[发明专利]一种基于NMR的粮仓多场耦合图形化探测系统和方法

权利要求书

1.一种基于NMR的粮仓多场耦合图形化探测系统，其特征在于：由粮仓模拟装置(A)、核磁共振成像分析仪(B)和数据采集处理系统(C)组成，其中：所述的粮仓模拟装置(A)由储粮罐(A1)、第二检测线路板组(A2)、第一检测线路板(A3)和顶盖组件(A4)和插接件(1)组成，其中：储粮罐(A1)为敞口圆筒状，其壳体(2)上端内面设有均布的凸台组(3)的四个凸台；第二检测线路板组(A2)由24块结构相同的检测线路板组件组成，每块检测线路板组件均由线路板(4)、温度传感器组(5)的5个温度传感器和发光二极管(6)组成，温度传感器组(5)的5个温度传感器均布于线路板(4)的上部，发光二极管(6)固接于线路板(4)近下端；第一检测线路板(A3)为圆形，其上设有定位孔组(7)的24个孔，且在与圆心同心的三个圆周上分布，由内至外分别为4个、8个和12个；圆周上均布凸台组(8)的四个凸台；顶盖(A4)为伞形，上面近前端固接有提柄(9)、上面右侧设有螺纹孔(10)，下端面设有滑槽组(11)的4个滑槽、凹槽组(12)的4个凹槽；储粮罐(A1)、第二检测线路板组(A2)、第一检测线路板(A3)和顶盖组件(A4)自下而上顺序排列，第二检测线路板组(A2)的24块线路板上端对应固接于第一检测线路板(A3)的24个孔下面；工作状态下，第二检测线路板组(A2)的24块线路板位于储粮罐(A1)内，第一检测线路板(A3)中凸台组(8)的四个凸台与储粮罐(A1)内面接触；第一检测线路板(A3)与插接件(1)通信连接；插接件(1)与顶盖(A4)的螺纹孔(10)螺纹连接；所述的核磁共振成像分析仪(B)由C型大孔腔磁体(B1)、大口径检测线圈(B2)、控制柜(B3)、显示器(B4)和线圈支架(B5)组成；所述的数据采集处理系统(C)由工控机(C1)、核磁共振成像软件(C2)、温度数据采集软件(C3)和云图生成软件(C4)组成；粮仓模拟装置(A)置于核磁共振成像分析仪(B)的大口径检测线圈(B2)中；数据采集处理系统(C)的工控机(C1)内置于核磁共振成像分析仪(B)的控制柜(B3)中，并与粮仓模拟装置(A)、核磁共振成像分析仪(B)的大口径检测线圈(B2)通信连接。

2.根据权利要求1所述的基于NMR的粮仓多场耦合图形化探测系统，其特征在于：所述的核磁共振成像分析仪(B)的大口径检测线圈(B2)下端固接于线圈支架(B5)的上端；线圈支架(B5)置于C型大孔腔磁体(B1)的中心位置；控制柜(B3)置于C型大孔腔磁体(B1)的右侧，并与大口径检测线圈(B2)通信连接；显示器(B4)置于控制柜(B3)的上端，并与控制柜(B3)通信连接。

3.根据权利要求1所述的基于NMR的粮仓多场耦合图形化探测系统，其特征在于：所述的数据采集处理系统(C)的核磁共振成像软件(C2)、温度数据采集软件(C3)与工控机(C1)通信连接；云图生成软件(C4)与核磁共振成像软件(C2)、温度数据采集软件(C3)通信连接；云图生成软件(C4)包括数据处理模块(13)、云图生成模块(14)和数据存储模块(15)，云图生成模块(14)与数据处理模块(13)、显示器(B4)通信连接，云图生成模块(14)、数据存储模块(15)相互通信连接。

4.一种基于权利要求1所述基于NMR的粮仓多场耦合图形化探测系统的探测方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)在储粮罐(A1)内装入一定高度的粮食、第二检测线路板组(A2)和第一检测线路板(A3)，安装顶盖(A4)并做密封处理，然后放入模拟环境中进行储藏模拟；

