来激发信号源中的1H原子核；被激发的信号源中的1H原子核向外 辐射射频脉冲，所辐射的射频脉冲频率就是1H原子核的磁共振频率，该射频脉冲信号由射 频线圈接收，经过TX/RX开关和一段四分之一波长线，进入一个放大器，信号经过放大，通 过A/D转换器转换为数字信号，在经过数字正交解调，进行傅立叶变换，变换为频率域信号， 频率域信号频谱的峰值所对应的频率就是磁共振信号的频率。由于磁共振信号的频率跟磁场 强度成正比，因此，测量磁共振信号的频率就可得到磁场的强度。而永久磁体的磁场强度是 随温度变化的，因此微小的温度变化就可引起磁共振信号频率的变化。信号处理电路中预先 内置有频率与温度对应关系的标定数据表，该信号处理电路将所测得信号的频率数据与所存 储的标定数据表比较，并通过差值计算，可以获得该频率所对应的温度值，即为所测量的温 度。由于温度测量需要信号处理电路有高的稳定性，因此采用数字化的正交解调技术，其电 路的频率分辨率高于0.1Hz，可满足温度测量的要求，由于传统的模拟正交解调电路的不稳 定，不适合在温度测量中的应用。