CN207866750U - 一种适合于频域频率步进体制测量土壤介电特性的传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适合于频域频率步进体制测量土壤介电特性的传感器，探针主体的中心针通过高分子低电导率材质和变径的外导体组成的阻抗转换器与同轴电缆内导体铜芯连接，其余针体与中心针体平行、均匀分布于以中心针体为圆心直径为S的外接圆周上。有益效果是：通过调节阻抗转换器的外径及长度，使阻抗转换器的特性阻抗与测量仪器的输入阻抗匹配最佳，避免在常态区域内出现盲点，减少了信号衰减，满足不同条件下的测量需求。另外，根据不同的测量及精度需求，确定适合的阻抗转换器长度，克服了相邻过近的反射难以区分的缺陷，保证了更高的测量精度；另一方面，也避免了阻抗转换器的过度加长所造成传感器的体积加大的缺陷。

Description

一种适合于频域频率步进体制测量土壤介电特性的传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器；特别是涉及一种适用于频域频率步进体制测量土壤介电特性的传感器。

背景技术

时域反射原理(TDR)作为一种有效原位测量的常规仪器方法，近年来在测量土壤的介电常数、电导率、阻抗等介电特性，并由此确定体积含水率、含盐量、密实度等土壤性质方面得到了广泛的应用。其技术核心—测量电磁波在土壤中的传播速度，通常有两种方式：时域无载频脉冲体制和频域频率步进体制。

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，该技术逐渐向岩土工程领域发展，主要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、数字化及远程控制等特点而受到广泛关注。

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的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。

高频电磁波在介质中的传播速度v与表观介电常数K_a之间满足以下关系：

K_a＝(c/v)² (1)

其中c＝3×10⁸米/秒为光速。1980年加拿大学者G.C.TOPP给出的著名经验公式很好的描述了表观介电常数K_a与土壤体积含水率之间的关系：

此即为业内著名的TOPP公式。

图1是由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个反射点，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(1)式，则有：

由此可见时域反射技术(TDR)的关键在于对电磁波传输时间的精确测量。

传输线中电磁波传输时间的精确测量探测主要基于三种体制：时域无载频脉冲体制、调频连续波体制及频域频率步进体制，现有的TDR仪器多采用时域无载频脉冲体制，TDR仪器是一个时域模拟系统。时域反射原理的基本点在于电磁波的反射，而电磁波的反射是由于其沿波导传播时阻抗的改变而引起。

另外，发明专利ZL2015103818577和实用新型专利号ZL2015204695813公开的土壤水分测定仪采用了频域频率步进体制对土壤进行检测。

频域频率步进体制是分时依次步进的产生一系列点频连续波信号，频率最高可达到微波频段。每个单频信号通过耦合产生激励入射信号的代表信号，直通信号沿着同轴电缆线传输到连接的探针，进入不同介质(土壤)后产生信号反射，再通过定向耦合实现测试信号和反射响应信号分离，形成反射接收信号。入射代表信号和反射接收信号分别由各自的接收机接收，并将接收的数据存储起来，当设定的频率扫描结束后，所得到的系列频域信号通过离散傅里叶逆变换(IDFT)转换至时域，从而实现对电磁波传输时间的精确测量。

上述发明专利是一个使用数字数据和数学算法来进行数据分析的时域、频域多域处理系统。因此，作为采用频域频率步进体制仪器配套使用的土壤探测传感器有着更多的要求。

图2是应用于土壤检测领域的TDR传感器对同轴电缆的模拟，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。

图3是TDR传感器针体截面图。从结构上，TDR传感器又分为同轴式和多针式。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。

图4是土壤水分测定仪测量截图。

现有的TDR仪器及其它的土壤测量仪器使用的传感器种类较多，但均不完全适用于频域频率步进体系土壤检测领域；因此，研究开发与之配套的各种传感器是开发其应用功能的前提和保证。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种在常用测量范围内避免出现测量盲区；减少信号衰竭，增强仪器测量能力、精度高、适应范围广的频域频率步进体制测量土壤介电特性的传感器。

