阅读说明：本技术 一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测装置及探测方法 (Non-invasive nuclear magnetic resonance granary reserve detection device and detection method ) 是由 林婷婷 周坤 陈超 林雨生 滕飞 于 2020-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测装置及探测方法,该装置包括主检测装置、弱磁传感器阵列、万向旋转支架以及激发线圈。探测中,万向旋转支架和激发线圈转至待测角度,主检测装置启动直流检测,激发粮食内水分,该直流硬关断后弱磁传感器阵列采集核磁共振信号,此时可初步判断是否掺假；随后主检测装置可以再启动直流和交流联合激发,此时直流为软关断,激发结束后弱磁传感器阵列采集核磁共振信号,并将其保存并传输至手持终端分析。本发明使用万向旋转支架、激发线圈以及阵列式弱磁传感器对粮仓的储量进行检测,防止地方粮仓在巡检过程中掺假,具有无损、高效率、精细成像的优点,拓展了核磁共振方法的应用范围。(The invention relates to a non-invasive nuclear magnetic resonance granary reserve detection device and a detection method. In detection, the universal rotating support and the exciting coil are rotated to an angle to be detected, the main detection device starts direct current detection to excite moisture in grains, the weak magnetic sensor array collects nuclear magnetic resonance signals after the direct current is turned off, and whether adulteration exists or not can be judged preliminarily at the moment; and then the main detection device can restart the direct current and alternating current combined excitation, the direct current is soft turn-off, and after the excitation is finished, the weak magnetic sensor array acquires nuclear magnetic resonance signals, stores the nuclear magnetic resonance signals and transmits the nuclear magnetic resonance signals to the handheld terminal for analysis. The invention uses the universal rotating bracket, the exciting coil and the array weak magnetic sensor to detect the reserves of the granary, prevents the local granary from being adulterated in the inspection process, has the advantages of no damage, high efficiency and fine imaging, and expands the application range of the nuclear magnetic resonance method.)

一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测装置及探测方法

技术领域

本发明属于粮仓管理、粮仓储量检测技术领域，尤其是适用于粮仓巡检时粮食掺假的非侵入式核磁共振粮仓储量探测装置及探测方法。

背景技术

我国人口总量巨大，粮食储备要求严峻，截至2018年底，我国仓容总量超过6.3亿吨。由于粮食储备基数庞大，利润丰厚，因此部分粮仓在管理过程中存在掺假、虚库、自盗等情况，给国家造成了较大的经济损失的同时，也会间接影响储备粮的紧急调用。目前，我国在粮仓检查时，一般采用进出仓记录核算与实际储量情况检测相结合的方式。然后现有的粮仓储量检测方法多采用称重，体积估算等方式，因此，很容易在粮仓巡检的过程中弄虚作假。因此，为了快速检测粮仓内部的真实储量情况，必要探索和发展适合于粮仓探测的非侵入式核磁共振粮仓数量探测装置及探测方法。

专利CN103307976公开了“粮仓中粮食存储量的监测方法”，包括设于粮仓顶部的一个电机、报警器、二维转台、测距传感器和计算机。该发明通过测距传感器测量每次进粮及出粮后的粮食上表面三维坐标点集，从而获得每次粮仓变化后的粮仓模型，进一步计算粮仓模型的体积，最后计算粮食的存储量。

专利CN108958178公开了“粮食存储的监控系统”，是由粮库、摄像头、扫描器、称重装置和控制终端组成。摄像头、扫描器和称重装置设置在粮仓入口处，控制终端位于控制室内，此外，在粮食转运过程中设有光电感应器。该发明通过在入口处对出入库的粮食进行称重，计算粮仓的总储量，并通过光电传感器判断是何种粮食并指明储存的位置，从而实现粮食存储过程的全监控。

专利CN110823334公开了“一种粮仓储粮检测方法及系统”，是由粮仓内布置的底面压力传感器组成。检测时，首先将压力传感器的输出值进行预处理，包括，保留与传感器输出值的平均值的差在设定范围内的输出值，然后将经过预处理的传感器的输出值用于粮仓储粮数量的计算，从而实现粮仓储量的精确检测。

上述发明的粮仓监测装置及监测方法，在粮仓储量统计管理上具有重要的作用，分别通过体积估算，称重检测，称重优化等方式实现粮仓的储量及异常监测，具有简便、快捷、计量精度高、降低人力成本的特点。但是，在粮仓巡检时，巡检人员仍然需要根据监测记录对粮仓的储量情况进行核算。此外，由于无法实时直观的查看粮仓内部的情况，发生监守自盗的情况时，面对掺假，虚库等真实情况，仍然无法判断真实情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测装置，适用于粮仓巡检时，粮仓内部储量以及粮食质量情况的高效率、高分辨率探测。

