CN114563746A - 一种用于核磁共振探头的液压自动调谐装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于核磁共振探头的液压自动调谐装置，包括液压控制器，还包括液压缸、液压杆、导杆、螺旋导套以及无磁可调电容，液压控制器通过输液管与液压缸连接，液压缸与液压杆适配连接，液压杆与导杆一端轴接，导杆另一端插入到螺旋导套中且设置有销钉，螺旋导套的管壁开设有螺旋导槽，销钉插入到螺旋导槽中，螺旋导套与无磁可调电容的调节杆轴接。本发明还公开一种用于核磁共振探头的液压自动调谐方法。本发明解决了在强磁场环境下核磁共振探头自动调谐困难的问题，较现有的无磁电机自动调节方案结构简单，易于实现，节约了成本，较传统的手动调节方式更加智能与便捷。

Description

一种用于核磁共振探头的液压自动调谐装置与方法

技术领域

本发明属于核磁共振领域，更具体地涉及一种用于核磁共振探头的液压自动调谐装置，还涉及一种用于核磁共振探头的液压自动调谐方法，本发明适用于核磁共振波谱仪、磁共振成像仪等与磁共振原理相关的需调谐的谐振电路中。

背景技术

核磁共振是外磁场中磁矩不为零的原子核系统在特定频率的射频脉冲作用下发生能级跃迁的共振现象。基于核磁共振原理研发出来的仪器称为核磁共振仪，一般分为核磁共振波谱（NMR）仪和核磁共振成像（MRI）仪。

NMR探头（或MRI线圈）作为核磁共振仪器的核心部件之一，起到发射射频脉冲和接受核磁共振信号的关键作用。其原理是由射频线圈与无磁可调电容构成的谐振电路，调谐到待检测核的共振频率后进行大功率脉冲激发，然后接收核磁共振信号。其中涉及到的一个关键点便是调谐与匹配，一般而言，谐振电路射频线圈的电感是不可调的，只能通过调节可调电容容值将谐振电路调节至最佳的调谐与匹配状态，从而高效地产生射频脉冲以提高激发效率并减少功率反射，高效地的检测核磁共振信号以提高检测的灵敏度。

目前，一些常规的NMR探头（或MRI线圈），采用的是手动调谐与匹配的方式。其原理是将可调电容的调节杆延长至探头底部，实验员手动的反复调节调谐电容与匹配电容，以达到所需目标值。这种方式效率较低，多依赖于实验人员的调节经验，对于多谐振通道的NMR探头（或MRI线圈），调节某个通道的时候很容易触碰到其他通道，造成其他通道的谐振点偏移。在一些高配的NMR探头（MRI线圈）上，采用了无磁步进电机代替手调的方法，效果很明显，但无磁步进电机造价高昂，极大增加了设备成本。

由于谐振电路位于强磁场中，且NMR探头（或MRI线圈）内部空间狭小，一些复杂的机构和有磁性的材料均不能使用，因此，设计一种简单高效而成本低廉的自动调节装置与方法对核磁共振仪器设备研发具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有NMR探头（或MRI线圈）调谐问题，提供一种用于核磁共振探头的液压自动调谐装置，还提供一种用于核磁共振探头的液压自动调谐方法。针对现有手动调谐，能提高调谐效率，杜绝对其它谐振通道的干扰，针对现有自动调谐技术，能有效降低无磁步进电机调谐所带来的高成本。

本发明的上述目的通过以下技术手段实现：

一种用于核磁共振探头的液压自动调谐装置，包括液压控制器，还包括液压缸、液压杆、导杆、螺旋导套以及无磁可调电容，

液压控制器通过输液管与液压缸连接，液压缸与液压杆适配连接，液压杆与导杆一端轴接，导杆另一端插入到螺旋导套中且设置有销钉，螺旋导套的管壁开设有螺旋导槽，销钉插入到螺旋导槽中，螺旋导套与无磁可调电容的调节杆轴接。

一种用于核磁共振探头的液压自动调谐装置，还包括均与探头支架连接的第一电路圆盘和第二电路圆盘，第一电路圆盘的中心孔套设固定在无磁可调电容的外壳，第二电路圆盘的中心孔套设固定在液压缸的外壳。

