多孔介质低场核磁共振测试原理
低场核磁共振成像分析技术与应用
低场核磁共振成像分析技术与应用陈路平*，高杨文，杨培强(上海纽迈电子科技有限公司)摘要：低场核磁共振成像与分析技术已经广泛应用于食品、农业、石油化工、多孔材料、生命科学以及聚合物工业领域。
低场核磁共振技术是一种快速无损检测技术，该技术主要是借助于水的“无处不在”与“无孔不入”的特性，以水分子为探针，研究样品的物性特征。
本文介绍了当前低场核磁共振成像与分析技术的特点，以及在各领域的应用方法与应用成果展示。
并为低场核磁的应用进展指出发展方向。
关键词：低场核磁共振，驰豫时间，磁共振成像，磁共振分析Technology and Application of Low Field NMR and MRILuping Chen*,Yangwen Gao,PeiQiang Yang(Niumag Coporation)Abstract:Low-field magnetic resonance imaging and analysis technology has been widely used in food, agriculture, petrochemicals, porous materials, life sciences, and polymer industries. Low-field NMR technique is a rapid non-destructive detection method. It's sensitive to analyze sample's physical character for water's nature of pervasive as probes. This paper summarized the progress and advantages of low-field magnetic resonance imaging and analysis technology，and finally gave its prospect..Key words : Low Field NMR,Relaxation Time,MRI,NMR低场核磁共振技术是一种快速无损的检测技术，它具有测试速度快、灵敏度高、无损、绿色等优点，已经广泛应用于食品品质分析、种子育种、石油勘探、生命科学和橡胶交联密度等领域。
核磁共振测孔隙度原理
核磁共振测孔隙度原理核磁共振测孔隙度（Nuclear Magnetic Resonance Porosity，NMR）是一种非侵入性的测井技术，用于确定岩石孔隙的体积分数，以及描述留存流体类型和分布。
核磁共振测孔隙度原理基于核磁共振现象，通过测量核磁共振信号的强度和特征参数来推断孔隙度。
核磁共振是指原子或分子中的核自旋在外加磁场作用下吸收或辐射电磁波的现象。
具有非零核自旋的原子（如水、油等）能够通过核磁共振吸收外加磁场的能量，通过测量吸收的能量大小和特征参数，可以得出岩石中孔隙的体积分数。
核磁共振信号通常使用自由感应衰减（Free Induction Decay，FID）信号进行分析。
1.应用恒定的磁场：首先，在测井工具中应用强磁场，使矿物质和流体中的原子核自旋朝向对齐，形成核磁共振。
2.激发核磁共振：向磁场中加入一定频率的射频脉冲激发核自旋的能级，使它们跳到激发态。
3.检测核磁共振信号：原子核自旋从激发态退激时释放出能量，形成核磁共振信号。
这些信号以自由感应衰减（FID）的形式测量，并被记录下来。
4.分析核磁共振信号：通过分析FID信号的强度和特征参数，可以推断孔隙度。
FID信号的强度与孔隙介质中各种流体（如水、油、气等）的体积分数有关。
1.非侵入性：核磁共振测孔隙度技术不需要摧毁岩石样品，可以对井眼进行实时测量，无需取心样进行实验室测试。
2.全面性：核磁共振测孔隙度技术可以获得整个孔隙度（包括大孔与小孔）的信息，对于孔隙度的测量更为准确。
3.灵敏度高：核磁共振技术对不同类型的流体有较高的辨别能力，可以准确判断孔隙中流体的类型和含量。
4.实时性：核磁共振测井技术可以实时地获取井眼中的孔隙度数据，为油气勘探和开发决策提供实时支持。
核磁共振测孔隙度技术在石油工业中得到广泛应用。
它不仅可以用于孔隙度的测量，还可以进行饱和度、毛管压力和孔隙连通性等参数的识别和评估。
通过结合其他测井数据，可以更全面地了解地层的储油能力和储层性质，为油气勘探和开发提供科学依据。
