CN112858393A - 一种基于频率步进原理的tdr测试电导率方法 - Google Patents

一种基于频率步进原理的tdr测试电导率方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于频率步进原理的TDR测试电导率方法，包括如下步骤：发射测量信号，记录接收到探针起始端反射信号的时间点t 1及接收到探针末端反射信号的时间点t 2，利用t 1及t 2计算介质的介电常数K a；若介质为液体，标定探针，获取探针的标定系数P和k1，获取阻抗转换器段两端的反射信号峰值m1和m2，获取探针末端的反射信号峰值m3，计算得到介质的电导率
Figure 9286DEST_PATH_IMAGE001
；若介质为土壤，标定所述探针，获取探针的标定系数λ和k2及步骤S4中的标定系数P，获取阻抗转换器两端的反射信号峰值
Figure 693208DEST_PATH_IMAGE002
，获取探针末端的反射信号峰值
Figure 516808DEST_PATH_IMAGE003
，计算得到介质的电导率
Figure 278965DEST_PATH_IMAGE004
。本发明提供的测试电导率方法可以利用TDR测试系统测试电导率。

Description

一种基于频率步进原理的TDR测试电导率方法
技术领域
本发明涉及电导率测试方法技术领域，尤其涉及一种基于频率步进原理的TDR测试电导率方法。
背景技术
电导率用来表征在外加电场中电荷的活动能。土壤由土颗粒，水以及空气组成，所以土颗粒电导率、孔隙水电导率、土壤孔隙率和饱和度决定了土的电导率。其中含水量、孔隙率、孔隙水电导率和温度起主要作用。由于诸多因素，目前没有一个土壤电导率模型可以同时考虑这些因素。Archie(1942)在Archie定律中用孔隙水电导率、孔隙率、饱和度来阐述土壤电导率的计算方法。Rhoades and Schilfgaarde (1976)提出了可以考虑土壤表面电导率和孔隙水电导率的公式。
Dalton (1984)指出沿着探针传播的电压幅度存在指数损耗的规律。当电导率较高时，信号衰减较快，反射信号拐点不明显，给波形分析带来很大困难。因此实有必要提供一种基于频率步进原理的TDR测试电导率方法以解决上述问题。
发明内容
本发明公开了一种基于频率步进原理的TDR测试电导率方法，可以利用反射信号的幅值信息推导电导率。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于频率步进原理的TDR测试电导率方法，包括如下步骤：
S1：提供TDR测试系统，所述TDR测试系统包括依次连接的同轴电缆、阻抗转换器及探针，将所述探针完全没入介质中；
S2：发射测量信号，记录接收到所述探针起始端反射信号的时间点
Figure 379612DEST_PATH_IMAGE001
及接收到所述探针末端反射信号的时间点
Figure 647782DEST_PATH_IMAGE002
，计算介质的介电常数
Figure 577692DEST_PATH_IMAGE003
，其中L为所述探针的长度，c为光速，
Figure 538695DEST_PATH_IMAGE004
；
S3：若介质为液体，执行步骤S4，若介质为土壤，执行步骤S5；
S4：标定所述探针，获取所述探针的标定系数P和k1，获取所述阻抗转换器段两端的反射信号峰值m1和m2，获取所述探针末端的反射信号峰值m3，则介质的电导率
Figure 186845DEST_PATH_IMAGE005
表示为：
Figure 993127DEST_PATH_IMAGE006
；
S5：标定所述探针，获取所述探针的标定系数λ和k2及步骤S4中的标定系数P，获取所述阻抗转换器两端的反射信号峰值
Figure 43122DEST_PATH_IMAGE007
，获取所述探针末端的反射信号峰值
Figure 909447DEST_PATH_IMAGE008
，则介质的电导率
Figure 283709DEST_PATH_IMAGE009
表示为：
Figure 893682DEST_PATH_IMAGE010
。
优选的，所述TDR测试系统还包括TDR仪，所述同轴电缆与所述TDR仪通过BNC接口连接，所述TDR仪用于发射测量信号、接收反射回来的信号，并对信号进行处理。
优选的，所述TDR仪发射的测量信号为余弦波信号。
优选的，所述步骤S4中，所述探针的标定系数P采用Soiltop-200土壤墒情测定仪进行标定。
与相关技术相比，本发明提供的一种基于频率步进原理的TDR测试电导率方法中，利用反射信号的幅值信息推导电导率计算公式，为测试介质的电导率提供了一种新方法，有助于介质介电特性的研究，也为实现TDR技术实时监测土壤污染程度提供了可能性；
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图；
其中：
图1为本发明提供的同轴电缆、阻抗转换器及探针的结构示意图；
图2为I-I截面、II-II截面、III-III截面、IV-IV截面的位置示意图；
图3为本发明方法测试液体电导率的信号示意图；
图4为本发明方法测试土壤电导率的信号示意图；
图5是本发明液体的电导率推导流程图；
图6是本发明中TRD测试系统测试去离子水的结果；
