CN103728322A - 一种适于扩展的高含盐土壤水分测量的tdr系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统及方法，系统包括：不锈钢探针、有机玻璃封装盒、PIN二极管、灌胶封装盒、同轴电缆、TDR测试仪、第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻和第二电阻；本发明根据电磁波在同轴电缆中传播的时间来判断同轴电缆长度是否超过设定值，若未超过，则同时采用表面反射法和行程时间法，并对结果进行考虑电导的权重计算；若超过，则通过程序自动控制二极管电路，分别获得断路条件下的原始波形和通路条件下的波形，并分别采用表面反射法和波形差行程时间法，最终输出经过考虑同轴电缆长度的权重计算的介质含水率。本发明既能保证高含盐土壤水分盐分测试的精度又能扩展TDR探头，使之能同时监测更多的点。

Description

一种适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统及方法

技术领域

本发明属于土壤物理特性监测领域，涉及一种适于扩展的高含盐土壤水分测量的系统及方法，尤其涉及一种利用TDR（时域反射仪）系统进行高含盐土壤水分自动测量的系统及方法，主要应用在农业、林业、岩土工程以及与土壤密切相关且需要对土壤水盐状况有连续精确了解的相关领域。

背景技术

TDR（Time Domain Reflectometry，时域反射仪），最早应用于电缆故障检测，加拿大科学家Topp于1980年首次实现了将TDR应用于土壤水分测量，其后经过几十年的发展，TDR系统测量已经成为了一种快速、准确、安全的现场测试方法，且能够实现自动监测。TDR含水量测试方法虽然已经得到广泛应用，但主要针对的是低电导的矿物土壤，对于高含盐的盐碱土含水量测试还存在问题。为克服高电导率介质引起的TDR反射波形的衰减对测试结果产生的影响，目前的解决方法主要有以下三种：

（1）中心探针镀膜法，该方法采用在传统的TDR传感器的中心探针表面增加环氧树脂涂层或者包裹热缩套管的方式，来避免高电导率对测试结果的影响；

（2）探针末端短路法，该方法通过比较TDR传感器探针末端短路前后反射波形的变化，来判断电磁波在被测介质中的传播时间；

（3）表面反射法，该方法通过测试电磁波在空气与被测介质交界面处的反射系数来计算介质的介电常数，从而计算含水量。

方法（1）和方法（2）的改进都是基于行程时间法来计算介质的介电常数；方法（3）是基于表面反射法来计算介质的介电常数。

行程时间法测试的是电磁波在介质中的传播速度v，电磁波在岩土介质中的传播速度v与介质的介电常数K_a有关，请见图1，为典型的TDR行程时间法及表面反射法波形分析示意图，当电磁波经同轴传输线传播后到达同轴电缆与同轴转换器交界面处时，由于同轴转换器阻抗大于同轴电缆，因此反射波形上升，即A点；当电磁波经过同轴转换器到达同轴转换器与空气段（此处的空气段为探头插入土壤时有空隙导致，与表面反射法留出一定长度空气段不同）交界面处时，由于空气段阻抗大于同轴转换器，反射波形再次上升，即B点；当电磁波经过空气段到达空气段与介质表面交界处时，由于介质阻抗小于空气段，反射波形开始下降，即C点；然后电磁波在介质中传播直至探针末端，由于探针末端阻抗大于探针之间介质的阻抗，因此反射波形在该处再次上升，即D点。通过波形B点至D点这两处的时间差△t，即电磁波在介质中的传播时间，可以得到电磁波在介质中的传播速度，为：

其中L为插入介质中探针的长度，介电常数为：

但是，介质的电导率越大，电磁波在其中的传播衰减越快，且探针末端阻抗越小，波形中的D点会不明显甚至无法判别，此时TDR行程时间法无法使用。方法（1）是通过在中心探针表面镀上绝缘膜，减少电磁波的衰减，使得出现比较明显的D点，从而计算△t。方法（2）则是分别在波形中B点位置即探针首端和D点位置即探针末端进行短路，使得波形急剧下降，然后用未进行短路的原始波形减去短路后波形获得波形差，由于在短路位置之前的部分完全相同，故这部分波形差曲线为直线，而短路处则陡升，从而能轻易准确地判断B点和D点，从而得到△t。

与传统行程时间法不同，表面反射法测试的是电磁波在空气段与介质交界面Ⅲ-Ⅲ处的反射系数来计算介质的介电常数，请见图2，为采用表面反射法的TDR探头示意图，介电常数通过下式计算：