多孔介质水合物中未水合水的核磁共振实验研究
多孔介质水合物中未水合水的核磁共振实验研究
展静;张鹏;王英梅;吴青柏
【期刊名称】《中南大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(53)4
【摘要】利用低场核磁共振技术开展多孔介质水合物中未水合水研究,提出一种定量分析含水合物的多孔介质未水合水含量的实验方法。
研究结果表明:颗粒粒径越小,未水合水含量较高;当颗粒粒径相同时,初始含水量越高未水合水含量也越高;初始压力越低,未水合水含量越高;未水合水含量较高时多分布于较大孔隙和大孔隙中,未水合水含量较低时多分布于小孔隙和较大孔隙中。
在水合物形成过程中,颗粒粒径、初始含水量及初始压力均对水分的迁移有一定影响,最终影响未水合水的含量及孔
隙分布变化。
【总页数】11页(P1525-1535)
【作者】展静;张鹏;王英梅;吴青柏
【作者单位】中国科学院西北生态环境资源研究院;中国科学院大学;兰州理工大学
能源与动力工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TE31
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低场核磁共振技术在食品领域中的研究进展
3、分析方法
对于采集到的共振信号，通常采用数字信号处理技术进行去噪、傅里叶变换等 处理，以获得原子核磁矩的分布和动态特性等信息。根据这些信息，可以采用 多种分析方法，如核磁共振氢谱（1H-NMR）、碳谱（13C-NMR）等，以揭示样 品的内部结构和性质。
研究结果
采用LF-NMR技术，可以实现对食品的多种检测和分析。例如，对于食品品质 的快速无损检测，LF-NMR可以用于检测水果和蔬菜的成熟度、肉类的新鲜度 等。在食品掺假鉴别方面，LF-Nห้องสมุดไป่ตู้R可以用于区分不同种类的油脂、奶制品等， 以检测其中是否掺假。此外，LF-NMR还可以用于研究食品包装材料的安全性 评价，以检测包装材料中的有害物质释放情况。
3.1实验材料准备选择不同品种的茶叶，如绿茶、红茶、黑茶等，进行实验。 3.2样品制备将茶叶样品研磨成粉末，以便于后续实验操作。
3.3实验操作将制备好的茶叶粉末放置在核磁共振管中，调整管内磁场和射频 频率等参数进行实验。
3.4数据处理与分析通过专业软件对实验数据进行处理和分析，提取茶叶含水 量的相关信息。 4.实验结果与分析本次实验测定了不同品种茶叶的含水量， 实验结果表明低场核磁共振技术测定茶叶含水量的准确性较高。同时，对比传 统干燥法测定结果发现，低场核磁共振技术具有更高的准确性和可靠性。这主 要得益于其非破坏性、快速、实时等优点。此外，该技术对茶叶品质的影响较 小，有望成为茶叶含水量测定的重要方法之一。
测量原理
LF-NMR的测量原理是利用原子核自旋磁矩在外加磁场中的共振现象。在静磁 场中，原子核自旋磁矩受到磁场力的作用，产生一个能级分裂。当外加射频信 号满足一定频率条件时，原子核磁矩将发生共振吸收，产生一个幅度减小的射 频信号。通过测量共振信号的幅度和频率，可以获得原子核磁矩的分布和动态 特性等信息。
核磁测试孔渗饱原理
T1自由 ——在一个足够大的容器（大道容器影响可以忽略不计）中测到的
孔隙流体的 T1 弛豫时间
T1表面 ——表面弛豫引起的孔隙流体 T1 弛豫时间
三种弛豫机制的相对重要性取决于孔隙流体的类型（水、油或气） 、孔隙 尺寸、表面弛豫强度以及岩石表面的润湿性。通常对于亲水岩石来说： 1. 对于盐水、 T2 主要由 T2表面 决定 2. 对于重油， T2自由 为主要影响因素；
1 T2扩散 D(GTE ) 2 式中 G——场强梯度，Gs/cm。 12
与自由弛豫一样，物理特性（如黏度和分子构成）控制扩散系数。另外，环 境条件、 温度和压力也影响扩散。 室温下水的扩散系数大约是 2 10 3 cm 2 /s 。 气、