图7是本发明土壤的电导率推导流程图；
图8是本发明中TRD测试系统测试砂土的结果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。
本发明提供请结合参阅图1-8，本发明提供一种基于频率步进原理的TDR测试电导率方法，包括如下步骤：
S1：提供TDR测试系统，所述TDR探测系统包括依次连接的同轴电缆10、阻抗转换器20及探针30，将所述探针30完全没入介质中。
所述TDR测试系统还包括TDR仪，所述同轴电缆10与所述TDR仪通过BNC接口连接，所述TDR仪用于发射测量信号、接收反射回来的信号，并对信号进行处理。所述TDR发射出的测量信号沿所述同轴电缆线10、阻抗转换器20及探针30依次传递，反射信号的传递方向与发射的测量信号的传递方向相反。
所述TDR仪内部包含智能控制分析软件和专家库系统，具有测试数据处理、频时域图形处理、二维图像合成以及数据存储等功能，并可通过智能无线发射接口，将原始测试数据传送到控制终端，控制终端对数据再处理后通过显示界面进行显示，进行实现人机交互。
进一步的，所述TDR仪与所述同轴电缆10的连接截面为I-I；所述同轴电缆10与所述阻抗转换器20的连接截面为II-II；所述阻抗转换器20与所述探针30的连接截面为III-III，所述探针30的末端截面为IV-IV。需要说明的是，在本发明的说明书中，各部件的“起始端”指的是靠近所述TDR仪的一端，“末端”指的是远离所述TDR仪的一端。
测试时，所述探针需要完全没入介质内，所述阻抗转换器20的末端与介质的顶部平面齐平。
S2：发射测量信号，记录接收到所述探针起始端反射信号的时间点t 1及接收到所述探针末端反射信号的时间点t 2，计算介质的介电常数
Figure 798184DEST_PATH_IMAGE011
，其中L为所述探针的长度，c为光速，
Figure 100989DEST_PATH_IMAGE004
。
所述TDR仪发射的测量信号为余弦波信号，所述TDR仪发射后测量信号后，信号传输到所述探针的起始端，所述探针30的起始端会发射一部分信号，此时所述TDR仪会接收到一个发射信号；信号沿所述探针30继续传输到所述探针30的终端时，所述探针30的终端也会反射一部分信号，此时所述TDR仪又会接收到一个反射信号，所述TDR仪会将采集到的信号转换为数字信号以便后续处理，并且还会傅里叶变换将频域信号转换到时域，而两个反射信号的时间差
Figure 723732DEST_PATH_IMAGE012
，正是信号在探针30上所传输时间的两倍，通过麦克斯韦方程组可推导出电磁波的传输速度与介电常数之间的关系，进而可以求解出介质的介电常数K a。
S3：若介质为液体，执行步骤S4，若介质为土壤，执行步骤S5。
S4：标定所述探针，获取所述探针的标定系数P和k1，获取所述阻抗转换器段两端的反射信号峰值m1和m2，获取所述探针末端的反射信号峰值m3，则介质的电导率
Figure 137395DEST_PATH_IMAGE005
表示为：
Figure 896404DEST_PATH_IMAGE006
。
所述探针的标定系数P采用Soiltop-200土壤墒情测定仪进行标定，标定的方式采用本领域的常规技术手段即可。
液体的介电常数通常较大，在测量时，测量信号的反射信号在所述阻抗转换器的初始端和末端分别会产生峰值。假设阻抗转换器起始端余弦波入射信号的幅值为1，反射回TDR仪的信号有三个：分别为来自截面II-II、III-III和IV-IV的反射信号。
第一次反射发生在截面II-II，此处的余弦波反射系数幅值为m1，如图5所示，回到同轴电缆并被TDR仪接收的信号幅值为：
Figure 370111DEST_PATH_IMAGE013
(2.1)
第二次反射发生在截面III-III，根据信号透射原理，进入阻抗转换器的信号幅值为1- m1。由于阻抗转换器长度较短，信号在阻抗转换器中损耗忽略不计。到达截面III-III时，发生第二次反射，反射信号幅值为
Figure 713105DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 664881DEST_PATH_IMAGE015
为截面III-III的真实反射系数。反射的信号到达截面II-II时，透射回到同轴电缆中并被TDR仪接收，信号幅值为：
Figure 543975DEST_PATH_IMAGE016
(2.2)
第三次反射发生在截面IV-IV。根据透射原理，进入探针的信号幅值为
Figure 188583DEST_PATH_IMAGE017
。探针中的介质为电导率研究对象，信号传输的损耗满足Dalton (1984)提出的电压幅度关系，经过探针后，信号衰减为
Figure 520338DEST_PATH_IMAGE018
。在探针末端IV-IV截面发生反射，反射幅值为
Figure 479067DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 71722DEST_PATH_IMAGE020
为截面IV-IV的真实反射系数。反射信号再一次经过探针到达截面III-III时，信号强度衰减为
Figure 762598DEST_PATH_IMAGE021