如上所述液压自动调谐装置为两套，分别为第一套液压自动调谐装置和第二套液压自动调谐装置，第一套液压自动调谐装置的无磁可调电容为调谐电容，第二套液压自动调谐装置的无磁可调电容为匹配电容，

包括以下步骤：

步骤1、上位机获取调谐中心频率与当前调谐频率的调谐偏移量，根据调谐偏移量生成调谐调节信号并将调谐调节信号通过CAN总线发送至第一套液压自动调谐装置的液压控制器，第一套液压自动调谐装置的液压控制器根据调谐调节信号控制液压杆伸缩方向、伸缩速度和伸缩时间，进而带动第一套液压自动调谐装置的螺旋导套和调谐电容的调节杆转动，改变调谐电容的电容值，直至调谐曲线的最低点移至所设置的调谐中心频率处，

步骤2、上位机获取目标调谐曲线的最低点与当前调谐曲线的最低点的匹配偏移量，根据匹配偏移量生成匹配调节信号并将匹配调节信号通过CAN总线发送至第二套液压自动调谐装置的液压控制器，第二套液压自动调谐装置的液压控制器根据调谐调节信号控制液压杆伸缩方向、伸缩速度和伸缩时间，进而带动第二套液压自动调谐装置的螺旋导套和匹配电容的调节杆转动，改变匹配电容的电容值，直至当前调谐曲线的最低点最小。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明解决了在强磁场环境下核磁共振探头自动调谐困难的问题，其结构简单，造价低廉，易于实现，较传统的手动调节方式更加智能与便捷，较现有的无磁电机自动调节方案节约了成本。

附图说明

图1为本发明工作流程图；

图2为本发明的主视安装图；

图3为图2中A-A剖面示意图；

图4为正转时受力分析图；

图5为反转时受力分析图。

图中：1-无磁可调电容；2-第一电路圆盘；3-螺旋导槽；4-螺旋导套；5-销钉；6-导杆；7-液压杆；8-液压缸；9-第二电路圆盘；10- O型密封圈；11-输液管；12-液压控制器。

具体实施方式

为了便于本领域的技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

一种用于核磁共振探头的液压自动调谐装置，包括液压控制器12，还包括液压缸8、液压杆7、导杆6、螺旋导套4以及无磁可调电容1，液压控制器12通过输液管11与液压缸8连接，液压缸8与液压杆7适配连接，液压杆7与导杆6一端轴接，导杆6另一端插入到螺旋导套4中且设置有销钉5，螺旋导套4的管壁开设有螺旋导槽3，销钉5插入到螺旋导槽3中，螺旋导套4与无磁可调电容1的调节杆轴接。一种用于核磁共振探头的液压自动调谐装置，还包括均与探头支架连接的第一电路圆盘2和第二电路圆盘9，第一电路圆盘2的中心孔套设固定在无磁可调电容1的外壳，第二电路圆盘9的中心孔套设固定在液压缸8的外壳。

液压控制器包括依次连接的CAN控制器、驱动器以及液压泵。其中CAN控制器采用CAN总线与上位机进行通信，获取调节信号，并将调节信号发送给驱动器，驱动器控制液压泵进液或出液，进而控制液压杆7的移动。

无磁可调电容1，直接在市场上购买，其底部设置有用于调节容值的调节杆。

螺旋导套4，其材质为无磁耐磨金属或陶瓷，整体呈圆筒型，在圆筒型的管壁上加工出螺旋导槽3，螺旋导槽3的作用是在导杆6上的销钉5作用下将直线运动转换成圆周运动，为无磁可调电容1的调节杆提供旋转的扭矩。

导杆6，其材质为无磁金属，其直径略小于螺旋导套内径，其上固定有一根销钉5，销钉5的材质为无磁耐磨金属或陶瓷，销钉5卡入螺旋导槽3内，在液压杆7的带动下沿轴向直线运动，驱动螺旋导套4旋转。

