文献解读|基于LF-NMR的多场相互作用的图形检测系统的开发和验证

发布时间：2025-05-26 17:24

摘要：

储存的谷物是一个复杂的生态系统，其中非生物和生物因素以及周围环境之间存在复杂的多场互动。清楚地了解这些相互作用对于确保粮食存储安全至关重要。本研究开发了一个基于低场核磁共振（LF-NMR）技术的图形检测系统，它由一个LF-NMR成像分析仪、一个小颗粒容器和专用软件组成。这个系统可以同时检测存储谷物样品的温度、湿度等，并通过专用软件直观地展示这些云图。为了验证系统的性能，我们用水稻样品进行了两次15天的实验室储存实验。结果表明，测量的云图可以准确地描述储存期间水稻样品中温度、湿度和湿度场的变化。通过云图也可以确定由于多场相互作用而具有真菌生长、谷物萌发和水分凝结的潜在风险的区域，这表明了该系统的可靠性能。这个系统可以提供一种新的技术手段来揭示谷物储存生态系统中复杂的耦合关系。

研究背景：

粮食安全对促进经济增长、改善民生、维护社会稳定和保障国家安全至关重要。储存是粮食消费和加工前不可或缺的阶段，储粮可被视为一个储粮生态系统，包括许多非生物因素（如温度、水分、湿度和微气流）和生物因素（如真菌、昆虫、螨虫和谷物）。共存的非生物和生物场之间的复杂相互作用显著影响储粮生态系统的稳定性，可能导致粮食质量和数量的重大损失。因此，系统监测这些场并进一步研究由相互作用引起的非线性现象（如真菌生长、水分凝结和谷物发芽）背后的潜在机制，对确保粮食安全至关重要。目前研究储粮堆中水分场的方法依赖于人工采样、水分传感器和数值模型，但这些方法都有其局限性。为了更好地监测谷物水分，一些研究人员提出了电磁成像系统、无线电层析成像系统等，也有研究报道使用射频、微波和近红外光谱来提高水分传感器的准确性和稳定性，但迄今为止，还没有基于低场核磁共振（LF-NMR）技术同时检测储粮温度、水分和湿度的系统或设备。本研究的目的包括：（1）提出一种基于LF-NMR的新型图形检测系统，以探索储存谷物内部的多场相互作用；（2）设计系统的结构，并开发其数据采集和图像生成软件；（3）通过使用稻谷样品进行两次小规模储存实验，评估该系统的可行性。

实验材料与方法：

1. 图形检测系统的组成：

LF-NMR 成像分析仪：苏州纽迈分析仪器股份有限公司，型号：MesoMR12-060H-I，由永磁体（场强0.35T）、探头线圈、探头支架、两个控制柜和显示器组成。探头线圈是数据采集的关键部件，直径150mm，穿透深度120mm，可通过调整成像参数测量置于线圈内谷物样品不同横截面的质子密度数据。

谷物容器：小型谷物容器，其尺寸可放入探头线圈，主体和盖子由聚四氟乙烯材料加工而成，以避免影响 LF-NMR 成像分析仪数据的准确性。容器主体直径 148mm、高 184mm、壁厚 4mm。

图1 核磁系统与谷物容器外观结构

数据采集与图像生成软件：使用 Python（3.9.12 版）开发了数据采集与图像创建软件，用于处理测量数据并将结果可视化为云图。软件界面在功能上分为显示区域和参数设置区域，显示区域可同时显示谷物样品一个横截面的顶部、正面或左侧视图的温度、水分和湿度云图，也可以表格形式显示原始温度数据。

图2 数据采集和图像创建软件的界面

存储实验：

为评估图形检测系统监测储粮温度、水分和湿度场的可行性，使用水稻设计了两个小型储存实验，每个实验持续 15 天，期间每 24 小时收集一次温度数据和质子密度数据。

实验1：热点和高水1415分区域：使用由两种不同初始 MC（分别为 18.3%（w.b.）和 31.9%（w.b.））的水稻组成混合谷物样品，混合谷物样品的总高度和直径分别为120mm和140mm。高水分水稻区域为圆柱形，直径60mm，高50mm，位于谷物容器的水平中心，其底部距离谷物容器底部39mm，剩余空间用低水分水稻填充。在高水分区域的中心放置一个尺寸为12mm×8mm×3mm的恒温加热器，以产生局部热点，加热器的额定功率和温度分别为4W和50℃，实测表面温度约为40℃，除收集质子密度数据的时间外，实验期间加热器持续处于加热状态。

