CN113495090A - 导管式环状结构传感器及测量土壤水分的方法 - Google Patents

Abstract

一种导管式环状结构传感器及测量方法，属于土壤测量领域。它的导管外壁贴附三针式环状针体，导管内放置阻抗转换器，阻抗转换器内安装中心环状针体的直针体，直针体与同轴电缆一侧连接，三针环状针体均为非封闭环形，中心环状针体的一个非封闭端与直针体连接，侧环状针体位于中心环状针体的两侧，三个非封闭环状针体相互平行，侧环状针体的一个非封闭端设有直角折弯，阻抗转换器插入导管侧壁通孔内，并与贴附于导管外壁的侧环状针体的直角折弯端连接固定。使用本发明测量土壤水分，具有现场安装简便、对原状土层扰动较小，以及可同时对多个不同深度土层同时进行测量，并且能够满足对较深土层进行多层监测的要求。

Description

导管式环状结构传感器及测量土壤水分的方法

技术领域

本发明属于一种土壤测量领域，特别涉及一种导管式环状结构传感器及测量土壤水分的方法。

背景技术

时域反射原理(Time Domain Reflectometry，TDR)产生于上世纪三十年代，最初被用来检测和定位通讯电缆的受损位置。随着上世纪七十年代发现TDR技术能测定土壤体积含水量后，它被广泛应用于农业领域。而自八十年代后，该技术也应用于岩土工程领域，在测定土体含水量和干密度、监测滑坡稳定性、测定地下水位和电导率、监测土体污染及化学加固土质量控制等方面得以应用，并以方便，安全，经济，数字化及易于远程控制通讯等特点而受到广泛关注。

Fellener-Feldegg[1969]研究了电磁波在介质中传输的下列公式：

式中v为电磁波在该介质中的传播速度，c为光速，k′和k″分别为介质的相对介电常数的实部和虚部，而tanδ＝{k″+(σ_DC/ωε₀)}/k′为损耗因子。 G.C.TOPP[1980]指出，土壤基本属于同向线性均匀媒质，其满是k″＜＜k′，且当电磁波的频率足够高时，有σ_DC/ωε₀k′＜＜1。

因而此时：

k′≈(c/v)² (2)

G.C.TOPP定义K_a＝(c/v)²为表征介电常数，可见当足够高频率的电磁波在土壤中传播时满足：

k′≈K_a＝(c/v)² (3)

由于在常温下，土壤是一个由空气(气态)、土体颗粒(固态)以及液体水构成的三相物质，空气和土体颗粒的相对介电常数的实部分别为1和3∽4，而液体水则依据温度不同高达75∽85，因此土壤介电常数的实部大小主要由其含水量所决定。多年来不同领域的学者根据不同应用的需求，给出了不同的土壤表征介电常数和土壤体积含水率的经验拟合公式，以上工作奠定了应用时域反射法原理测量土壤含水率的理论基础。

当一个电磁脉冲激励信号沿传输线传输，传输线的中断、受损或周边物质的不连续性均会引起其阻抗的变化，这种阻抗的变化将会导致传输信号在此不连续点处产生一个反射，通过精密的测量电磁波入射波和反射波的行程时间差，则可以准确的判定此不连续点的位置。

图1是一个典型的TDR土壤水分测量系统，由TDR仪器产生的高频电磁波信号通过同轴电缆输入至插入土壤中的传感器(探针)，由于阻抗的改变产生第一反射点，电磁波信号沿传感器(探针)继续前行，到达长度为L的探针末端产生第二次反射，反射波信号沿传感器传送回TDR仪器，如果假设电磁波沿传感器传输及反射的时间为Δt，则有：