液压杆7，其材质为无磁耐磨金属或陶瓷，其作用是推动导杆6沿轴向往复直线运动，其活塞端设置有O形密封圈，与液压缸8组成密闭的液压环境，液压杆7一端为活塞端，另一端为导杆端，导杆端为方形且密封穿出液压缸8上的方形穿孔，防止运动过程中旋转。

液压缸8，其材质为无磁耐磨金属或陶瓷，用于为液压杆7运动提供一个密闭的液压环境，推动液压杆7往复运动。

输液管11，为无磁材料，一般为PU材质，用于连接液压缸7与液压控制器12，其连接方式不限，保证密封即可。

第一电路圆盘2和第二电路圆盘9，一般为铜盘或PCB，用于固定谐振电路和液压缸等零部件。

无磁可调电容1的外壳焊接固定在第一电路圆盘2上。

螺旋导套4套设固定在无磁可调电容1的调节杆上，通过焊接固定，但不限定于此，也可采用其他连接方式，如紧定螺钉紧锁或过盈配合等。

导杆6插入螺旋导套4内，并将销钉穿过螺旋导槽3安装固定在导杆6上，其连接方式为过盈配合，但不限于此。

液压杆7的导杆端与导杆6相连接并固定，其连接方式不限定，可焊接、铆接、粘接等。液压杆7的活塞端设置有O形密封圈，并安装于液压缸8内，与缸体8内壁接触并密封。

液压缸8焊接在第二电路圆盘9上，通过液压驱动液压杆7在液压缸8内部运动。

输液管11一端与液压缸8连接，其连接方式不限定，保证密封性性即可。

输液管11另一端与液压控制器12连接，其连接方式不限定，保证密封性即可。

液压控制器12置于核磁共振谱仪控制台附近，保证远离磁场环境，并与上位机相连。

液压控制器包括依次连接的CAN控制器、驱动器以及液压泵。驱动器通过CAN总线与上位机通讯，获取调节信号，根据调节信号控制液压泵进液或出液，液压泵通过输液管与液压缸8相连通，通过液压缸8将进液或出液的压力转换成液压杆7沿轴向的往复直线运动，液压杆7与导杆6一端轴接，进而带动导杆6沿轴向方向一起往复直线运动，最后通过销钉5将力施加在螺旋导套4的螺旋导槽3上，由于螺旋导套4完全固定在无磁可调电容1的调节杆上，在轴向上无法移动，因此，在销钉5与螺旋导槽3的作用下，只能将导杆6的直线运动转换成螺旋导套4绕轴线的圆周运动，进而带动无磁可调电容1的调节杆旋转，达到调谐调频的目的。

一种用于核磁共振探头的液压自动调谐方法，所述的一种用于核磁共振探头的液压自动调谐装置，所述液压自动调谐装置为两套，分别为第一套液压自动调谐装置和第二套液压自动调谐装置，第一套液压自动调谐装置的无磁可调电容1为调谐电容，第二套液压自动调谐装置的无磁可调电容1为匹配电容，

包括以下步骤：

步骤1、上位机获取调谐中心频率与当前调谐频率的调谐偏移量，根据调谐偏移量生成调谐调节信号并将调谐调节信号通过CAN总线发送至第一套液压自动调谐装置的液压控制器12，第一套液压自动调谐装置的液压控制器12根据调谐调节信号控制液压杆7伸缩方向、伸缩速度和伸缩时间，进而带动第一套液压自动调谐装置的螺旋导套4和调谐电容的调节杆转动，改变调谐电容的电容值，直至调谐曲线的最低点移至所设置的调谐中心频率处，

步骤2、上位机获取目标调谐曲线的最低点与当前调谐曲线的最低点的匹配偏移量，根据匹配偏移量生成匹配调节信号并将匹配调节信号通过CAN总线发送至第二套液压自动调谐装置的液压控制器12，第二套液压自动调谐装置的液压控制器12根据调谐调节信号控制液压杆7伸缩方向、伸缩速度和伸缩时间，进而带动第二套液压自动调谐装置的螺旋导套4和匹配电容的调节杆转动，改变匹配电容的电容值，直至当前调谐曲线的最低点最小。

