CN106525891A - 检测古代壁画支撑体内水分分布的磁共振装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测古代壁画支撑体内水分分布的磁共振装置及检测方法，其由上位机经处理器、脉冲序列发生器和正弦波发生器、波形调制单元、功率放大器与发射线圈连接，上位机经信号采集单元、信号调理单元与接收线圈连接构成。其检测方法为：确定好检测次数、用探头逐个检测每个位置处的含水量，将位置信息和含水量信息相结合，绘制出壁画支撑体内水分分布图。本发明利用唯一直接探测水的磁共振方法，对古代壁画支撑体的水分分布进行了高精度、高分辨率的无损检测。本发明为文物保护领域引入了新的方法，同时拓展了磁共振技术的应用。

Description

检测古代壁画支撑体内水分分布的磁共振装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测古代壁画支撑体内水分分布的磁共振装置及检测方法，尤其涉及一种无损的定性定量测定古代壁画支撑体内水分分布的磁共振装置及方法。

背景技术

古代壁画是我国重要的物质文化遗产，以其特有的表现形式诉说着各个历史时期的独特文化，诠释着各时代辉煌灿烂的历史、社会形态、意识形态、民俗民风，承载着丰富的历史信息，美学、艺术、科学价值巨大，其支撑体一般是石、砖、墙、木、绢、纸，由于地域、时代、制作工艺材料等的不同，不同壁画存在的问题差异很大。在环境和人为因素共同作用的情况下，壁画会发生空鼓、酥碱、起甲、褪色、脱落、皴裂、霉变等病害，目前我国古代壁画受损十分严重，而且很多地方古代壁画的日常监测和维护几乎空白。水盐运移往往是引起壁画发生病害的主要原因，因此确定壁画支撑体内水分的运动过程和分布是维护工作的第一步。

国外一般使用红外热成像法、电阻率法及重力法检测壁画支撑体内的水分分布，但红外热成像法无法提供量化的结果，电阻率法会受到壁画颜料和支撑体内盐分的影响而导致解释结果并不唯一，而重力法则需要钻孔测量。由于壁画的珍贵性及唯一性，需要使用一种无损的检测装置及方法且能定量表征支撑体内的水分分布。了解壁画支撑体内精确的水分分布图，有助于提出详细的修复方案。目前的检测方法都存在灵敏度低、解释不唯一、精度低、破坏性等缺陷，且都是间接的测量方式。

如：中国专利CN105572177A公开了“一种用于古代壁画支撑体内水汽分布的无损检测装置”，其提出了一种新型的高密度电法测试装置，将该装置安装在待测壁画表面，通过航空插头与高密度电法仪相连接，即可实现对文物的无损检测，其优点是适用性强，结构简单，容易携带。但高密度电法最大的缺点就是难以实现定性定量的解释，该方法是一种间接测量水分的地球物理方法，壁画的颜料、壁画支撑体内的盐分、空鼓等很多因素都会影响高密度电法测试的结果，导致其解释不唯一，进而无法从获取的电阻率中导出准确的水分分布，因此使用该装置并不能提供精准的水分分布信息。

而磁共振方法是目前唯一的直接找水的地球物理方法，可以在不破坏样品自身的情况下深入到物质的内部，并具有快捷、准确、无污染、分辨率高等诸多优点，因而得以迅速发展和广泛应用。但是，目前在壁画支撑体的检测中并未涉及到磁共振检测装置以及基于磁共振检测方法的应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种检测古代壁画支撑体内水分分布的磁共振装置及检测方法，其可以对壁画支撑体内的水分分布进行、无损、定性定量的检测。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种检测古代壁画支撑体内水分分布的磁共振装置，包括上位机、处理器、脉冲序列发生器、正弦波发生器、波形调制单元、功率放大器、发射线圈、接收线圈、信号调理单元和信号采集单元；所述上位机与处理器连接，所述处理器分别通过脉冲序列发生器和正弦波发生器与波形调制单元连接，所述波形调制单元通过功率放大器与发射线圈连接；所述上位机通过信号采集单元和信号调理单元与接收线圈连接；所述处理器分别与信号调理单元和信号采集单元建立联系。