代入(3)式，则有：

由此可见，时域反射技术(TDR)测量土壤水分的关键在于对电磁波沿探针传输时间的精确测量。

目前应用于土壤检测领域的TDR传感器多为插针式结构，实质上是对同轴电缆的模拟，中心针体与同轴电缆内导铜芯相连，外部与同轴电缆的外导屏蔽层连接，如图2所示。

从结构上，TDR传感器又分为同轴式和多针式，其水平截面如图3：

由于同轴式传感器阻断了筒外与筒内土壤的水分交换，同时，为了避免在土壤中插拔引起对原状土的扰动，因此多采用模拟同轴电缆结构的多针式传感器 (探针)，实际应用中更多以三针式结构为主。

虽然插针式探针可以很好的实现了TDR土壤水分的测量问题，但在实际应用中更多的是要求对于地表下不同深度土层的体积含水率的测量；例如：墒情测量要求为测定地表下10cm、20cm及40cm三层的含水率，而水土保持中的监测则要求为地表下20cm、40cm、60cm、80cm及100cm五层的含水率，甚至气象监测要求测量地表下最深至100cm的八层墒情含水率。在实际测量中，插针式探针的埋设需要挖掘一个较大体量的作业坑，而后在纵向断面上根据实际测量的深度，平行于地表插入探针，其存在如下缺陷：

1)、挖取作业坑的劳动强度高；

2)、对现场土体的扰动破坏较大；

3)、对于固定监测项目，在农田长期埋设，会影响耕作且容易受到耕作机械的破坏；

4)、在插入探针时，遇到隐蔽的障碍物(如植物根茎、石块等)，会造成探针针体的分叉或损坏，直接影响测量的准确性。

一种采用导管式结构的土壤水分测量传感器较好的克服了以上缺陷，它是在导管上按照所需测定的不同深度布置电极，插入土壤后可以同时对不同层次土层含水率进行监测。但目前这种导管式传感器仅适用于频域(FDR)原理方法，通过对所测土壤电容值的变化测量土壤水分的仪器，而这类仪器对于土壤电导率的变化极为敏感。因此，多需要根据埋设地点定点定时进行公式率定，导致实际测量效果较差；而时域反射法是通过测量电磁波沿探针传播的时间来进行测量土壤水分，由于其本身为TDR技术原理，对于传感器(探针)的设计要求较高。

综上所述，适合于时域反射原理的导管式传感器(探针)研发具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述的缺陷，提供一种导管式环状结构土壤水分测量传感器及测量土壤水分的方法，它采用一种环状结构的插管式探针，具有现场安装简便、对原状土层扰动较小，以及可同时对多个不同深度土层同时进行墒情测量，并且能够满足对较深土层进行多层墒情监测的要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种导管式环状结构传感器，其特征在于：它包括导管和一组以上的探针；

所述探针由阻抗转换器、直针体、环状针体和同轴电缆组成；

所述阻抗转换器为管状，置于导管内，阻抗转换器内沿其轴向安装直针体，同轴电缆一端与直针体连接；

所述环状针体包括中心环状针体和位于中心环状针体两侧的与中心环状针体平行设置的侧环状针体，均为非封闭环形，贴附于导管外壁，中心环状针体的一个非封闭端与直针体连接；每个侧环状针体的非封闭端设有一个直角折弯，该直角折弯与环状针体的环状平面垂直；

