CN203191329U

CN203191329U - 一种监测高含盐量土壤中水分和盐分的时域反射仪探头

Info

Publication number: CN203191329U
Application number: CN 201320183380
Authority: CN
Inventors: 伍靖伟; 吴谋松; 谭霄; 黄介生; 郑轩; 刘洁颖
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2023-04-12

Abstract

本实用新型提供一种监测高含盐量土壤中水分和盐分的时域反射仪探头，包括外壳、滑动开关、四根钢针、同轴电缆；滑动开关包括钮柄、一个动触片、两个静触片，扭柄设置在外壳表面，动触片和静触片设置在外壳内部；四根钢针的一端均位于外壳内部，另一端均位于外壳外部；同轴电缆的一端设置在外壳外部，另一端设置在外壳内部；在外壳内部，两个静触片分别与其中的两根钢针连接，一个动触片与同轴电缆的中心导线连接，另外两根钢针与同轴电缆的外层导线连接。本实用新型实现了在高盐分土壤中同时测量含水量和含盐量，其制作工艺简单，价格较低，适于批量生产。

Description

一种监测高含盐量土壤中水分和盐分的时域反射仪探头

技术领域

本实用新型属于土壤监测设备领域，特别涉及一种监测高含盐量土壤中水分和盐分的时域反射仪探头。

背景技术

时域反射仪TDR（time domain reflectometer），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系统已经有了长足的进步。虽然TDR测量土壤水分在国外已经非常普遍，国内也已较为普遍，但是现在国内所使用TDR系统都是进口，国内没有厂家生产。目前TDR的生产厂家主要有美国的Tektronix Inc.、Soilmoisture Equipment Crop.、Campbell Scientific Inc.、波兰的Easy Test Ltd.、加拿大的Environmental Sensors Inc.以及德国的IMKO GmbH等等。各厂家生产的TDR在价格、材料及一些细节构造等有所差异，但原理相同，因此不能也不用一一说明，故以Campbell公司的TDR100系统和Soilmoisture公司的产品为例进行说明。

Campbell公司生产的探头型号繁多，这些探头在针数上分为两针和三针探头，在连接的同轴电缆长度、探针长度、直径、间距等上面各有差异。TDR测量水分在Topp提出之后，最开始的探头是和同轴电缆一样的套筒，测量极不方便，后来经过改进，探头改为两针的，这两根探针又叫做导波棒，两针探头存在一些先天的不足，如信号比较容易受到干扰，并且在同轴电缆与探头连接处必须通过巴伦（平衡不平衡转换器）来实现电磁场的衔接，并且巴伦会造成信号衰减，而在土壤中信号也是会衰减的，因此在土壤中传播的距离就受到了限制，只能测量含盐量较低的土壤（因为高含盐量土壤电导大，能量更容易散失）。之后，两针探头被改造成三针探头，从原理上进一步模仿同轴电缆，测量精度大大提高，但是与两针探头相比，三针探头有一个缺点就是对土壤的扰动增大，测量范围减小。减小对土壤的扰动对于TDR测量土壤水分来说是非常重要的，因为TDR系统测量的是探针周围一个范围内的平均体积含水率，插入探针对土壤的扰动会影响测量的结果，这样测出的数据并不是原状土样的含水率，所以即使三针探头有很多优势，但两针探头并没有被淘汰，仍有应用空间。所以在Campbell公司众多探头中既有三针又有两针，但是都没能解决上述问题。

如图1所示，各探头能正常工作是限定在一定的土壤电导率下，虽然有差异，但是最高值也仅为7.5dS/m,远远低于盐碱地的土壤电导率，故不能在盐碱地测量；在室内试验中使用TDR100测量高含盐量土壤，同样不能测量；从图1可得，CS640与CS630之间的差异在于探针长度和直径，通过缩短探针长度，减少信号损失，提高了工作范围，但是通过这种方法提高的电导率范围十分有限，同时缩短了探针意味着测量的深度减小，大大限制了其应用。美国Soilmoisture公司生产的6005CL2型号埋入式波导探头，探头在中间探针表面拥有特殊材料塑料套管，从另一个角度减少信号损失，能够测量含盐量较高土壤的水分，但是由于表面套了介电常数较小的塑料材料，在测量土壤的含盐量时不准确或者不能测量，要测量同一点的含盐量只能拔出该探头，换上盐分探头，这样不仅操作麻烦而且需要两个探头才能完成测量，对设备要求增加。纵观整个TDR业界，在现有的TDR系统下，还没有一种TDR探头能够实现在高含盐量土壤环境下对水分盐分同时测量。

根据TDR测量的原理，用行程时间法测量土体的介电常数（土壤介电常数与含水量之间有对应关系-Topp经验公式，通过测量土壤介电常数得到土壤含水量），需要知道电磁波在土体中的传播时间，而传播时间是通过入射波与反射波时间差确定的，其中反射信号尤为重要；测量土体电导率（电导率是反映含盐量的指标）时需要知道反射信号电压，反射信号电压需要通过很好的分析TDR波形上的峰值点、水平线和斜率来确定。所以无论是测量含水量还是含盐量，对电磁波的波形质量要求都非常高，但是在电解质电导率比较高或者导线长度比较长的情况下，信号衰减严重，反射信号不明显，于是便不能测量或者准确测量土壤含水量含盐量。通常的做法有缩短探针长度和在探针表面覆盖绝缘层，这两种做法都可以达到测量高含盐量土壤水分盐分的效果。缩短探针长度，减少电磁波传播路径，从而减少衰减，这样就能检测到反射波；而在探针表面覆盖绝缘层则是减少和土壤接触从而减少电磁波衰减。两种方法各有优劣，缩短探针长度减小了测量的深度，如果需要测量较深土壤的含水量含盐量便无能为力了；而在探针表面覆盖绝缘层，虽然纵向上的测量深度没有改变，而且可以精确测量含水量，但是无法测量或者精确测量土壤的含盐量。

