2018, Vol. 35 
2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
低场核磁共振（low-field NMR）谱仪灵敏度较低[1, 2]，单次NMR实验的信噪比偏低、误差大，常需要通过累加实验提高信噪比[3-5]，而累加实验要求磁场的稳定性较高.因为NMR信号共振频率ν0与静磁场强度B0相关（ν0=γB0/2π，γ为旋磁比），如果磁场不稳定，会使NMR累加实验过程中的ν0不断变化，造成累加后NMR时域自由感应衰减（FID）信号缩短，进而使频域的信号峰出现增宽或分峰现象，降低NMR实验的可靠性.
钕铁硼（NdFeB）永磁材料具有矫顽力大、磁性强、性价比高等优点[6]，常被用于低场NMR谱仪中产生静磁场.但是其存在温度稳定性较差的缺点[7-9]，这成为影响低场磁共振谱仪品质的关键因素.以磁场强度为0.06 T的永磁体为例，通常情况下，温度每变化1 ℃，磁场强度变化可达0.072 mT，1H核共振频率ν0变化高达3 000 Hz，无法满足NMR实验的要求.因此，对于采用NdFeB永磁体的低场磁共振谱仪来说，为确保NMR实验准确有效，需要研究一种更高精度、更高稳定性的永磁体控温方法.
在一般低场永磁体磁共振谱仪系统中，探头和样品放置在磁体的两个磁极之间，此区域与外界连通，磁体与外界存在热交换.另外，磁体质量较大，导热慢，反馈滞后严重，采用单回路控制算法往往很难达到很理想的控温效果.针对上述情况，本文在自主研制的0.06 T永磁体谱仪基础上，设计了基于双回路控制算法的NMR永磁体精密温度控制器（简称温控器），以期确保永磁体系统的稳定性.
1 设计方案 1.1 总体方案以永磁体为研究对象，结合磁共振谱仪的特殊需求，温控器的系统框图如图 1所示.磁体与温控器置于隔热腔内部（见图 2），隔热腔的作用是减弱环境温度变化对磁体的影响.上位机基于matlab开发，作用是实时监控温度和在线调试参数.通信模块的作用是连接上位机与主控制器，传输数据和命令.热风机由加热器和风机组成，用于加热空气和加速空气流动，测速模块用于测量风机转速.高精度测温模块有2个测温通道，对应两个温度传感器，1号传感器安装于风机出风口，测量附近空气的温度，2号传感器安装于磁体表面，测量磁体的温度.主控制器控制协调各模块工作，运行核心的控温算法.
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图 1 温控器系统结构框图 Figure 1 System diagram of the thermostat |
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图 2 永磁体隔热腔半剖示意图 Figure 2 Half-section of heat insulation box for permanent magnet |
隔热腔中心区域呈凹形结构（见图 2），便于放置探头和样品；腔壁用隔热板和保温棉覆盖，增强隔热效果；磁体底部用无磁的铝合金框架垫起，铝合金框架垫侧面开孔，有利于隔热腔内空气流动.
1.2 硬件电路设计温控器硬件电路主要包括主控电路、高精度测温电路、加热器及相关驱动电路、风机及相关驱动电路、通信模块等，其硬件框图如图 3所示.控制器输出两路脉冲宽度调制（PWM）信号，分别控制风机和加热器.通过改变PWM占空比，调节风机转速和加热器功率，改变隔热腔内空气流动速度和温度.高精度热敏电阻（NTC）经精密电桥分压，产生表征被测物温度的电压信号，通过模拟数字转换器（ADC）转换成数字信号，再经过特定的算法计算出温度值.支持通用异步收发传输器（UART）和控制器局域网络（CAN）两种通信接口，可与其他设备通信.捕获比较模块（CAPTURE）用于测量风机转速；通用输入输出端口（GPIO）用于驱动按键模块（KEY）和发光二极管（LED），按键模块作为输入设备，用于调整温控器的工作状态，LED用于指示温控器当前工作状态.
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图 3 温控器硬件框图 Figure 3 Hardware diagram of the thermostat |
ADC采用STM32F373CC内置的∑-Δ模拟数字转换器（SDADC），分辨率为16 bit，支持差分采样和直接内存存取（DMA），采样率最高可达50 ksps；差分模式下，偏置误差小于110 μV，温漂小于15 μV/K，有助于实现高精度测温.高精度NTC作为传感器，采用精密电桥分压，SDADC进行差分采样.LM4140是一款高性能基准源芯片，初始精度为0.1%，温漂小于3 ppm/℃，为SDADC提供精准且稳定的参考电压.