本发明是这样实现的，

一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测装置，该装置包括：

手持终端，采用无线传输的通信方式，用于配置探测装置工作状态及参数，并回收采集到的磁共振信号数据，通过内置的数据分析算法，实时解压、解析粮仓探测时获取的磁共振信号，并生成粮食分布云图以及探测报告；

激发线圈，承载产生的直流电和交流电，激发粮食内水分的核磁共振信号；

弱磁传感器阵列，对粮食内水分的核磁共振信号采集；

万向旋转支架，用于支撑弱磁传感器阵列，实现粮仓内任意方向的探测；

主检测装置，通过产生直流电和任意波形交流电给激发线圈，实现粮食内部水分的核磁共振信号激发，并通过连接弱磁传感器阵列收集并回传磁共振信号返回至手持终端进行分析。

进一步地，所述弱磁传感器阵列包括：

多个磁传感器，固定在万向旋转支架的不同位置，通过数据传输线与主检测装置中的原始信号采集模块连接，用于弱磁信号的采集；

磁传感器检测模块，与磁传感器连接，实时监测磁传感器的状态，当磁传感器出现异常时，主动报警提醒。

进一步地，所述万向旋转支架包括三角支架、万向转头以及线圈支架，其中：

三角支架，与万向转头连接，用于支撑线圈支架保持某一固定方向；

万向转头，与线圈支架直接连接，通过旋转至任意角度，实现不同方向的探测；

线圈支架，用于固定线圈形状，以及固定弱磁传感器阵列。

进一步地，所述线圈支架为方形结构，在方形结构的对角线上对称布置四个磁传感器。

进一步地，所述主探测装置包括：

无线通讯控制器，与手持终端进行通信，接收参数配置并回传压缩后的磁共振信号数据；此外与总控制器连接，控制探测装置运行；

总控制器，按照设定的探测时序，控制直流电的产生。

进一步地，所述主探测装置还包括：

大功率电源，通过与阻抗调节器连接，为直流电的输出提供能量；

阻抗调节器，与激发线圈连接，将大功率电源的能量可控的输入到激发线圈上，从而产生所需的直流电；

任意波生成器，受总控制器控制，产生不同波形，不同频率的交流信号；

功率放大器，与功率调节器连接，功率调节器受到总控制器的控制，输出交流，通过功率放大器放大产生任意波交流信号；

直流交流隔离模块，置于功率放大器与激发线圈之间，避免直流电和交流电之间的相互串扰，仅让产生的直流电和交流电作用于激发线圈；

基础电源，为无线通讯控制器、总控制器、任意波生成器，功率放大器，功率调节器提供各自所需的电源，从而保证探测装置的正常运行。

进一步地，所述主探测装置还包括：

原始信号采集模块，与弱磁磁传感器阵列连接，收集各个磁传感器上获取的磁共振信号；

数据本地存储，与原始信号采集模块连接，将获取的信号数据存储在本地，以备后续数据处理、核验使用；

数据压缩模块，与数据本地存储连接，将压缩后的数据，传输至无线通讯控制器，进一步将其发送至手持终端，从而现场得出探测结果。

进一步地，装置产生直流电大小为50-200A，持续时间为5s，交流电大小为0.05A-10A，持续时间为40ms；弱磁传感器阵列持续采集；

一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测方法，包括以下步骤：

步骤1、选定探测位置，固定线圈方向，连接探测装置；

步骤2、粮仓储量检测装置开机自检；

步骤3、根据实际探测需求，计算阻抗调节器的大小，调整直流电输出的大小，同时手持终端设置其他探测参数；

步骤4、判断手持终端与检测装置数据是否能够正常互传数据，若无法正常通信，则分别检查手持终端和检测装置，并重新检验；

步骤5、弱磁传感器阵列中各个弱磁传感器开始持续采集所属检测范围内的信号，启动直流检测，待直流激发结束后，采用硬关断方式，弱磁传感器阵列采集不同位置的核磁共振信号；