作为优选，还包括探头，在检测时探头与壁画表面接触。

作为优选，所述探头由U型永磁体、发射线圈和接收线圈组成，所述探头与壁画接触面的长10cm，宽10cm。提高了核磁共振探测的工作频率，增强了装置的抗工频谐波干扰的能力，有效提高了信噪比及检测精度。

作为优选，与所述探头连接的还有一可调支架，所述可调支架用于调节探头的位置，通过调节移动探头位置，对壁画支撑体内不同位置的水分进行检测，对于表面凹凸不平、面积大小不一的壁画也能实现高分辨率的测量。

同时，本发明还公开了一种检测古代壁画支撑体内水分分布的检测方法，其包括以下步骤：

(1)使用全站仪测量出壁画长为a，宽为b，上位机遵循有余进一的原则计算出横向的检测次数t及纵向的检测次数l；

在上述步骤中首先判断壁画的长和宽除以探头的长和宽是否为整数，即a/10及b/10是否为整数；

以a/10为例，若其为整数，则t＝a/10；若其为非整数、即非整除有余数，则t＝[a/10]+1,其中[]为取整符号；

以相同方法计算出纵向的检测次数l，从而得到总的检测次数n＝t×l，及在壁画上相对应的检测位置l₁，l₂，l₃，…，l_n；

然后，将探头置于壁画上的第一个检测位置l₁上进行检测；

(2)使用磁力仪检测探头内的U型永磁体产生的恒定磁场强度B，上位机根据公式f＝0.04258×|B|，求出对应的Lamor频率f；

(3)上位机向处理器发出检测指令，处理器向正弦波发生器发射控制信息，使其产生频率为f的正弦信号；

(4)处理器控制脉冲序列发生器产生回波间隔为300μs，重复时间为9.6s的自旋回波脉冲信号，将该信号与步骤(3)中产生的频率为f的正弦信号共同传送至波形调制单元中进行波形调制，调制后的信号经功率放大器后送入发射线圈，实现对壁画处支撑体内水分的激发；

(5)上位机向处理器发出信号接收指令，接收线圈产生的信号送至信号调理单元，处理器控制信号调理单元对接收到的信号进行滤波、消噪及放大；

(6)将信号调理单元输出的信号送至信号采集单元，上位机对信号采集单元发射开始采集命令，处理器控制信号采集单元开始采集，信号被送至上位机，上位机将所得信号与检测位置的信息储存起来；

(7)调节探头位置，将探头分别与壁画表面l₂，l₃，…，l_n位置接触，重复步骤(3)到步骤(6)；

(8)上位机分别对从l₁，l₂，l₃，…，l_n检测位置采集到的磁共振响应进行处理与解释，得到各个检测位置的含水量m₁，m₂，m₃，…,m_n；将l₁，l₂，l₃，…，l_n的位置信息与对应的含水量m₁，m₂，m₃，…，m_n相结合，绘制出壁画支撑体内水分分布图，就能对壁画支撑体内的水分分布进行精确、高分辨率的描绘。

本发明的有益效果：本发明首次将磁共振方法引入到壁画支撑体的检测过程中，其能对支撑体内的水分分布进行无损、定性、定量的检测，为文物保护领域引入了新方法。而且，提出了一种新型的高精度、高分辨率的无损检测装置，拓展了磁共振技术的应用。将磁共振装置结合磁共振方法直接探测，具有解释唯一、测量结果量化的优点；达到了对壁画支撑体内水分分布进行定性、定量的原位无损检测。