实验2：仅热点：仅使用MC为18.3%（w.b.）的水稻，将水稻倒入谷物容器中，高度为120mm，直径为140mm，将加热器放置在水稻样品的中心以创建局部热点，其他操作与实验1相同。

实验结果与分析：

实验1：

温度场变化：

图3显示初始温度几乎均匀分布，约为16℃。随后，由于恒温加热器的加热，中心温度开始升高，第1天中心温度达到28.8℃，内壁附近为15.6℃。在温度梯度的驱动下，热量向外扩散，在样品上部形成局部高温区域。储存初期，该区域的大小和中心温度随时间逐渐增加，第0天至第7天，面积从0cm² 扩展到50.96cm²，中心温度从16.8℃升至32.7℃；后期面积和中心温度随时间下降，第14天分别降至33.42cm² 和30.2℃。这可能是因为初始阶段水稻的高水分赋予其良好的热特性（比热容和热导率），增强了储热和传热能力，导致热量积累和高温区域扩张，而随着水稻逐渐干燥失水，情况逆转，此外，谷物容器内的微气流通过传热也有助于减小高温区域。

图3实验1中V2部分在不同储存天数内的温度变化

水分场变化：

图4展示了混合样品V2截面在不同储存时间的水分迁移情况。可以观察到，样品装入后，中心出现了一个明显的高水分区域，其面积为37.07 cm²，最大含水率（湿基）达33.5%。该区域形状不规则，这可能是由于高水分稻谷中水分分布不均匀所致。在恒温加热器的加热作用下，该区域逐渐干燥失水，其面积和含水率随时间下降。到第4天，该区域几乎消失，面积降至最小的9.03 cm²，最大含水率降至22.4%（湿基），这使得整个截面的水分暂时呈现均匀分布状态。第6天，左上和右上截面出现了两个新的高水分区域，而中心区域已完全消失。这两个新区域的最大含水率达到39.0%（湿基），比初始状态高出6%。这种现象可能是由携带水蒸气的微气流向上移动引起的。当微气流遇到较冷的上部空气层和容器壁时，其温度降低，相对湿度接近饱和，于是表面和壁面附近的稻谷开始从空气中吸收水分，使其含水率增加。到第14天，这两个区域的总面积已增长至15.40 cm²，最大含水率达到40.2%（湿基），这表明可能已有自由水沉积。

图4 实验1中V2部分在不同储存天数内的湿度变化

湿度场变化：

图5展示了混合样品V2截面在不同储存时间的湿度扩散情况。初始状态下，中心截面的大部分区域被一个面积为49.20cm²、最大相对湿度（RH）达100% 的高湿度区域占据。随着高温区域温度的升高，高湿度区域内的RH开始下降以维持热力学平衡。与此同时，高水分稻谷逐渐干燥，其水分蒸发到间隙空气中。在微气流的携带下，水蒸气向外扩散，从而提高了整个截面的RH水平。到第5天，高湿度区域扩展到最大面积94.22 cm²，截面的最低RH从62.4%上升至69.6%，而最高 RH降至98.4%。随着这些过程的持续进行，水蒸气被携带到壁面和表面附近较冷的外围区域并积累，导致这些区域的RH升高，最终在截面两侧形成两条狭窄的高湿度带。储存结束时，高湿度区域的面积缩小至79.33 cm²。

图5 实验1中V2部分在不同储存天数内的湿度变化

本研究提出了首个基于低场核磁共振（LF-NMR）的图形检测系统，用于探究储粮中的多场相互作用。从图3、图4和图5的云图中可以直接观察到温度、水分和湿度场之间的物理相互作用。简而言之，在相互作用过程中，温度充当驱动力，促使水分蒸发并引发微气流；微气流作为载体，协助水蒸气扩散和水分迁移，进而影响温度分布。对于谷物发芽而言，温度需高于4℃且含水率在15%至45%之间。同样，真菌生长需要温度高于20℃、含水率高于13.5%（湿基）且相对湿度高于75%。通过分析云图发现，尽管整个储存期间中心区域的温度始终超过25℃，但中心区域的含水率和相对湿度却随时间下降。相反，左上和右上截面的含水率和相对湿度持续增加，且温度维持在20℃左右。因此，尽管温度较低，但与中心区域相比，这些区域的条件更有利于真菌生长和谷物发芽。