2)用标准油样对核磁共振成像分析仪(B)的中心频率、磁场均匀度、软硬射频脉冲宽度等仪器参数进行校正；

3)将粮仓模拟装置(A)从模拟环境中取出，放入核磁共振成像分析仪(B)的大口径检测线圈(B2)内，运行温度数据采集软件(C3)采集此时刻粮仓模拟装置(A)内粮堆的温度分布数据；运行核磁共振成像软件(C2)，调整层数、层厚、层间距等成像参数，使核磁共振成像位置与温度检测位置保持一致，采集此时刻粮仓模拟装置(A)内粮堆的水分分布数据；

4)利用云图生成软件(C4)中的数据处理模块(13)对所采集的粮堆温度分布数据和粮堆水分分布数据进行处理，处理过程如下：

4.1)将所采集的粮堆温度分布数据按照粮堆横截面和纵截面进行划分归类，并利用下述数学插值模型计算得到粮堆截面的温度数据插值矩阵；

其中：x_i为给定点，且其函数值f(x_i)已知，f是一个确定性的连续函数；x∈R^d；||x-x_i||为欧几里得范数；λ_i∈R；n，b∈R^d；a∈R；φ为径向基函数；

4.2)从所采集的粮堆水分分布数据核磁源文件中提取粮堆截面的水分分布图像，并进行二值化阈值处理，得到粮堆截面的图像轮廓；对于每一幅图像轮廓，逐行计算该图像轮廓中每一行左右两个端点之间的像素个数，其最大值所在行左右端点记作x₀和x₁；逐列计算每一列上下两个端点之间的像素个数，其最大值所在列上下端点记作y₀和y₁；忽略图像在频率编码方向----x方向上的畸变，只考虑相位编码方向----y方向上的畸变，则有：

粮堆横截面图像的畸变系数为：

粮堆纵截面图像的畸变系数为：

其中：h为粮堆高度，d为粮堆直径；

根据粮堆截面对应的畸变系数，按下述公式逐列对粮堆截面图像轮廓中每一列像素的位置坐标进行校正；

y_i＝(y_i0-y_center)×S+y_center

其中：其中y_i为像素i校正后的y坐标，y_i0为像素i的初始y坐标，y_center为图像轮廓中心点的y坐标；对于校正后缺失像素的像素值，利用4.1)中的数学插值模型进行补全；

根据下述公式将校正后的粮堆截面水分分布数据转换为实际含水率分布数据；

其中：M_i为粮堆截面图像轮廓上任一点的湿基含水率，k为标定比例系数，A_all为粮堆截面图像轮廓上所有点的核磁信号强度数值之和，b为标定常数，A_i为该点的核磁信号强度数值，n为粮堆截面图像轮廓上的总点数；

根据粮堆截面中温度传感器的位置坐标，从粮堆截面的实际含水率分布数据中提取坐标点对应的数据，利用4.1)中的数学插值模型计算得到粮堆截面的实际含水率数据插值矩阵；

4.3)根据粮堆截面中温度传感器的位置坐标，从粮堆截面对应的温度数据插值矩阵和实际含水率插值矩阵中提取坐标点对应的数据，并按照下述三参数ERH模型计算粮堆截面中指定位置处的相对湿度数据；

其中：ERH_i为粮堆截面中第i点的相对湿度，EMC_i为该点的粮食湿基含水率，T_i为该点所处环境的粮食温度，A、B、C为方程参数；

将计算得到的粮堆截面相对湿度数据及坐标代入4.1)中的数学插值模型，计算得到粮堆截面的相对湿度数据插值矩阵；

5)基于粮堆截面温度数据插值矩阵、粮堆截面实际含水率数据插值矩阵和粮堆截面相对湿度数据插值矩阵，通过云图生成软件(C4)中的云图生成模块(14)重现粮堆截面的温度场、水分场和相对湿度场分布云图，并显示在核磁共振成像分析仪(B)的显示器(B4)中；

6)在储藏模拟周期内，按照一定的时间间隔重复步骤2)至5)，利用粮情云图技术对储粮周期内粮堆内部的多场耦合效应进行图形化探测；

7)储藏模拟周期结束，将采集日期、采集时间、粮堆截面标识、温度数据插值矩阵、实际含水率数据插值矩阵、相对湿度数据插值矩阵、温度场云图、水分场云图和相对湿度场云图等数据储存至云图生成软件(C4)的数据储存模块(15)中，供后续查询和使用。