所述导管侧壁设有通孔，阻抗转换器插入该通孔内，并与贴附于导管外壁的侧针体的直角折弯端连接固定。

所述阻抗转换器为T型套管，由管状构件和T型管帽组成，T型管帽的管帽端与管状构件插接固定，管状构件内插装套管，该套管内插装直针体。

所述直针体的前端设有插孔，同轴电缆一端插入该插孔内与直针体连接。

所述阻抗转换器的管壁末端设有缺口，中心环状针体的一个非封闭端与阻抗转换器管壁末端缺口对齐，并与直针体的后端连接。

所述导管、套管均为高分子低介电常数材质。

所述直针体、中心环状针体、侧环状针体、管状构件和T型管帽均为金属材质。

一种导管式环状结构传感器测量土壤水分的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

(1)根据所需测量土壤的深度在导管的外壁自上而下安装多组探针；

(2)在所测土壤中钻孔，孔的深度由所测土壤土层的最深层决定，孔的直径略小于导管外壁直径；

(3)将导管式环状结构传感器插入所测土壤的孔中；

(4)同轴电缆与TDR主机连接，测量出由被测土壤与制作导管材料构成的混合介质的表征介电常数ε_t；

(5)通过

运算公式，计算得出被测土壤的表征介电常数；

(6)再通过TOPP公式，计算得出被测土壤各层的体积含水率。

本发明的优点和有益效果是：

1)在现场进行导管式环状结构土壤水分测量传感器的埋设、监测被测土壤墒情等参数时，无需再挖掘一个较大作业坑，仅仅钻取一个圆柱面即可，大大减轻了现场埋设传感器等工作的劳动强度；

2)土钻钻取的圆柱作业面面积小，对现场土体几乎没有扰动破坏，测量的土壤墒情等参数比较客观，具有说服性；

3)对于土壤等参数的固定监测项目，传感器需在农田长期埋设，由于导管式环状结构土壤水分测量传感器埋设时，作业面积小，在对春耕种子进行机械耕作时，不会破坏、影响种子的生长；

4)由于导管式环状结构土壤水分测量传感器自身的优化设计结构，在插入土壤时，遇到隐蔽的障碍物(如植物根茎、石块等)，不会存在造成针体分叉或损坏的情况，保证了墒情等参数测量的稳定性和准确性。

综上所述：一种适合于时域反射原理(TDR)、采用导管式结构的土壤水分测量传感器通过准确测量电磁波沿探针传播的时间来实现被测土壤精准的含水率值，这在实际墒情测量中具有非常大的优势。

附图说明

图1是TDR土壤水分测量系统示意图。

图2是传感器(探针)对同轴电缆的模拟示意图。

图3是TDR插针式传感器水平截面图。

图4本发明导管的结构示意图。

图5是本发明阻抗转换器的结构示意图。

图6是本发明中心环状针体俯视图。

图7是本发明侧环状针体结构示意图。

图8是本发明组装结构示意图。

图9是本发明实施例结构示意图。

图10是导管式环状传感器拟合比测数据迹线图。

其中：

1-导管，2-阻抗转换器，3-管状构件，4-T型管帽，5-同轴电缆，6-套管， 7-直针体，8-BNC接头，9-通孔，10-中心环状针体，11-侧环状针体，12-U型缺口，13-直角折弯。

具体实施方式

为了使发明的原理更加清楚，首先有必要对与其配合使用的基于时域反射原理的TDR土壤水分测量仪进行简单介绍。TDR土壤水分测量仪申请人已于2016年获得国家发明专利，专利号：201510381857.7。

它包括中央处理器，控制信号收发系统发送多个频率的信号；信号收发系统，用于接收信号；数字信号处理器，用于进行信号采集；根据来自数字信号所反映的电磁波在探针上往返传播的时间，由此根据预置的表征介电常数与土壤含水量之间关系的标定公式计算出土壤体积含水量。