步骤6、数据本地存储模块首先将弱磁传感器检测到的信号保存，以备后续实验结果复核使用，然后将检测到的信号通过无线通讯传感器发送至手持终端；

步骤7、手持终端内设数据重构算法，将传输至手持终端的信号进行还原表示，得到原始数据信息；

步骤8、恢复原始数据后，手持终端的内置算法通过数字滤波、频谱变换等手段进一步对信号进行消噪处理，然后将处理后的弛豫信号与完全存储粮食时的理论信号对比，当检测到的弛豫信号与理论信号存在差异时，认为其存在掺假可能，当检测到的弛豫信号与理论信号相同或在误差允许范围内时，认为其不存在掺假现象；

步骤9、若该粮仓的这一探测位置不存在掺假，则旋转或移动万向旋转支架探测其他位置；若初步解析结果发现这一探测位置存在异常，则启动后续的直流和交流联合探测，将待测前方分层进行详细探测，从而进一步分析粮仓异常情况；

步骤10、启动直流激发，增强粮食的磁共振信号强度，待直流电软关断后，迅速使用交流电激发，阵列磁传感器采集不同位置的核磁共振信号，此时数据通过步骤6至步骤7被压缩并传输回手持终端；

步骤11、为了避免随机噪声等对核磁共振信号的影响，重复步骤10对核磁共振进行叠加测试，较小噪声影响；

步骤12、手持终端上对步骤10和11获取的磁共振信号进行数字滤波、频谱变换等手段进一步对信号进行消噪处理，然后将待测前方的某一层处理后的弛豫信号与完全存储粮食时的理论信号对比，从而获取某一层深的准确储粮情况；

步骤13、根据预设的探测参数，直流电维持恒定，功率调节器调整交流电至下一个设定数值，重复步骤10-12的操作，从而实现对不同深度的粮食存储情况进行判定；

步骤14、整体探测完成后，将各个层深的储量情况完整的绘制在一张云图上，此时，该测点的完整探测过程完成；

步骤15、如果需要对探测其他位置的储粮情况，则重新布设万向旋转线圈后，重复步骤4-14；

步骤16、待所有的测量结束后，手持终端生成探测的详细报告，得到粮仓内部实际的储粮情况。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

1、本发明提出的一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测装置及探测方法，能够保证在粮仓巡检时，不需要翻开粮食堆，即可快捷的抽样调查粮仓真实储粮状况，而不是仅仅依靠核算进出仓记录来达到检查的目的，对防止监守自盗事情的发生具有重要的意义，具有便捷、安全、环保的特点；

2、本发明提出的探测装置采用万向旋转线圈和分布式仪器的方案，能够实现任意位置，任意方向的探测，避免了更换探测地点时频繁布线困扰，适用于不同粮仓的抽检具有高效、快速的优点；

3、本发明提出采用手持终端与主探测装置相结合的方式，采用手持终端控制主探测仪器的运行，并回收数据，实时得出粮仓的探测结果，绘制粮食分布云图，生成报告，对粮仓巡检下一步工作安排具有指导意义；

4、本发明提出的弱磁传感器阵列，采用半覆盖布设的方式，满足检测区间覆盖整个激发线圈所覆盖的范围，从而实现待测粮仓前方的多维成像能力，且弱磁传感器阵列持续的记录在探测粮仓过程中的磁场变化，具有准确性高、速度快等优点，从而避免某一时刻传感器异常影响整体探测结果；

本发明提出的一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测装置及探测方法，具有非侵入性探测、探测结果准确、探测速度快、便捷环保的特点，解决了传统粮仓巡检过程中无法实际勘测粮仓内部实际储粮状况的难题，本发明将为我国粮食管理、粮食存储行业奠定重要的基础，具有良好的推广前景和推广价值。

附图说明

图1为一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测装置工作布置示意图；

图2为一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测装置结构框图；

图3为一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测方法工作流程图；

图4为一种磁传感器阵列测量范围示意图；

其中，1主探测装置，2激发连接线，3万向转头，4弱磁传感器阵列，5线圈支架，6激发线圈，7磁传感器连接线，8三角支架，9数据传输线，10手持终端(APP)，11无线通讯控制器，12总控制器，13大功率电源，14任意波生成器，15基础电源，16阻抗调节器，17功率放大器，18功率调节器，19直流交流隔离模块，20磁传感器监测模块，21第一磁传感器，22第二磁传感器，23第三磁传感器，24第四磁传感器，25原始信号采集模块，26数据本地存储，27数据压缩模块，28第一磁传感器所属检测范围，29第二磁传感器所属检测范围，30第三磁传感器所属检测范围，31第四磁传感器所属检测范围。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测装置，包括手持终端(APP)10、弱磁传感器阵列4、万向旋转支架、主检测装置9以及所属的激发线圈6；手持终端(APP)采用无线传输的通信方式控制整体探测装置进行粮仓探测；主探测装置1通过激发连接线2与激发线圈6连接，从而实现直流电和交流电的输出；具体包括：