本发明还配备带有可调支架的探头，通过调节移动探头的位置，对壁画支撑体内不同位置的水分进行检测，对于表面凹凸不平、面积大小不一的壁画也能实现高分辨率的测量；探头内部U型永磁体产生远大于地磁场强度的恒定磁场，提高了核磁共振探测的工作频率，增强了装置的抗工频谐波干扰的能力，有效提高了信噪比及检测精度。

附图说明

图1为本发明磁共振装置的总体框图；

图2为本发明磁共振装置检测方法的具体使用结构图；

图3为本发明探头的内部结构示意图；

图4为本发明确定的最少测量次数方案图；

图5为本发明支撑体内水分分布图；

其中：1.上位机，2.处理器，3.脉冲序列发生器，4.正弦波发生器，5.波形调制单元，6.功率放大器，7.发射线圈，8.接收线圈，9.信号调理单元，10.信号采集单元，11.探头，12.可调支架，13.壁画，14.U型永磁体。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图3所示，公开了一种检测古代壁画支撑体内水分分布的磁共振装置，包括上位机1、处理器2、脉冲序列发生器3、正弦波发生器4、波形调制单元5、功率放大器6、发射线圈7、接收线圈8、信号调理单元9和信号采集单元10；所述上位机1与处理器2连接，所述处理器2分别通过脉冲序列发生器3和正弦波发生器4与波形调制单元5连接，所述波形调制单元5通过功率放大器6与发射线圈7连接；所述上位机1通过信号采集单元10和信号调理单元9与接收线圈8连接；所述处理器2分别与信号调理单元9和信号采集单元10建立联系。还包括探头11，所述探头11由U型永磁体14、发射线圈7和接收线圈8组成，且探头11与壁画接触面的长为10cm，宽为10cm，在检测时探头11与壁画13表面接触。与所述探头11连接的还有一可调支架12，所述可调支架12用于调节探头11的位置。

如图2所示，本发明还公开了一种检测古代壁画支撑体内水分分布的检测方法，在检测的时候，调整可调支架12的高度，使得探头11与壁画13的表面接触，其包括以下步骤：

(1)使用全站仪测量出壁画长为a，宽为b，上位机遵循有余进一的原则计算出横向的检测次数t及纵向的检测次数l；

在上述步骤中首先判断壁画的长和宽除以探头的长和宽是否为整数，即a/10及b/10是否为整数；

以a/10为例，若其为整数，则t＝a/10；若其为非整数、即非整除有余数，则t＝[a/10]+1,其中[]为取整符号；

以相同方法计算出纵向的检测次数l，从而得到总的检测次数n＝t×l，及在壁画上相对应的检测位置l₁，l₂，l₃，…，l_n；

然后，将探头置于壁画上的第一个检测位置l₁上进行检测；

(2)使用磁力仪检测探头11内的U型永磁体14产生的恒定磁场强度B，上位机根据公式f＝0.04258×|B|，求出对应的Lamor频率f；

(3)上位机1向处理器2发出检测指令，处理器2向正弦波发生器4发射控制信息，使其产生频率为f的正弦信号；

(4)处理器2控制脉冲序列发生器3产生回波间隔(TE)为300μs，重复时间(TR)为9.6s的自旋回波脉冲信号，将该信号与步骤(3)中产生的频率为f的正弦信号共同传送至波形调制单元5中进行波形调制，调制后的信号经功率放大器6后送入发射线圈7，实现对壁画13处支撑体内水分的激发；

(5)上位机1向处理器2发出信号接收指令，接收线圈8产生的信号送至信号调理单元9，处理器2控制信号调理单元9对接收到的信号进行滤波、消噪及放大；

(6)将信号调理单元9输出的信号送至信号采集单元10，上位机1对信号采集单元10发射开始采集命令，处理器2控制信号采集单元10开始采集，信号被送至上位机1，上位机1将所得信号与检测位置的信息储存起来；