油和水的扩散系数由下式给定： 气：Dg≈8.5×10-2（Tk0.9/ρg）× 10-5(cm2/s) 油：Do≈1.3（Tk/298η）× 10-5(cm2/s) 水：Dw≈1.2（Tk/298η）× 10-5(cm2/s) 气、油、水的扩散系数随温度增加而增大（η 随温度升高而减小） 。由于气 体密度随压力增大而增大，所以压力增大时气的扩散系数减小。油的扩散系数的 变化范围很大， 因为不同的油的分子构成变化很大， 导致油的黏度变化范围很大。 实际操作中，当介质颗粒和孔隙流体的磁化率存在差别时，磁场梯度增大， 这种梯度称为内部梯度，使弛豫时间进一步减小。对于润湿相流体，由于固液面 张力和流体之间界面张力的影响， 分子运动受限。 因此在相同温度和压力条件下， 岩石孔隙流体和自由流体的扩散系数不同。对于大多数流体来说，当采用短的 TE 时，扩散影响很小，但是天然气是个例外，即使采用很小的 TE，扩散特性也 很明显。根据需要选择合适的 TE，或凸显或忽略扩散效应。 最终弛豫率的表达式如下： 1/T2=1/T2 自由+ρ2（S/V）孔隙+D(γGTE)2/12 1/T1=1/T1 自由+ρ1（S/V）孔隙 图 1 描述了基本的弛豫机制：
低场核磁水分分布总峰面积
低场核磁水分分布总峰面积1.引言1.1 概述概述在核磁共振（NMR）技术的研究中，水分分布是一个重要的指标，它可以描述样品中水分子的含量和分布情况。
低场核磁共振（LF-NMR）技术是一种非侵入性、无损伤的手段，可以用来研究不同材料中的水分分布。
水分分布总峰面积是指在核磁共振谱中，反映水分分布情况的总峰面积。
这个峰面积可以通过对核磁共振谱进行峰面积分析来获得，它反映了样品中不同位置的水分子含量及其分布情况。
通过对水分分布总峰面积的研究，可以获得很多有用的信息。
首先，它可以用来评估样品中水分的含量，进而了解材料的湿度状况。
其次，它可以反映出材料中水分的分布情况，比如水分是否均匀分布，或者是否存在聚集现象。
此外，水分分布总峰面积还可以用来研究材料的孔隙结构和渗透性能。
在本文中，我们将主要关注低场核磁共振技术对水分分布总峰面积的研究。
我们将介绍LF-NMR技术的原理和实验方法，并探讨水分分布总峰面积在不同领域中的应用。
通过深入研究水分分布总峰面积，我们可以更好地理解材料中水分的分布特征，并为相关领域的研究提供参考和借鉴。
1.2 文章结构文章结构是指文章整体的组织架构和内部逻辑关系。
一个良好的文章结构有助于读者更好地理解文章内容，并使文章表达更清晰、条理更明晰。
本文的结构分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要包括概述、文章结构和目的三个方面。
首先，概述部分可以对低场核磁水分分布总峰面积进行简要介绍，提出相关问题和背景。
例如，可以解释低场核磁水分分布总峰面积在什么情况下会产生、有什么意义等。
接下来，文章结构部分应该明确指出本文的组织架构，即本文的大纲。
最后，目的部分阐明本文的研究目的和意义，即为什么要进行这项研究、它有哪些应用价值等。
文章的正文部分是对低场核磁水分分布总峰面积的具体内容进行阐述。
在第一个要点部分，可以对低场核磁水分分布总峰面积的定义、测量方法、相关理论等进行详细介绍。
第二个要点部分可以进一步探讨低场核磁水分分布总峰面积的应用领域、影响因素、研究进展等。
低场核磁水分分布
低场核磁水分分布
（实用版）
目录
1.低场核磁共振技术简介
2.低场核磁共振技术在水分分布检测中的应用
3.低场核磁共振技术在大米、虾干和刺槐种子中的应用实例
4.低场核磁共振技术的优势和未来发展方向
正文
一、低场核磁共振技术简介
低场核磁共振（LF-NMR）技术是一种测量物质中水分分布的无损检测方法。
它利用核磁共振现象，通过测量物质中氢原子在磁场中的共振吸收信号，获得物质的水分分布信息。
低场核磁共振技术具有检测速度快、分辨率高、操作简便等优点，被广泛应用于食品、农业等领域的水分检测。
二、低场核磁共振技术在水分分布检测中的应用
1.大米浸泡过程中的水分状态变化
通过低场核磁共振技术对大米浸泡过程中的水分状态进行测定，研究发现水分进入到大米中心所需的浸泡时间最短为 35 分钟，浸泡加水量最少。
这为大米的浸泡过程提供了科学依据，有助于提高大米的加工质量。
2.虾干过程中水分动态变化
低场核磁共振与磁共振成像技术可以监测虾干过程中水分的动态变化。
研究表明，虾干过程中的水分变化与其营养成分、口感和品质密切相关。
通过低场核磁共振技术检测虾干的水分动态变化，有助于优化虾干加工工艺，提高虾干品质。
3.刺槐种子吸水过程水分的变化
利用低场核磁共振技术检测刺槐种子吸水过程中水分的变化，可以获得刺槐种子吸水、萌发过程中的横向弛豫时间。
这有助于了解刺槐种子吸水过程中的水分分布规律，为刺槐种子的育苗、种植提供科学依据。
三、低场核磁共振技术的优势和未来发展方向