本发明是以同步监测地表下10cm、20cm及40cm水平面土壤墒情为例。

一种导管式环状结构传感器，采用高分子低介电常数材质的聚四氟乙烯制作外壁直径10cm、内壁直径8cm的导管1，阻抗转换器2置于导管1内，阻抗转换器2为不锈钢材质的T型套管，由一个管状构件3和一个T型管帽4及套管6组成，T型管帽4 的管帽端与管状构件3插接固定；为了方便描述，将阻抗转换器2的T型管帽4一端称为细端，管状构件3的一端称为粗端；管状构件3的外径为D₀，内径为d₀，长度为 L₀，其粗端管壁的末端处设有一个U型缺口，管状构件3内插装高分子低介电常数材质聚四氟乙烯制作的与管状构件3外径相同的套管6，同轴电缆5穿入T型管帽4内，将穿入的同轴电缆5端头外表剥离10mm至内导体，不锈钢材质柱状直针体7长度为 L₀、直径为d₀，直针体7的中心钻出直径与同轴电缆5内导体直径相同、长度为10mm 的插孔，同轴电缆5的内导体插入直针体7的中心插孔内，冷压固定同轴电缆5内导体与直针体7；直针体7插入套管6内，剥离T型管帽4细端所包围的同轴电缆5外绝缘层，使同轴电缆5外导体与T型管帽4紧密连接，同轴电缆5的另一端连接BNC接头8；根据测量地表下10cm、20cm及40cm水平面土壤墒情同步监测的要求，在导管1 的侧壁由上而下钻三个直径与阻抗转换器管状构件3外径D₀匹配的通孔9，第一个通孔与第二个通孔的距离为10cm，第二个通孔与第三个通孔的距离为20cm，将阻抗转换器2的管状构件3紧密插入通孔9内，并采用树脂胶密封周边，避免水分沿通孔9缝隙渗入；在导管1的管壁上由上至下紧密贴附三层不锈钢材质的三针式环状针体，第1 层环状针体与第2层环状针体的距离为10cm，第2层环状针体与第3层环状针体的距离为20cm，环状针体包括一个中心环状针体10和位于中心环状针体10两侧的与中心环状针体10平行设置的侧环状针体11，均为非封闭环形，为了避免与导管1管壁间有空气渗入，可以在导管管壁设置凹槽，环状针体卧装在凹槽内，但并不限定这种方式；中心环状针体10的一个非封闭端分别与通孔9内的管状构件3粗端管壁末端处U型缺口12对齐，避免中心环状针体10与阻抗转换器2相连短路，并分别与套管6内直针体7焊接固定；侧环状针体11的一个非封闭端都设有一个直角折弯13，该直角折弯13 与环状针体的环状平面垂直，也紧密贴附于导管1的管壁上，并分别与管状构件3焊接固定。

导管式环状结构传感器适用公式的建立：

时域反射法测量土壤水分的理论依据在于所谓的行程公式(3)，其中的v是电磁波沿插入所测量土壤中探针针体的传播速度。但导管式环状结构传感器由于其结构的影响，其针体外侧为所测量的土壤，而内测则是制作导管的高分子低介电常数材料。因此其依据公式(3)计算得到的是由土壤与制作导管材料构成的混合介质的表征介电常数。依据日本学者H.Miyamoto和J.Chikushi等2006年给出的有关双介电材料的介电常数模型，可得到测量介电常数值ε_t、土壤实际介电常数ε_s以及制作导管材料的介电常数ζ_d之间的关系：

其中0≤ω≤1及α＞0均为参数，由所使用制作导管的材料的介电常数和设计的传感器的几何结构所决定，可以通过对不同介电常数的测量样品插针式探针TDR的测量结果比对，采用非线性回归拟合得到。

由于拟合的公式(6)中参数m及α与导管材质的介电常数ζ_d有关，为了定型产品的一致性，采用了介电性能稳定的聚四氟乙烯制作导管，其介电常数ζ_d＝2.55。

用于拟合公式的实验数据通过两部分实验采集获取，高介电常数部分通过对水及加入不同比例的甘油，导管式传感器与插针式传感器分别测量比对得到；低含水率部分则是通过采用粘土按不同含水率制作土柱，导管传感器测量结果与插针式传感器多点同步测量结果的平均值比对进行拟合，并与多组人工环刀取土烘干测量得到的体积含水率进行了比对(附图10)。