激发线圈，承载产生的直流电和交流电，激发粮食内水分的核磁共振信号；通过弱磁传感器阵列，对粮食内水分的核磁共振信号采集；

万向旋转支架，用于支撑弱磁传感器阵列，实现粮仓内任意方向的探测；

主检测装置，通过产生直流电和任意波形交流电给激发线圈，实现粮食内部水分的核磁共振信号激发，并通过连接弱磁传感器阵列收集并回传磁共振信号返回至手持终端进行分析。

其中，万向旋转支架上，三角支架8与万向转头3进行机械连接，万向转头3与线圈支架5机械连接，从而构成万向旋转支架承载激发线圈6，实现粮仓的任意角度探测；

其中，弱磁传感器阵列4是由多个磁传感器固定在线圈支架5上，弱磁传感器阵列4通过磁传感器连接线7和数据传输线9与主探测装置连接；

弱磁传感器阵列包括：

多个磁传感器，固定在万向旋转支架的不同位置，通过数据传输线与主检测装置中的原始信号采集模块连接，用于弱磁信号的采集；

磁传感器检测模块，与磁传感器连接，实时监测磁传感器的状态，当磁传感器出现异常时，主动报警提醒。所述线圈支架为方形结构，在方形结构的对角线上对称布置四个磁传感器。

单个弱磁传感器分别具有所属的检测范围，多个磁传感器组成的弱磁传感器阵列要求固定于线圈支架上，采用半覆盖布设的方式，满足检测区间覆盖整个激发线圈所覆盖的范围；

参见图2，一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测装置，还包括基础电源15分别与无线通讯控制器11、总控制器12、任意波生成器14、功率放大器17和功率调节器18电气连接，并为其提供电源供给；无线通讯控制器11与手持终端(APP)10双向通信，接收参数以及传输磁共振信号数据；大功率电源，通过与阻抗调节器连接，为直流电的输出提供能量；

阻抗调节器，与激发线圈连接，将大功率电源的能量可控的输入到激发线圈上，从而产生所需的直流电；

任意波生成器，受总控制器控制，产生不同波形，不同频率的交流信号；

功率放大器，与功率调节器连接，功率调节器受到总控制器的控制，输出交流，通过功率放大器放大产生任意波交流信号；

直流交流隔离模块，置于功率放大器与激发线圈之间，避免直流电和交流电之间的相互串扰，仅让产生的直流电和交流电作用于激发线圈；

基础电源，为无线通讯控制器、总控制器、任意波生成器，功率放大器，功率调节器提供各自所需的电源，从而保证探测装置的正常运行。

其中，无线通讯控制器11将探测参数传递至总控制器12，大功率电源13经阻抗调节器16与激发线圈6连接，从而产生直流电；任意波生成器14经功率放大器17放大信号，再经过直流交流隔离模块19后与激发线圈6连接，从而产生交流电，功率调节器18与功率放大器17连接调整交流电大小；总控制器12分别与阻抗调节器16，任意波生成器14，功率调节器18连接，控制直流电和交流电的输出，同时控制直流电和交流电的大小；主探测装置还包括：

原始信号采集模块，与弱磁磁传感器阵列连接，收集各个磁传感器上获取的磁共振信号；

数据本地存储，与原始信号采集模块连接，将获取的信号数据存储在本地，以备后续数据处理、核验使用；

数据压缩模块，与数据本地存储连接，将压缩后的数据，传输至无线通讯控制器，进一步将其发送至手持终端，从而现场得出探测结果。

其中，本实施例中包括了四个磁传感器，分别为：第一磁传感器21、第二磁传感器22、第三磁传感器23、以及第四磁传感器24，磁传感器受磁传感器检测模块20监测，磁传感器经原始信号采集25、数据本地存储26、数据压缩模块27后与无线通讯控制器11连接，从而实现数据的采集、存储、压缩、传输。

在探测装置中，产生所需直流电大小为50-200A，持续时间为5s；交流电大小为0.05A-10A，持续时间为40ms；弱磁传感器阵列持续采集；

参见图3，一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测方法工作流程，包括开机自检、数据传输校验、直流电探测初步判定粮仓掺假情况，直流电和交流电联合探测生成粮仓分布云图，弱磁传感器阵列采集信号，将数据保存并回传至手持终端(APP)；