。经截面III-III和截面II-II透射至同轴电缆，被TDR仪接收，信号幅值为：
Figure 706283DEST_PATH_IMAGE022
(2.3)
联立式(2.1)、(2.2)和(2.3)，可以推导出衰减系数α的表达式：
Figure 639342DEST_PATH_IMAGE023
(2.4)
衰减系数α和电导率存在式关系：
Figure 352083DEST_PATH_IMAGE024
。在本领域的常规选择中，所述探针的长度通常选择为0.2m，选取L=0.2带入上述关系式中，则电导率EC表达式为：
Figure 948280DEST_PATH_IMAGE025
(2.5)
式(2.5)即为液体的电导率初步推导公式。式中
Figure 379262DEST_PATH_IMAGE026
为截面IV-IV的真实反射系数，m1、m2和m3分别为信号在截面II-II、III-III和IV-IV的视反射系数，如图6所示。
为了方便计算，取k1为
Figure 351897DEST_PATH_IMAGE020
的倒数，则式(2.5)变为：
Figure 184724DEST_PATH_IMAGE027
(2.6)
Soiltop-200土壤墒情测定仪测试电导率需要标定探针的P值，来降低探针尺寸大小和物理性质对电导率测试的影响，修正后的公式为：
Figure 951822DEST_PATH_IMAGE028
(2.7)
S5：标定所述探针，获取所述探针的标定系数λ和k2及步骤S4中的标定系数P，获取所述阻抗转换器两端的反射信号峰值
Figure 870100DEST_PATH_IMAGE007
，获取所述探针末端的反射信号峰值
Figure 410540DEST_PATH_IMAGE008
，则介质的电导率
Figure 832294DEST_PATH_IMAGE029
表示为：
Figure 35874DEST_PATH_IMAGE030
。
土壤的介电常数较小，阻抗转换器两端的反射信号拟合为一个峰值，探针测量的介质电导率推导流程如图7所示。
设阻抗转换器起始端余弦波入射信号的幅值为1，反射回TDR仪的信号有两个：分别为来自截面II-II和III-III反射信号的拟合值以及截面IV-IV的反射信号。
第一次反射实际上为截面II-II和III-III两次反射拟合在一起，此处的余弦波反射系数幅值为m12，反射回同轴电缆并被TDR仪接收的信号幅值为：
Figure 175868DEST_PATH_IMAGE031
(3.1)
第二次反射发生在截面IV-IV。根据透射原理，进入探针的信号幅值为1-m12。经过探针长度L后，信号衰减为
Figure 755885DEST_PATH_IMAGE032
，在探针末端IV-IV截面发生反射，反射信号幅值为
Figure 297725DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 672206DEST_PATH_IMAGE034
为截面IV-IV的真实反射系数。反射信号再一次经过探针，到达截面III-III时，信号强度衰减为
Figure 502758DEST_PATH_IMAGE035
。经阻抗转换器，信号到达截面II-II透射至同轴电缆，被TDR仪接收，信号幅值为：
Figure 745521DEST_PATH_IMAGE036
(3.2)
联立式(3.1)和(3.2)，可以推导出衰减系数α的表达式：
Figure 142584DEST_PATH_IMAGE037
(3.3)
式
Figure 687966DEST_PATH_IMAGE038
表示衰减系数α和电导率的关系。在本领域的常规选择中，所述探针的长度通常选择为0.2m，选取L=0.2带入上述关系式中，则推导电导率EC表达式为：
Figure 5815DEST_PATH_IMAGE039
(3.4)
式(3.4)即为土壤的电导率初步推导公式。式中
Figure 786689DEST_PATH_IMAGE034
为截面IV-IV的真实反射系数，m12 和分别为信号在截面II-II和III-III拟合以及IV-IV的视反射系数，如图8所示。
为了方便计算，取k2为
Figure 178487DEST_PATH_IMAGE034
的倒数，则式(3.4)变为：
Figure 19405DEST_PATH_IMAGE040
(3.5)
土壤电导率公式也应参照Soiltop-200土壤墒情测定仪测试液体电导率时标定的P值，来降低探针尺寸大小和物理性质对电导率测试的影响，修正后的公式为：
Figure 496653DEST_PATH_IMAGE041
(3.6)
Soiltop-200土壤墒情测定仪的2048组频率步进的信号，在土体中的介电损耗各不相同，不同信号测得电导率实际存在差异，由(3.5)计算出的电导率无法反映出介电损耗对电导率的影响，所以应该对式(3.5)进行修正，修正系数为λ，修正后的公式为：
Figure 81218DEST_PATH_IMAGE042
。
与相关技术相比，本发明提供的一种基于频率步进原理的TDR测试电导率方法中，利用反射信号的幅值信息推导电导率计算公式，为测试介质的电导率提供了一种新方法，有助于介质介电特性的研究，也为实现TDR技术实时监测土壤污染程度提供了可能性。