拟合得到结果为α＝3.772，ω＝0.106，拟合实验结果如附表1，附表中的DGB 探针即是本申请的导管式环状结构传感器：

附表1

将上述拟合结果代入公式(6)，计算得到导管式环状结构传感器的表征介电常数拟合公式：

采用公式(7)对各目标含水率潮土、沙土比测的实验室测量结果分别为附表2、附表3，附表中的DGB探针即是本申请的导管式环状结构传感器：

附表2

附表3

采用公式(7)对辽宁省朝阳水文站、叶柏寿水文站、安徽滁州水文实验基地等野外比测的测量结果附表4，附表中的DGB探针即是本申请的导管式环状结构传感器：

附表4

采用上述导管式环状结构传感器分别对辽宁省朝阳水文站、叶柏寿水文站、安徽滁州水文实验基地等野外土壤水分测量，以测量地表下10cm、20cm及40cm水平面土壤墒情同步监测为例，它包括以下步骤：

(1)根据所需测量土壤的深度10cm、20cm及40cm，在导管的外壁自上而下10cm、20cm及40cm安装三组探针；

(2)在所测土壤中钻40cm深度的孔，孔的直径略小于导管外壁直径10cm；

(3)将该传感器插入所测土壤的钻孔中，沉淀一个月左右，使土和传感器的导管外壁紧密贴合到三层三针式环状针体上；

(4)同轴电缆的另一端BNC接头与TDR主机连接，测量出由土壤与制作导管材料构成的混合介质的表征介电常数；

(5)通过

运算公式，计算得出被测土壤的表征介电常数；

(6)通过TOPP公式计算，得出被测土壤的含水率。

通过以上实验室测量和野外测量各数据与人工法比对，使用导管式环状结构传感器可以精准测量土壤墒情等参数。

Claims (7)

1.一种导管式环状结构传感器，其特征在于：它包括导管和一组以上的探针；

所述探针由阻抗转换器、直针体、环状针体和同轴电缆组成；

所述阻抗转换器为管状，置于导管内，阻抗转换器内沿其轴向安装直针体，同轴电缆一端与直针体连接；

所述环状针体包括中心环状针体和位于中心环状针体两侧的与中心环状针体平行设置的侧环状针体，均为非封闭环形，贴附于导管外壁，中心环状针体的一个非封闭端与直针体连接；每个侧环状针体的非封闭端设有一个直角折弯，该直角折弯与环状针体的环状平面垂直；

所述导管侧壁设有通孔，阻抗转换器插入该通孔内，并与贴附于导管外壁的侧针体的直角折弯端连接固定。

2.根据权利要求1所述导管式环状结构传感器，其特征在于：所述阻抗转换器为T型套管，由管状构件和T型管帽组成，T型管帽的管帽端与管状构件插接固定，管状构件内插装套管，该套管内插装直针体。

3.根据权利要求1所述导管式环状结构传感器，其特征在于：所述直针体的前端设有插孔，同轴电缆一端插入该插孔内与直针体连接。

4.根据权利要求1所述导管式环状结构传感器，其特征在于：所述阻抗转换器的管壁末端设有缺口，中心环状针体的一个非封闭端与阻抗转换器管壁末端缺口对齐，并与直针体的后端连接。

5.根据权利要求1所述导管式环状结构传感器，其特征在于：所述导管、套管均为高分子低介电常数材质。

6.根据权利要求1所述导管式环状结构传感器，其特征在于：所述直针体、中心环状针体、侧环状针体、管状构件和T型管帽均为金属材质。

7.根据权利要求1所述导管式环状结构传感器测量土壤水分的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

(1)根据所需测量土壤的深度在导管的外壁自上而下安装多组探针；

(2)在所测土壤中钻孔，孔的深度由所测土壤土层的最深层决定，孔的直径略小于导管外壁直径；

(3)将导管式环状结构传感器插入所测土壤的孔中；

(4)同轴电缆与TDR主机连接，测量出由被测土壤与制作导管材料构成的混合介质的表征介电常数ε_t；

(5)通过

运算公式，计算得出被测土壤的表征介电常数；

(6)再通过TOPP公式，计算得出被测土壤各层的体积含水率。

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