(7)调节探头11位置，将探头11分别与壁画13表面l₂，l₃，…，l_n位置接触，重复步骤(3)到步骤(6)；

(8)上位机1分别对从l₁，l₂，l₃，…，l_n检测位置采集到的磁共振响应进行处理与解释，得到各个检测位置的含水量m₁，m₂，m₃，…,m_n；将l₁，l₂，l₃，…，l_n的位置信息与对应的含水量m₁，m₂，m₃，…，m_n相结合，绘制出壁画支撑体内水分分布图，就能对壁画支撑体内的水分分布进行精确、高分辨率的描绘。

下面以具体的实施例来阐述本发明的技术方案：

实施例一

(1)使用全站仪测量出壁画13的长a＝80cm宽b＝75cm，上位机遵循有余进一的原则计算横向检测次数t及纵向检测次数l，t＝a/10＝8为整数；l＝b/10为非整数，则l＝[b/10]+1＝8,从而得到检测次数n＝8×8＝64，及在壁画上相对应的总的检测位置为l₁，l₂，l₃，…，l₆₄；然后，将探头置于壁画上的第一个检测位置l₁上进行检测；

(2)使用磁力仪检测探头11内的U型永磁体14产生的恒定磁场强度B＝0.3mT，上位机1根据公式f＝0.04258×|B|，求出对应的Lamor频率f＝1.28MHz；

(3)上位机1向处理器2发出检测指令，处理器2向正弦波发生器4发射控制信息，使其产生频率为f的正弦信号；

(4)处理器2控制脉冲序列发生器3产生回波间隔(TE)为300μs，重复时间(TR)为9.6s的自旋回波脉冲信号，将该信号与步骤(3)中产生的频率为f的正弦信号共同传送至波形调制单元5中进行波形调制，调制后的信号经功率放大器6后送入发射线圈7，实现对壁画上l₁处的支撑体内水分的激发；

(5)上位机1向处理器2发出信号接收指令，接收线圈8产生的信号送至信号调理单元9，处理器2控制信号调理单元9对接收到的信号进行滤波、消噪及放大；

(6)将信号调理单元9输出的信号送至信号采集单元10，上位机1对信号采集单元10发射开始采集命令，处理器2控制信号采集单元10开始采集，信号被送至上位机1，上位机1将所得信号与检测位置l₁的信息储存起来；

(7)调节探头11位置，将探头11分别与壁画13表面l₂，l₃，…，l₆₄位置接触，重复步骤(3)到步骤(6)；

(8)上位机分别对从l₁，l₂，l₃，…，l₆₄这64个检测位置采集到的磁共振响应进行处理与解释，得到l₁-l₆₄各个检测位置的含水率分别为0.68，0.10，0.49，0.03，0.81，0.98，0.52，0.97，0.40，0.26，0.78，0.74，0.58，0.71，0.10，0.65，0.37，0.34，0.72，0.50，0.18，0.50，0.82，0.80，0.99，0.68，0.90，0.48，0.24，0.47，0.82，0.45，0.04，0.14，0.89，0.90，0.89，0.06，0.72，0.43，0.89，0.72，0.33，0.61，0.03，0.68，0.15，0.83，0.91，0.11，0.70，0.62，0.49，0.04，0.66，0.08，0.80，0.65，0.20，0.86，0.17，0.07，0.52，0.13；将l₁，l₂，l₃，…，l₆₄的位置信息与对应的含水量相结合，绘制出壁画支撑体内水分分布图，如图5所示，对壁画支撑体内的水分分布进行精确、高分辨率的描绘，为开展修复工作奠定了基础。

Claims (6)

1.一种检测古代壁画支撑体内水分分布的磁共振装置，其特征在于，包括上位机(1)、处理器(2)、脉冲序列发生器(3)、正弦波发生器(4)、波形调制单元(5)、功率放大器(6)、发射线圈(7)、接收线圈(8)、信号调理单元(9)和信号采集单元(10)；所述上位机(1)与处理器(2)连接，所述处理器(2)分别通过脉冲序列发生器(3)和正弦波发生器(4)与波形调制单元(5)连接，所述波形调制单元(5)通过功率放大器(6)与发射线圈(7)连接；所述上位机(1)通过信号采集单元(10)和信号调理单元(9)与接收线圈(8)连接；所述处理器(2)分别与信号调理单元(9)和信号采集单元(10)建立联系。