一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测方法，具体包括以下过程：

a、选定探测位置，固定线圈方向，连接探测装置；

b、粮仓储量检测装置开机自检；

c、根据实际探测需求，计算阻抗调节器的大小，调整直流电输出的大小，同时手持终端(APP)设置其他探测参数；

d、判断手持终端与检测装置数据是否能够正常互传数据，若无法正常通信，则分别检查手持终端(APP)和检测装置，并重新检验；

e、弱磁传感器阵列中各个弱磁传感器开始持续采集所属检测范围内的信号，启动直流检测，待直流激发结束后，采用硬关断方式，弱磁传感器阵列采集不同位置的核磁共振信号；

f、数据本地存储模块首先将弱磁传感器检测到的信号保存，以备后续实验结果复核使用，然后将检测到的信号通过无线通讯传感器发送至手持终端(APP)。考虑到传输数据量较大，因此对待传输的信号进行压缩处理，即在不影响原始数据的情况下将其稀疏表示，减小内存占用；

g、手持终端(APP)内设数据重构算法，将传输至手持终端(APP)的信号进行还原表示，得到原始数据信息；

h、恢复原始数据后，手持终端(APP)的内置算法通过数字滤波、频谱变换等手段进一步对信号进行消噪处理，然后将处理后的弛豫信号与完全存储粮食时的理论信号对比，当检测到的弛豫信号与理论信号存在差异时，认为其存在掺假可能，当检测到的弛豫信号与理论信号相同或在误差允许范围内时，认为其不存在掺假现象；

i、若该粮仓的这一探测位置不存在掺假，则旋转或移动万向旋转支架探测其他位置；若初步解析结果发现这一探测位置存在异常，则启动后续的直流和交流联合探测，将待测前方分层进行详细探测，从而进一步分析粮仓异常情况；

j、启动直流激发，增强粮食的磁共振信号强度，待直流电软关断后，迅速使用交流电激发，阵列磁传感器采集不同位置的核磁共振信号，此时数据通过步骤f至步骤g被压缩并传输回手持终端(APP)；

k、为了避免随机噪声等对核磁共振信号的影响，重复步骤j对核磁共振进行叠加测试，较小噪声影响；

l、手持终端(APP)上对步骤j和k获取的磁共振信号进行数字滤波、频谱变换等手段进一步对信号进行消噪处理，然后将待测前方的某一层处理后的弛豫信号与完全存储粮食时的理论信号对比，从而获取某一层深的准确储粮情况；

m、根据预设的探测参数，直流电维持恒定，功率调节器调整交流电至下一个设定数值，重复步骤j-l的操作，从而实现对不同深度的粮食存储情况进行判定；

n、整体探测完成后，将各个层深的储量情况完整的绘制在一张云图上，此时，该测点的完整探测过程完成；

o、如果需要对探测其他位置的储粮情况，则重新布设万向旋转线圈后，重复步骤d-n；

p、待所有的测量结束后，手持终端APP生成探测的详细报告，从而得到粮仓内部实际的储粮情况。

参见图4为弱磁传感器阵列测量范围；线圈支架上布置弱磁传感器阵列，和激发线圈；

弱磁传感器阵列4对称固定在线圈支架5的对角线上，用于检测磁信号；

其中，第一磁传感器21所属的检测范围28、第二磁传感器22所属的检测范围29、第三磁传感器23所属的检测范围30、以及第四磁传感器24所属的检测范围31，其采用半覆盖式的方式，从而满足检测区间覆盖整个激发线圈6所覆盖的范围。

本发明提出的一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测装置及探测方法，能够在不翻开粮仓的情况下，清晰的展现粮仓内部的储物情况，从而满足在粮仓巡检过程中对粮仓抽样调查的需要；探测装置采用万向旋转线圈、手持终端(APP)、分布式探测装置的设计结构，在一定程度上减少了频繁改变探测地点时铺设线圈的工作量，提高了探测效率；设计的弱磁传感器阵列方案，增强了粮仓的精确成像能力，具备探测结果准确、多维成像的优点；探测方法从初步判断是否存在掺假到精确提供粮食分布图，即提高了检测效率，又能够准确的得出探测结果；采用的手持终端(APP)能够实时得出粮仓的粮食分布云图，对粮仓巡检工作的安排具有指导意义；

本发明提出的一种非侵入式核磁共振粮仓储量探测装置及探测方法，具有探测结果准确、探测速度快、安全环保的特点，解决了传统粮仓巡检过程中无法实际勘测粮仓内部实际储粮状况的难题，本发明将为我国粮食管理、粮食存储行业奠定重要的基础，具有良好的推广前景和推广价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。