加热器采用50 W的大功率铝壳电阻，AC 220V供电，交流开关AQH3213A做驱动.AQH3213A是一款内置光耦隔离的双向可控硅芯片，最大支持AC 600 V 1.2 A，可用于驱动交流负载.
硬件原理图和印刷电路板（PCB）设计完成后，进行PCB打样和焊接，组装电路板与热风机，成为一个独立的控温节点（见图 4）.
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图 4 温控器实物图 Figure 4 The photo of the thermostat |
软件分为硬件抽象层（HAL）、功能模块层（FML）和应用层（APL）[10]，软件框图如图 5所示.
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图 5 温控器软件框图 Figure 5 The software diagram for the thermostat |
HAL实现各个硬件外设最基本的驱动程序，封装成应用程序编程接口（API）供上层调用，包括SDADC驱动、PWM驱动、UART驱动、CAN驱动、DMA驱动、TIMER驱动.
FML通过调用HAL，实现各个功能模块的基本功能，并隐藏具体的操作细节，为上层提供简洁的调用接口.FML主要包括加热控制模块、风速控制模块、温度转换模块、风机转速测量模块、算法模块等，各功能模块提供相应的接口函数以供调用.算法模块提供快速排序算法、中位值平均滤波算法、查表算法和线性插值算法，这些算法主要用于提高测温精度和稳定性.SDADC的采样率为50 ksps，定时器每隔0.2 s触发SDADC进行连续采样，采完1 024组数据后，立即停止采样，等待下一次触发（即每0.2 s中包含0.18 s休眠时间和0.02 s连续采样时间）；将这1 024组数据进行快速排序，取中间512组数据求平均值；使用查表算法和线性插值算法，计算对应的温度值.上述算法可以减小电路噪声对测温精度及稳定性的影响.
APL通过调用FML的函数来实现系统功能，包括交互功能和自动控温功能.交互功能基于UART通信，打包上传采集的实时温度数据，解析和执行上位机下发的命令.自动控温功能是温控器的核心功能，通过综合调用定时器模块、温度转换模块、双闭环控制算法模块、加热控制模块和风速控制模块实现自动控温.
1.4 双回路控制算法由于传递路径上有热损耗，空气与磁体之间的温度分布存在梯度.当环境变化导致空气与磁体之间的温度梯度发生变化时，适当调节空气温度可以补偿这一变化，使磁体温度保持稳定.
双回路控制算法将系统反馈分成两个回路[11].内环控制空气温度，外环控制磁体温度，外环的输出作为内环的输入（如图 6所示），内、外环均采用增量式比例-积分-微分（PID）控制器.磁体导热较慢、滞后大，划归为外环；空气导热相对较快、滞后小，划归为内环.外环控制器根据磁体的温度反馈，实时调整内环的目标值，内环控制器迅速将空气温度调节至目标值并保持稳定.双回路协同作用，实现控制目标.
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图 6 双回路控制算法框图 Figure 6 The diagram of double loop control algorithm |
在0.06 T磁共振谱仪上验证温控器的控温精度和稳定性.除磁体与探头外，谱仪的架构与0.35 T谱仪[12]相似，本组实验采用单脉冲序列（见图 7），参数设置如下：采样点数为2 048，发射机频率为2. 568 MHz，谱宽为10 kHz，d1为30 s.取1 mL浓度为0.05 g/L的MnCl24H2O水溶液于直径为10 mm的NMR样品管中，进行单脉冲实验，观察1H NMR信号.实验过程中，全程监测磁体温度.
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图 7 单脉冲序列 Figure 7 Single pulse sequence |
通过上述实验，测试以下四项性能：
（1）隔热腔性能
室温条件下（大约18℃~21℃），连续48 h测量隔热腔内、外温度，分析隔热腔性能.
（2）控温精度
在接近（1）中室温条件下，在隔热腔内开启温控器，测试0.5 h和24 h内的控温精度.
（3）NMR信号漂移
在接近（1）中室温条件下，分别在有、无温控的条件下，观测0.5 h和24 h内NMR信号的漂移情况.
（4）NMR累加实验效果
在接近（1）中室温条件下，分别在有、无温控的条件下，观测0.5 h和24 h NMR累加实验的效果.
3 结果与讨论 3.1 隔热腔性能在室温下，连续48 h测量隔热腔内部的磁体温度和外部的空气温度，并绘制温度变化曲线如图 8所示.发现与隔热腔外部空气温度相比，隔热腔内部磁体的温度变化曲线较平滑，短期波动、长期变化幅度均较小；温度变化滞后约4 h；平均温度略高.表明隔热腔一定程度上减弱了环境温度对磁体的影响.