2.根据权利要求1所述的检测古代壁画支撑体内水分分布的磁共振装置，其特征在于，还包括探头(11)，在检测时探头(11)与壁画(13)表面接触。

3.根据权利要求2所述的检测古代壁画支撑体内水分分布的磁共振装置，其特征在于，所述探头(11)由U型永磁体(14)、发射线圈(7)和接收线圈(8)组成，且所述探头(11)与壁画接触面的长为10cm，宽为10cm。

4.根据权利要求3所述的检测古代壁画支撑体内水分分布的磁共振装置，其特征在于，与所述探头(11)连接的还有一可调支架(12)，所述可调支架(12)用于调节探头(11)的位置。

5.一种检测古代壁画支撑体内水分分布的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用全站仪测量出壁画的长和宽，上位机遵循有余进一的原则计算出横向检测次数t及纵向检测次数l，从而得到最终的检测次数n＝t×l，及在壁画上相对应的检测位置为l₁，l₂，l₃，…，l_n；然后，将探头置于第一个检测位置l₁上进行检测；

(2)使用磁力仪检测探头内的U型永磁体产生的恒定磁场强度B，上位机根据公式f＝0.04258×|B|，求出对应的Lamor频率f；

(3)上位机向处理器发出检测指令，处理器向正弦波发生器发射控制信息，使其产生频率为f的正弦信号；

(4)处理器控制脉冲序列发生器产生回波间隔为300μs，重复时间为9.6s的自旋回波脉冲信号，将该信号与步骤(3)中产生的频率为f的正弦信号共同传送至波形调制单元中进行波形调制，调制后的信号经功率放大器后送入发射线圈，实现对壁画支撑体内水分的激发；

(5)上位机向处理器发出信号接收指令，接收线圈产生的信号送至信号调理单元，处理器控制信号调理单元对接收到的信号进行滤波、消噪及放大；

(6)将信号调理单元输出的信号送至信号采集单元，上位机对信号采集单元发射开始采集命令，处理器控制信号采集单元开始采集，信号被送至上位机，上位机将所得信号与检测位置的信息储存起来；

(7)调节探头位置，将探头分别与壁画表面的l₂，l₃，…，l_n位置接触，重复步骤(3)到步骤(6)；

(8)上位机分别对从l₁，l₂，l₃，…，l_n的检测位置采集到的磁共振响应进行处理与解释，得到各个检测位置的含水量m₁，m₂，m₃，…,m_n；将l₁，l₂，l₃，…，l_n的位置信息与对应的含水量m₁，m₂，m₃，…，m_n相结合，绘制出壁画支撑体内水分分布图，就能对壁画支撑体内的水分分布进行精确、高分辨率的描绘。

6.根据权利要求5所述的一种检测古代壁画支撑体内水分分布的检测方法，其特征在于，在步骤(1)中检测次数的具体确定方法为：

(1a)使用全站仪测量出壁画长为a，宽为b，上位机遵循有余进一的原则计算出横向的检测次数t及纵向的检测次数l；

(1b)在步骤(1a)中首先判断壁画的长和宽分别除以探头的长和宽是否为整数，即a/10及b/10是否为整数；

(1c)以a/10为例，若其为整数，则t＝a/10；若其为非整数、即非整除有余数，则t＝[a/10]+1,其中[]为取整符号；

(1d)以相同方法计算出纵向的检测次数l，从而得到总的检测次数n＝t×l，及在壁画上相对应的检测位置为l₁，l₂，l₃，…，l_n；

(1e)然后，将探头置于壁画上的第一个检测位置l₁上进行检测。