$\mathrm{Ka}=k^2{\left(\frac{\mathrm{\ψ}+\mathrm{\Δ\ρ}}{\mathrm{\ψ}-\mathrm{\Δ\ρ}}\right)}^2$

其中△ρ=ρ_Ⅱ-ρ_Ⅲ，与被测介质的介电常数相关；

为常数，只与探头的几何尺寸及材质有关，k是只与传输线几何特性相关的常数，理论上等于1，也可以通过室内标定得到。随着介质电导增大，D点会不明显，但C点不会受到影响，表面反射法仍然可以使用。

上述三种方法都能在一定程度上解决高含盐土壤水分测量的问题，但也存在着各自的缺点。对于中心镀膜法来说，涂层或者热缩套管在探头反复拔插过程中容易磨损或者剥落，且反射波形中无法得到介质电导率的信息。探针末端短路法由于需要在探针末端之间的部分安装短路装置，从而使得探头无法拔插，在实际使用中常常需要挖开埋设，破换了原状介质的性质，并且在介质电导率很高时，会由于短路前后反射波形差别有限而引起较大的测试误差。对于表面反射法来说，关键在于空气段与介质表面的反射系数计算，但是当连接探头的同轴电缆长度过长时，电磁波在到达空气段之前就已经衰减了大部分，故测试反射系数较难。目前已有的TDR探头同轴电缆都较短，不超过15m，但是这大大限制了我们的使用，特别是当我们需要同时检测多点时，利用多层扩展板会增加同轴电缆的长度，从而影响测试结果。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是如何既能保证高含盐土壤水分盐分测试的精度又能扩展TDR探头，使之能同时监测更多的点。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统，包括：不锈钢探针、有机玻璃封装盒、PIN二极管、灌胶封装盒、同轴电缆和TDR测试仪；其特征在于：所述的TDR系统还包括第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻和低压直流电源；所述的不锈钢探针为三根，所述的绝缘套体为三个，所述的PIN二极管为两根，所述的有机玻璃封装盒上下底面对称位置设置有三个安装孔，所述的灌胶封装盒与所述的有机玻璃封装盒的上底面固定连接；

所述的三根不锈钢探针一端穿过所述的有机玻璃封装盒下底面的安装孔和上底面的安装孔，伸入所述的灌胶封装盒内，所述的三根不锈钢探针另一端露出在所述的有机玻璃封装盒之外，所述的两根PIN二极管分别安装在所述的三根不锈钢探针之间，位于所述的有机玻璃封装盒内，组成TDR系统探头；

所述的同轴电缆由同轴电缆内导线和两条同轴电缆外导线组成，所述的同轴电缆内导线一端与所述的三根不锈钢探针的中间不锈钢探针连接，所述的两根同轴电缆外导线一端分别与所述的三根不锈钢探针的左右两根不锈钢探针连接，所述的同轴电缆内导线和两条同轴电缆外导线另一端通过所述的第一电容与所述的TDR测试仪连接；

所述的第三电容与所述的第二电阻串联后与所述的低压直流电源连接，所述的第二电容一端与所述的第三电容一端连接后与所述的任一条同轴电缆外导线连接、另一端与所述的第三电容另一端连接，所述的第一电阻一端与所述的同轴电缆内导线连接、另一端与所述的第二电容和第三电容连接端连接，组成电容电阻模块，所述的电容电阻模块位于所述的TDR系统探头与所述的第一电容之间。

作为优选，所述的同轴电缆内导线和两条同轴电缆外导线通过BNC接头与所述的TDR测试仪连接。

作为优选，所述的低压直流电源为3V直流电源。

作为优选，所述的灌胶封装盒内填充有电子胶。

作为优选，所述的不锈钢探针露出有机玻璃封装盒之外部分长度为8_cm，较一般15_cm探针稍短，减小了电磁波在介质中的衰减。

作为优选，所述的三根不锈钢探针露出在所述的有机玻璃封装盒之外部分的端顶处分别套设有绝缘套体，能在一定程度上增加阻抗，使得波形上不锈钢探针末端位置更易判断，与末端短路波形向下不同，此时的波形仍向上，从而也避免了末端设置二极管导致的无法拔插。

本发明的方法所采用的技术方案是：利用所述的适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统进行高含盐土壤水分测量的方法，其特征在于：根据电磁波在同轴电缆中传播的时间来判断所述的同轴电缆的长度是否超过设定值？