低场核磁共振技术具有检测速度快、分辨率高、操作简便等优点，在水分分布检测领域具有广泛的应用前景。
土壤低场核磁-概述说明以及解释
土壤低场核磁-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:土壤低场核磁共振是一种新兴的地球物理技术，通过测量土壤中原子核的核磁共振信号，实现对土壤内部结构和性质的非侵入式探测。
与传统的地球物理勘探方法相比，土壤低场核磁具有高分辨率、高灵敏度、无损伤性等优势，因此在土壤科学领域受到越来越多的关注和应用。
本文旨在深入探讨土壤低场核磁的概念、应用和优势，以期为土壤科学研究和相关领域的发展提供新的思路和方法。
在接下来的章节中，我们将详细介绍土壤低场核磁的原理和技术特点，探讨其在土壤研究、环境监测、农业生产等方面的应用，同时总结其在相关领域中的优势和不足之处，展望其未来发展的可能性。
愿本文能为读者提供一些启发和启示，促进土壤科学领域的进步和创新。
1.2 文章结构文章结构部分主要介绍了整篇文章的框架和组织结构，让读者对整篇文章有一个清晰的把握。
在这篇关于土壤低场核磁的文章中，文章结构部分将会包括以下内容:1. 引言部分：介绍土壤低场核磁的概念和背景，引出文章的主题和意义。
2. 正文部分：分为以下几个小节a. 土壤低场核磁的概念：介绍什么是土壤低场核磁，其原理和方法。
b. 土壤低场核磁的应用：详细阐述土壤低场核磁在实际应用中的场景和效果。
c. 土壤低场核磁的优势：探讨土壤低场核磁相对于其他技术的优势和特点。
3. 结论部分：总结全文，对土壤低场核磁的意义和未来发展进行展望，并得出结论。
通过这样清晰的结构，读者可以更好地理解和把握文章的内容，从而获得更丰富的知识和启发。
1.3 目的本文旨在探讨土壤低场核磁技术在土壤科学领域中的应用和优势。
通过对土壤低场核磁的概念、应用和优势进行深入分析和研究，我们希望能够更全面地了解这一新兴技术在土壤研究中的潜力和重要性。
同时，我们也希望为相关领域的研究人员提供一些参考和启发，推动土壤低场核磁技术在实际应用中的进一步发展和推广。
通过本文的研究，我们希望能够为土壤科学领域的发展和创新做出一定的贡献。
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Mxy
Mxymagnetization or 2Trelaxation
1T1 2T1 3T1 4T1 5T1 1T2 2T2 3T2 4T2 5T2
Time after application of pulse
射频线圈 永磁体等
? 永磁体用于产生主磁场 B0. ? 射频线圈分为信号 发送线圈和接
收线圈两部分， ? 发送线圈用于产生 B1，接收线
小波拟合后的曲线 （较粗曲线）
信号的处理
? 信号解谱
? 即对原始回波信号进行多指数弛豫谱反演计算
? y(t) ?
? x e ? (t ) T 2 max
T 2 min
? t / T2 j j
? 其中 x j为各横向弛豫时间T2 j 所对应的信号幅度值； T2min 与T2m ax 是测量的 自由感应衰减信号所能分辨的最短和最长横向弛豫时间，? (t)为噪声。
Vs ? N Vn
叠加平均处理后的信号
信号的处理
? 小波滤波
? 1)计算带噪信号Y 在选定小波基与分解层次下的多分辨率小波分解(MRA) ? 2)在小波域对小波高频系数的幅值采取软阈值处理。设d k为小波变换系
数，dk 是阈值处理后系数，则软阈值处理可表述为:
? sgn为符号函数，Thr是阈值 ? 3)用 d 代替 d做小波反变换，重构得到去噪后信号。
小波滤波处理后的信号
信号的处理
? 伪峰消除
? 低成本模拟正交检波处理信号时很容易产生伪峰
使用数字正交检波
信号的处理
? 峰值提取
? 为了排除检波出现的伪峰干扰以及其他不确定因素引起的噪声，设计出查 找提取峰值方法。
? 即在 [t j ? ? ,t j?1 ? ? ] 区间上，搜索确定峰值，其中 ? 参考值为： ? ?（t j?1 ? t j）/ 3
自旋即有磁场。
? 当B1分解后圆极化场角频率与拉莫尔进动角频率相同即发生上述能量交互过程即核磁共振现象。zz源自zMoB1
-y
wo
B1 off…
x
equilibrium... Mo
x
x
-y
Mxy wo
-y
撤去B1后的状态
? z轴方向上的磁场不断增大至原来的值， xy M0 方向上的磁场不断减小为 0.