本实用新型所采用的技术方案是：一种适合于频域频率步进体制测量土壤介电特性的传感器，包括，至少三针的探针主体和阻抗转换器；所述探针主体的中心针通过高分子低电导率材质和变径的外导体组成的阻抗转换器与同轴电缆内导体铜芯连接，其余针体与中心针体平行、均匀分布于以中心针体为圆心直径为S的外接圆周上，其余针体经阻抗转换器与所述同轴电缆的外屏蔽导体连接；同轴电缆另一端通过BNC接头连接频域频率步进体制的土壤水分测定仪。

所述探针主体材料为不锈钢线材。

所述阻抗转换器包括两个管状构件；

第一构件为中空的圆柱体，材料为高分子低电导率的物质；第一构件的内径d(mm)与传感器针体的外径相等，第一构件的外径为D(mm)；

其中Z为需转换的阻抗(欧姆)，ε为所选用高分子低电导率材料的相对介电常数；

第二构件包括两个变径的中空不锈钢壳体，大直径的壳体包覆第一构件的外径，且直径与第一构件的外径相同为D(mm)，在大直径的壳体的上方同心的设置有小直径的壳体，小直径的壳体直径与同轴电缆外屏蔽导体的外径相同。

本实用新型的有益效果是：阻抗转换器能够合理的调整探针的输入阻抗，中心针体通过高分子低电导率材质和变径的外导体组成的阻抗转换器与同轴电缆内导体铜芯连接，外导针体经阻抗转换器与上述同轴电缆的外屏蔽导体连接。通过调节阻抗转换器的外径及长度，使阻抗转换器的特性阻抗与测量仪器的输入阻抗匹配最佳，避免在常态区域内出现盲点，减少了信号衰减，满足不同条件下的测量需求。

另外，根据不同的测量及精度需求，确定适合的阻抗转换器长度，克服了相邻过近的反射难以区分的缺陷，保证了更高的测量精度；另一方面，也避免了阻抗转换器的过度加长所造成传感器的体积加大的缺陷。

附图说明

图1是现有TDR土壤测试系统的示意图；

图2是现有TDR中传感器对同轴电缆的模拟示意图；

图3是现有TDR中传感器针体截面图；

图4是土壤水分测定仪测量截图；

图5是本发明阻抗转换器结构示意图；

图6是主体探针结构示意图；

图7是本实用新型传感器示意图；

图8a和图8b是四针式外导针体结构立体示意图和俯视图；

图9是四针式传感器结构示意图；

图10是三针式50Ω探针测量33％潮土截图；

图11是三针式20Ω探针测量33％潮土截图；

图12a和图12b是同一土样不同长度阻抗转换器的实际测量；

图13是3.5cm阻抗转换器25％含水率测量截图；

图14是1.8cm阻抗转换器25％含水率测量截图；

图15是12cm阻抗转换器25％含水率测量截图。

图中：

1.第一构件 2.第二构件 3.针体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

如图5至图9所示，本实用新型一种适合于频域频率步进体制测量土壤介电特性的传感器，包括，至少三针的探针主体和阻抗转换器；所述探针主体材料为不锈钢线材，探针主体的中心针通过高分子低电导率材质和变径的外导体组成的阻抗转换器与同轴电缆内导体铜芯连接，其余针体与中心针体平行、均匀分布于以中心针体为圆心的一定半径的外接圆周上，其余针体经阻抗转换器与所述同轴电缆的外屏蔽导体连接；同轴电缆另一端通过BNC接头连接频域频率步进体制的专业土壤水分测定仪器,即ZL2015103818577所公开的仪器。

所述阻抗转换器长度为L，包括两个管状构件；

第一构件为中空的圆柱体，中空的圆柱体与第二构件连接的一侧端部向内垂直收缩，第一构件的材料为高分子低电导率的物质，如聚四氟乙烯；第一构件1的高度为L₀，内径d(mm)与传感器针体3的外径相等，第一构件的外径为D(mm)，由同轴电缆阻抗计算公式得到：