如果所述的同轴电缆的长度没有超过设定值，则采用表面反射法和行程时间法同时测量介质含水率，并对结果进行考虑电导的权重分配，最后输出的结果为经过权重计算得到的介质含水率；

如果所述的同轴电缆的长度超过设定值，则首先采用表面反射法，通过所述的PIN二极管部分断路获得原始波形，然后通过程序自动控制打开二极管电路，获得短路条件下的波形，并通过波形差计算行程时间求得介质含水率，上述两种方法获得的含水率经过考虑同轴电缆长度的权重计算作为最终的含水率输出。

本发明所能达到的效果有：

1.在高盐分土壤中实现了含水率的测量；

2.与现有探头相比，更适于扩展，可以同时监测更多的观测点；

3.带有不同方法的比较计算功能，结果更加可靠；

4.在我国西北、东北、沿海等地区广泛存在着盐碱土，本探头特别适用于盐渍土的水分盐分监测，有很大的应用前景；

5.与进口探头相比，本探头在保证同样测量效果的前提下，工艺简单，价格较低，适于批量生产。

附图说明

附图1：为本发明背景技术的典型的TDR行程时间法及表面反射法波形分析示意图。

附图2：为本发明背景技术的采用表面反射法的TDR探头示意图。

附图3：为本发明实施例的TDR系统探头正视剖面图。

附图4：为本发明实施例的TDR系统探头下视图。

附图5：为本发明实施例的系统电路图。

附图6：为本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合参考附图进一步描述本技术方案，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件，但该描述仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请见图3、图4和图5，本发明的系统所采用的技术方案是：一种适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统，包括：不锈钢探针1、有机玻璃封装盒2、PIN二极管5、灌胶封装盒6、同轴电缆7、TDR测试仪10、第一电容801、第二电容802、第三电容803、第一电阻901、第二电阻902和3V低压直流电源；不锈钢探针1为三根，绝缘套体3为三个，PIN二极管5为两根，有机玻璃封装盒2上下底面对称位置设置有三个安装孔，灌胶封装盒6与有机玻璃封装盒2的上底面固定连接，灌胶封装盒6内填充有电子胶；三根不锈钢探针1一端穿过有机玻璃封装盒2下底面的安装孔和上底面的安装孔，伸入灌胶封装盒6内，三根不锈钢探针1另一端露出在有机玻璃封装盒2之外，不锈钢探针1露出有机玻璃封装盒2之外部分长度为8cm，三根不锈钢探针1露出在有机玻璃封装盒2之外部分的端顶处分别套设有绝缘套体3，安装固定三根不锈钢探针1时，先在灌胶封装盒6内设置固定架，用于固定三根不锈钢探针1，两根PIN二极管5分别安装在三根不锈钢探针1之间，位于有机玻璃封装盒2内，灌胶封装盒6内填充有电子胶组成TDR系统探头；同轴电缆7由同轴电缆内导线701和两条同轴电缆外导线702组成，同轴电缆内导线701一端与三根不锈钢探针1的中间不锈钢探针1连接，两根同轴电缆外导线702一端分别与三根不锈钢探针1的左右两根不锈钢探针1连接，同轴电缆内导线701和两条同轴电缆外导线702另一端通过第一电容801和BNC接头与TDR测试仪10连接；第三电容803与第二电阻902串联后与低压直流电源连接，第二电容802一端与第三电容803一端连接后与任一条同轴电缆外导线702连接、另一端与第三电容803另一端连接，第一电阻901一端与同轴电缆内导线701连接、另一端与第二电容802和第三电容803连接端连接，组成电容电阻模块，电容电阻模块位于TDR系统探头与第一电容801之间。

本实施例设置两个PIN二极管5，PIN二极管5的一端与外侧不锈钢探针1连接，另一端与中心不锈钢探针1连接，并通过同轴电缆7的内外导线实现了与外部直流电路的连接。当加在PIN二极管5两端的电压为正向时，PIN二极管5电阻很小，从而将探针短路，使得电磁波在此处强烈衰减；当电压为0或者负向时，PIN二极管5电阻很大，对电磁波传导几乎没有影响。如此设计，则可以利用两种方法各自的优势保证在长同轴电缆和高电导率条件下保证测量结果。