Claims (4)

1.一种基于频率步进原理的TDR测试电导率方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：提供TDR测试系统，所述TDR测试系统包括依次连接的同轴电缆、阻抗转换器及探针，将所述探针完全没入介质中；
S2：发射测量信号，记录接收到所述探针起始端反射信号的时间点
Figure 899944DEST_PATH_IMAGE001
及接收到所述探针末端反射信号的时间点
Figure 348243DEST_PATH_IMAGE002
,计算介质的介电常数
Figure 534505DEST_PATH_IMAGE003
,其中L为所述探针的长度，c为光速，
Figure 460873DEST_PATH_IMAGE004
；
S3：若介质为液体，执行步骤S4，若介质为土壤，执行步骤S5；
S4：标定所述探针，获取所述探针的标定系数P和k1，获取所述阻抗转换器段两端的反射信号峰值m1和m2，获取所述探针末端的反射信号峰值m3，则介质的电导率
Figure 180305DEST_PATH_IMAGE005
表示为：
Figure 533926DEST_PATH_IMAGE006
；
S5：标定所述探针，获取所述探针的标定系数λ和k2及步骤S4中的标定系数P，获取所述阻抗转换器两端的反射信号峰值
Figure 473063DEST_PATH_IMAGE007
，获取所述探针末端的反射信号峰值
Figure 203122DEST_PATH_IMAGE008
，则介质的电导率
Figure 278525DEST_PATH_IMAGE009
表示为：
Figure 803047DEST_PATH_IMAGE010
。
2.根据权利要求1所述的基于频率步进原理的TDR测试电导率方法，其特征在于，所述TDR测试系统还包括TDR仪，所述同轴电缆与所述TDR仪通过BNC接口连接，所述TDR仪用于发射测量信号、接收反射回来的信号，并对信号进行处理。
3.根据权利要求2所述的基于频率步进原理的TDR测试电导率方法，其特征在于，所述TDR仪发射的测量信号为余弦波信号。
4.根据权利要求1所述的基于频率步进原理的TDR测试电导率方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述探针的标定系数P采用Soiltop-200土壤墒情测定仪进行标定。
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YUNMIN CHEN ET AL.: "A Newly Designed TDR Probe for Soils with High Electrical Conductivities", 《GEOTECHNICAL TESTING JOURNAL》 *
王亚军等: "基于TDR的多孔介质中含水／水合物饱和度测量方法仿真研究", 《计算机测量与控制》 *
陈仁朋等: "基于频率步进原理的TDR研制及在土体含水率测试中的应用", 《岩土工程学报》 *

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CN112858393B (zh) 2021-07-06

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