图4为无磁可调电容1正转时，螺旋导套4上的受力分析图，此时液压缸8进液，推动液压杆7和导杆6向上运动，并将推力F通过销钉5作用于螺旋导套4的螺旋导槽3上，在螺旋导套4上将推力F分解成沿销钉5与螺旋导槽3接触点的切向方向的切向力F1和垂直于切向力F1的力F2，螺旋导套4受到的反作用力为F1_反，其中：

F1=F·cosα=F1_反，

F2=F·sinα，

其中，α为切向方向与推力方向的夹角。

定义销钉5与螺旋导槽3间的摩擦系数为µ。则当：

F1＞µF2

即：cosα＞µsinα时。

螺旋导套4受到F1_反的作用而正向旋转。

图5为无磁可调电容反转时，螺旋导套4上的受力分析图，此时液压缸8出液，拉动液压杆7和导杆6向下运动，并将拉力F′通过销钉5作用于螺旋导套4的螺旋导槽3上，在螺旋导套4上将拉力F′分解成沿销钉5与螺旋导槽3接触点的切向方向的切向力F1′和垂直于切向力F1′的力F2′，螺旋导套4受到的反作用力为F1′_反其中：

F1′=F′·cosα′=F1′_反

F2′=F′·sinα′

定义销钉5与螺旋导槽3间的摩擦系数为µ。则当：

F1′＞µF2′

即：cosα′＞µsinα′时。

螺旋导套4受到F1′_反的作用而反向旋转。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种用于核磁共振探头的液压自动调谐装置，包括液压控制器（12），其特征在于，还包括液压缸（8）、液压杆（7）、导杆（6）、螺旋导套（4）以及无磁可调电容（1），液压控制器（12）通过输液管（11）与液压缸（8）连接，液压缸（8）与液压杆（7）适配连接，液压杆（7）与导杆（6）一端轴接，导杆（6）另一端插入到螺旋导套（4）中且设置有销钉（5），螺旋导套（4）的管壁开设有螺旋导槽（3），销钉（5）插入到螺旋导槽（3）中，螺旋导套（4）与无磁可调电容（1）的调节杆轴接。

2.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振探头的液压自动调谐装置，其特征在于，还包括均与探头支架连接的第一电路圆盘（2）和第二电路圆盘（9），第一电路圆盘（2）的中心孔套设固定在无磁可调电容（1）的外壳，第二电路圆盘（9）的中心孔套设固定在液压缸（8）的外壳。

3.一种用于核磁共振探头的液压自动调谐方法，利用权利要求1所述的一种用于核磁共振探头的液压自动调谐装置，其特征在于，所述液压自动调谐装置为两套，分别为第一套液压自动调谐装置和第二套液压自动调谐装置，第一套液压自动调谐装置的无磁可调电容（1）为调谐电容，第二套液压自动调谐装置的无磁可调电容（1）为匹配电容，包括以下步骤：

步骤1、上位机获取调谐中心频率与当前调谐频率的调谐偏移量，根据调谐偏移量生成调谐调节信号并将调谐调节信号通过CAN总线发送至第一套液压自动调谐装置的液压控制器（12），第一套液压自动调谐装置的液压控制器（12）根据调谐调节信号控制液压杆（7）伸缩方向、伸缩速度和伸缩时间，进而带动第一套液压自动调谐装置的螺旋导套（4）和调谐电容的调节杆转动，改变调谐电容的电容值，直至调谐曲线的最低点移至所设置的调谐中心频率处，

步骤2、上位机获取目标调谐曲线的最低点与当前调谐曲线的最低点的匹配偏移量，根据匹配偏移量生成匹配调节信号并将匹配调节信号通过CAN总线发送至第二套液压自动调谐装置的液压控制器（12），第二套液压自动调谐装置的液压控制器（12）根据调谐调节信号控制液压杆（7）伸缩方向、伸缩速度和伸缩时间，进而带动第二套液压自动调谐装置的螺旋导套（4）和匹配电容的调节杆转动，改变匹配电容的电容值，直至当前调谐曲线的最低点最小。

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