本发明的方法所采用的技术方案是：利用适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统进行高含盐土壤水分测量的方法，根据电磁波在同轴电缆中传播的时间来判断同轴电缆7的长度是否超过设定值？如果同轴电缆7的长度没有超过设定值，则采用表面反射法和行程时间法同时测量介质含水率，并对结果进行考虑电导的权重分配，最后输出的结果为经过权重计算得到的介质含水率；如果同轴电缆7的长度超过设定值，则首先采用表面反射法，通过PIN二极管5部分断路获得原始波形，然后通过程序自动控制打开二极管电路，获得短路条件下的波形，并通过波形差计算行程时间求得介质含水率，上述两种方法获得的含水率经过考虑同轴电缆7长度的权重计算作为最终的含水率输出。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统，包括：不锈钢探针（1）、有机玻璃封装盒（2）、PIN二极管（5）、灌胶封装盒（6）、同轴电缆（7）和TDR测试仪（10）；其特征在于：所述的TDR系统还包括第一电容（801）、第二电容（802）、第三电容（803）、第一电阻（901）、第二电阻（902）和低压直流电源；所述的不锈钢探针（1）为三根，所述的绝缘套体（3）为三个，所述的PIN二极管（5）为两根，所述的有机玻璃封装盒（2）上下底面对称位置设置有三个安装孔，所述的灌胶封装盒（6）与所述的有机玻璃封装盒（2）的上底面固定连接；

所述的三根不锈钢探针（1）一端穿过所述的有机玻璃封装盒（2）下底面的安装孔和上底面的安装孔，伸入所述的灌胶封装盒（6）内，所述的三根不锈钢探针（1）另一端露出在所述的有机玻璃封装盒（2）之外，所述的两根PIN二极管（5）分别安装在所述的三根不锈钢探针（1）之间，位于所述的有机玻璃封装盒（2）内，组成TDR系统探头；

所述的同轴电缆（7）由同轴电缆内导线（701）和两条同轴电缆外导线（702）组成，所述的同轴电缆内导线（701）一端与所述的三根不锈钢探针（1）的中间不锈钢探针（1）连接，所述的两根同轴电缆外导线（702）一端分别与所述的三根不锈钢探针（1）的左右两根不锈钢探针（1）连接，所述的同轴电缆内导线（701）和两条同轴电缆外导线（702）另一端通过所述的第一电容（801）与所述的TDR测试仪（10）连接；

所述的第三电容（803）与所述的第二电阻（902）串联后与所述的低压直流电源连接，所述的第二电容（802）一端与所述的第三电容（803）一端连接后与所述的任一条同轴电缆外导线（702）连接、另一端与所述的第三电容（803）另一端连接，所述的第一电阻（901）一端与所述的同轴电缆内导线（701）连接、另一端与所述的第二电容（802）和第三电容（803）连接端连接，组成电容电阻模块，所述的电容电阻模块位于所述的TDR系统探头与所述的第一电容（801）之间。

2.根据权利要求1所述的适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统，其特征在于：所述的同轴电缆内导线（701）和两条同轴电缆外导线（702）通过BNC接头与所述的TDR测试仪（10）连接。

3.根据权利要求1所述的适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统，其特征在于：所述的低压直流电源为3V直流电源。

4.根据权利要求1所述的适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统，其特征在于：所述的灌胶封装盒（6）内填充有电子胶。

5.根据权利要求1所述的适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统，其特征在于：所述的不锈钢探针（1）露出有机玻璃封装盒（2）之外部分长度为8cm。

6.根据权利要求1所述的适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统，其特征在于：所述的三根不锈钢探针（1）露出在所述的有机玻璃封装盒（2）之外部分的端顶处分别套设有绝缘套体（3）。

7.利用权利要求1所述的适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统进行高含盐土壤水分测量的方法，其特征在于：根据电磁波在同轴电缆中传播的时间来判断所述的同轴电缆（7）的长度是否超过设定值？

如果所述的同轴电缆（7）的长度没有超过设定值，则采用表面反射法和行程时间法同时测量介质含水率，并对结果进行考虑电导的权重分配，最后输出的结果为经过权重计算得到的介质含水率；

如果所述的同轴电缆（7）的长度超过设定值，则首先采用表面反射法，通过所述的PIN二极管（5）部分断路获得原始波形，然后通过程序自动控制打开二极管电路，获得短路条件下的波形，并通过波形差计算行程时间求得介质含水率，上述两种方法获得的含水率经过考虑同轴电缆（7）长度的权重计算作为最终的含水率输出。

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