实用新型内容

针对背景技术存在的问题，本实用新型提供一种监测高含盐量土壤中水分和盐分的时域反射仪探头，其要解决的技术问题就是在不减小测量深度的同时精确地测量高含盐量土壤的含水量和含盐量。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种监测高含盐量土壤中水分和盐分的时域反射仪探头，包括外壳、滑动开关、四根钢针、同轴电缆；滑动开关包括钮柄、一个动触片、两个静触片，钮柄设置在外壳表面，动触片和静触片设置在外壳内部；四根钢针的一端均位于外壳内部，另一端均位于外壳外部；同轴电缆的一端设置在外壳外部，另一端设置在外壳内部；在外壳内部，两个静触片分别与其中的两根钢针连接，一个动触片与同轴电缆的中心导线连接，另外两根钢针与同轴电缆的外层导线连接。

所述的四根钢针固定在外壳的同一平面上且呈等腰三角形分布，其中，1根钢针设置在三角形的顶点处，其表面有绝缘层；其余3根钢针设置在三角形的底边上，且两根位于底边的两端，一根位于底边的中点。

所述的钢针由不锈钢制成，所述的绝缘层为环氧树脂。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

1. 本实用新型实现了在高盐分土壤中同时测量含水量和含盐量；与Campbell公司生产的CS640、CS645型号探头相比，本实用新型增大了测量深度，提高了工作范围；与Soilmoisture公司生产的6005CL2型号探头相比，本实用新型将两种探头分别实现的功能结合到一个探头上，既保证了测量精度又方便快捷。

2. 本实用新型特别适用于高盐分地区土壤的水分和盐分监测，例如，我国内蒙古以及沿海地区有大面积盐碱土，有很大的应用前景。

3. 本实用新型与进口探头相比，其不仅扩大了测量范围，而且制作工艺简单，价格较低，适于批量生产。

附图说明

图1为Campbell公司生产的探头型号及参数。

图2为本实用新型的仰视图。

图3为本实用新型的俯视图。

图4为本实用新型的正视图。

图5为本实用新型的后视图。

图6为本实用新型的侧视图。

图7为本实用新型的剖视图。

其中，1—1号钢针，2—2号钢针，3—3号钢针，4—4号钢针， 5—灌胶盒，6—外壳，7—滑动开关，8—同轴电缆，9—有机玻璃片，10—导线，11—钮柄。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本实用新型作进一步说明。

如附图所示，本实用新型包括外壳6、滑动开关7、四根钢针（1号钢针1、2号钢针2、3号钢针3、4号钢针4）、同轴电缆8；四根钢针的一端均位于外壳6内部，另一端均位于外壳外部，四根钢针固定在外壳的同一平面上且呈等腰三角形分布，其中，2号钢针2设置在三角形的顶点处，其表面有绝缘层；其余3根钢针设置在三角形的底边上，且1号钢针1和3号钢针3位于底边的两端，4号钢针4位于底边的中点。滑动开关包括钮柄11、一个动触片、两个静触片，钮柄设置在外壳表面，动触片和静触片设置在外壳内部；同轴电缆的一端设置在外壳外部，另一端设置在外壳内部；在外壳内部，两个静触片分别与2号钢针、4号钢针连接，一个动触片通过导线10与同轴电缆的中心导线连接，1号钢针、3号钢针通过导线与同轴电缆的外层导线连接，如此便构成了两个三针TDR探头，当钮柄滑向2号钢针时，1、2、3号钢针构成一个中间探针带绝缘层的三针探头，可以测量高盐分土壤的含水率；当钮柄滑向4号钢针时，1、3、4号钢针构成一个三针探头，由于没有绝缘层覆盖，可以精确测量土壤盐分，同时还可以测量低盐分土壤的含水率，本实用新型通过滑动开关实现了两套不同三针TDR探头的联合。本实施例中，外壳由有机玻璃片和电子胶构成，四根钢针由不锈钢制成。

制作本实用新型时，首先将四根钢针按照图2及图4中的形式布置在有机玻璃片9上；再按照图7中所示，将钢针、滑动开关及同轴电缆连接；然后把灌胶盒5与有机玻璃片固定好，确保钢针顶端及各连接导线在灌胶盒内，滑动开关上沿与灌胶盒上沿齐平，防止埋入胶内，然后将调配好的电子胶倒入，等待定型；最后用剥线器将同轴电缆另一端剥开，与BNC接头连接。

Claims

1.一种监测高含盐量土壤中水分和盐分的时域反射仪探头，其特征在于：包括外壳、滑动开关、四根钢针、同轴电缆；滑动开关包括钮柄、一个动触片、两个静触片，扭柄设置在外壳表面，动触片和静触片设置在外壳内部；四根钢针的一端均位于外壳内部，另一端均位于外壳外部；同轴电缆的一端设置在外壳外部，另一端设置在外壳内部；在外壳内部，两个静触片分别与其中的两根钢针连接，一个动触片与同轴电缆的中心导线连接，另外两根钢针与同轴电缆的外层导线连接。

2.根据权利要求1所述的一种监测高含盐量土壤中水分和盐分的时域反射仪探头，其特征在于：所述的四根钢针固定在外壳的同一平面上且呈等腰三角形分布，其中，1根钢针设置在三角形的顶点处，其表面有绝缘层；其余3根钢针设置在三角形的底边上，且两根位于底边的两端，一根位于底边的中点。

3.根据权利要求2所述的一种监测高含盐量土壤中水分和盐分的时域反射仪探头，其特征在于：所述的钢针由不锈钢制成，所述的绝缘层为环氧树脂。