? 其原理为，缩小查找区间，排除其他干扰，只在峰值出现的区域查找以准 确找到需要的峰值。
信号的处理
? 小波拟合
? 小波拟合小波多分辨率分析 (MRA)是将信号按 时间 -尺度在不同的分辨级 别上进行小波分解，分解的结果是将信号分解为低频分量和高频分量。
? 选择其中的低频分量，再对此曲线进行拟合既可以得到信号的走势
? 从以上方程中求解出各横向弛豫时间 T 2 j 以及所对应的幅值份额 x j 的过程 叫做解谱。
信息提取
? 对于不同样品，测试信号反映的信息也各有不同。
? 以多孔介质为例介绍：
? 孔隙度的计算
? 第i个T 值的孔隙度： 2i
?
i
?
M ri m r kr
?mwkw ?Vw ? 100% M w Vr
多孔介质低场核磁共振测试原理
吴晓亮
目录
信号 产生
磁体及线圈 射频模块
信号 采集
功放与 AD转换
信号 处理 信息提取
信号产生 即信号的来源
测试仪所采集的信号是电动势信号，来源如下 :
线圈中磁场变化
线圈中磁通量变化
线圈中产生电动势
撤去B1,弛豫
RF激发
为什么撤去 RF会有磁场变化？即核磁共振原理
?
– Coates-sbvi 模型 – SDR-REV 模型
详细分析比较复杂在此不做过多介绍
谢谢观赏
WPS Office
Make Presentation much more fun
@WPS 官方微博 @kingsoftwps
? 磁场从何而来?
B0
? 质子自旋产生。
? 当无外加磁场B0时，原子自旋 方向杂乱无章，宏观表现无磁 场；当施加 B0以后，自旋方向 和B0一致或相反，由于上下自 旋数量不同导致最终有一个和 B0一致的磁场产生。
? 即磁化过程
为什么撤去 RF会有磁场变化？即核磁共振原理
? 磁场为什么会变化？
? B1的施加与释放。并不是B1直接导致磁场变化，是B1（以RF脉冲形式 施加，一个周期内包含B1的产生与释放）的施加引起质子自旋方向的变 化，撤去以后自旋回复需要时间，在这个过程中所产生的的磁场变化。
? 岩心样品总孔隙度： ? ? NMR ? ? i i
? 其中M为样品T2谱的幅度， m和k分别为NMR实验累加次数和谱仪 接收增益， V为测量样品的体积．下标 r代表岩心， w为标准水样．
T2截止值的确定
信息提取
信息提取
? 岩心渗透率的测定 ? 渗透率描述： ? 岩心渗透率模型
– SDR模型
– Coates-cutoff 模型
圈用于信号采集。
信号的采集
? 射频接收线圈，感应到线圈内磁通量的变化产生电动势，如连接 回路则产生电流信号。
? 电流经放大和AD转换，由计算机收集最终数据
射频接收线圈
射频开关
正交检波
前置放大器
计算机
采集卡
AD转换
信号的处理
? 叠加平均
? 根据噪声的无序性可以设计以多次测量取平均的方法作为信号的基本处理。 Vs为信号，Vn即噪声。其比值正比如测量次数的平方根。
? 均已指数形式变化，当Z轴磁场增加到原来 的63%时的时间称之为 T1弛豫时间（自旋- Mz 晶格弛豫时间 ）。当xy方向磁场减小到原来 的37%时的时间称之为 T2弛豫时间（自旋自旋弛豫时间 ）。
? 特定样品对应着特定的 T1、T2值
Mz magnetization
or 1Trelaxation