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图 8 磁体温度与室温变化曲线 Figure 8 Magnet temperature and room temperature change curve |
隔热腔外部空气温度波动相对较大，可能是室内局部温度易受环境因素影响，例如谱仪背板的散热风扇带动周围空气流动，导致传感器周围空气的温度出现波动.
3.2 控温精度测试目标温度设置为31.500 ℃，测温通道5 s更新一次实时温度数据，0.5 h内平均温度为31.500 ℃，温度最大波动为0.004 ℃，标准差小于0.001 ℃，如图 9(a)所示；24 h内平均温度为31.500 ℃，最大波动为0.015 ℃，标准差为0.002 ℃，如图 9(b)所示.
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图 9 温度变化曲线. (a) 0.5 h温度变化曲线；(b) 24 h温度变化曲线 Figure 9 Temperature change curve. (a) Temperature change within 0.5 h; (b) Temperature change within 24 h |
为测试磁场的长期稳定性，分别在有温控和无温控的条件下连续做实验，观察共振频率漂移情况.每隔30 s采一次信号，共2 880次，历时24 h.对实验数据进行处理，绘制频率随时间变化曲线（如图 10所示）.24 h内，无温控时的场漂为4 950 Hz，有温控时的场漂为145 Hz.
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图 10 有温控和无温控时，24 h内磁场漂移情况.内插图放大纵坐标尺度，便于观察有温控时磁场漂移曲线波动范围 Figure 10 Magnet field drift with and without temperature control within 24 h. The inset enlarges the scale of the ordinate in order to observe the magnet field drift range with temperature control |
从上述24 h实验数据中截取0.5 h数据（01:30~02:00时间段）进行分析（如图 11所示）.无温控时的场漂为255 Hz，有温控时的场漂为15 Hz.
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图 11 有温控和无温控时，0.5 h内磁场漂移情况.内插图放大纵坐标尺度，便于观察有温控时磁场漂移曲线波动范围 Figure 11 Magnet field drift with and without temperature control within 0.5 h. The inset enlarges the scale of the ordinate in order to observe the magnet field drift range with temperature control |
NMR累加实验每隔30 s采集一次信号，共60次，历时0.5 h.处理实验数据，得到谱图如图 12所示.从图中可以看出，不加温控时，NMR累加实验的谱图出现多峰，半高宽较大（375 Hz），信噪比较低（314）；使用双回路温控时，NMR累加实验的谱图为单峰，半高宽较小（35 Hz），信噪比较高（727）.
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图 12 0.5 h内，有温控和无温控NMR累加扫描实验与单次扫描实验对比. (a)无温控时累加实验谱图; (b)有温控时累加实验谱图; (c)有温控时单次实验谱图 Figure 12 NMR spectra comparison for one scan and 60 scans with and without temperature control within 0.5 h. (a) 60 scans, without temperature control; (b) 60 scans, with temperature control; (c) One scan, with temperature control |
NMR累加实验每隔30 s采集一次信号，共2 880次，历时24 h.处理实验数据，得到谱图如图 13所示.无温控时，信号累加后出现多峰，累加结果无法使用；有温控时，累加后为单峰，谱线线形较好.该结果证明本方案提高了低场磁共振谱仪的稳定性.
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图 13 24 h内，有温控和无温控NMR累加扫描实验对比. (a)无温控时累加实验谱图; (b)有温控时累加实验谱图 Figure 13 NMR spectra comparison for 2 880 scans with and without temperature control within 24 h. (a) Without temperature control; (b) With temperature control |
无温控时，累加后出现多个峰，其中有两个峰较大.分析图 10和图 13，发现大多数实验的信号共振频率集中在图中曲线波峰和波谷附近，导致信号累加后在2.582 MHz和2.586 MHz附近出现两个较大的峰.
4 结论本文提出基于双回路控制算法的永磁体精密温度控制器，将温控系统中滞后较大的环节与滞后较小的环节分离成两个回路，内环控制空气温度，外环控制磁体温度；通过动态调节隔热腔内部空气温度补偿磁体的温漂，实现高精度高稳定性的永磁体温控方法.24 h内控温精度为±0.005 ℃；1H核共振频率0.5 h内漂移15 Hz，24 h内漂移145 Hz；0.5 h NMR累加实验，相比无温控时，信号半高宽由375 Hz减小至35 Hz，信噪比由314提高到727，有效提高了低场磁共振谱仪的稳定性.
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