其中Z为需转换的阻抗(欧姆)，ε为所选用高分子低电导率材料的

相对介电常数；

第二构件2包括两个变径的中空不锈钢壳体，大直径的壳体21包覆第一构件向内垂直收缩的外径，大直径与第一构件的外径相同为D(mm)，在大直径的壳体的上方同心设置有小直径的壳体22，小直径的壳体直径与同轴电缆外屏蔽导体的外径相同。

调节阻抗转换器中第一构件高分子材料的外径D及长度L₀，实现传感器测量阻抗的最佳匹配，满足不同条件下的测量需求。

值得指出的是，各部件之间要保证良好接触。

制作适合于频域频率步进体制测量土壤介电特性的传感器的方法，包括以下步骤：

a.传感器中心针体为不锈钢线材，根据要求确定，通常直径为3～8mm，中心针长度为阻抗转换器长度加探针长度，其中，探针长度最低为10～40cm；

b.沿中心针体一端中心，钻取直径1.2mm，长度为L₂的内孔，以便同轴电缆内铜芯插入后，以冷压方式紧固连接；

c.一个n针传感器的外导针体为n-1根与中心针体相同的不锈钢线材，折弯90°后焊接在外径为D，长度为L₀的不锈钢管底部,各针脚均匀分布在直径为S的屏蔽针外接圆周上；

d.先将同轴电缆剥出L₂长的铜芯，插入中心针体，冷压紧固；

e.再将同轴电缆剥去L₁长的外皮，露出外屏蔽层；

f.将中心针体插入阻抗转换器，在阻抗转换器的不锈钢构件小直径及外导针体的连接钢管处冷压紧固。

实施例

图10为输入阻抗50Ω的三针式探针测量33.74％潮土时，由于测量阻抗与输入阻抗接近，导致反射系数过低造成其它信号噪声干扰(左侧第一个峰为同轴电缆BNC接头引起的反射)，造成多个峰值出现，影响了测量的准确性。

图11是将输入阻抗调节为20Ω时，测量同一土样结果截图，可以看出测量结果准确，但是信号衰减过大。

图12a和图12b是对于体积含水率为10.87％(人工烘干法)的潮土，不同长度阻抗转换器实际测量的实时截图，图12a阻抗转换器长度为3.5cm,图12b阻抗转换器长度为12cm。

比较两个截图可知，阻抗转换器长度为12cm时，图形显示了三个主要反射点，分别为进入阻抗转换器时形成的第一个反射，探针插入土壤处形成的第二个反射以及探针末端形成的第三个反射，但阻抗转换器长度为3.5cm时，前两个反射点拟合成了一个点，其时间位于两个反射点之间，而幅值也是两个反射系数的叠加，因此其测量的精度受到影响。另一方面，通过加长阻抗转换器长度可以精确的测量反射系数，因此对于仪器的其它应用开发有着重要的应用价值。

由于结构强度的原因，对于便携式仪器常备的、需在野外经常插拔的探针，其阻抗转换器的长度不宜太短。而对于固定埋设，对于强度要求相对不高的探针，则可适当减短阻抗转换器长度，以使测量结果更加精确。

图13～15为阻抗转换器长度分别为3.5、1.8及12cm的探针测量体积含水率为26.24％(烘干法)的潮土的测量结果，可以看出后两者的精度高于第一个。

对于标准探针(阻抗转换器长度为3.5cm)，可通过公式计算中的长度人为的补偿探针长度以提高测量土样的精度。

下面针对现有技术中存在的缺陷，通过本实用新型解决的实例说明：

1、避免常用测量范围内出现测量盲区

图4是土壤水分测定仪的实际测量截图，M1(t1,m1)表示了探针插入土壤后产生的反射，M2(t2,m2)则是电磁波沿探针前行达到土壤末端产生的反射，t1,t2分别表示了该两个反射发生的时间(纳秒)，而m1,m2则分别表示了它们的反射系数。

根据电磁学原理，

其中Z₀是进入传感器的输入阻抗，连接仪器的同轴电缆阻抗为50Ω。Z₁是传感器自身的系统测量阻抗，其依赖于传感器自身的设计及所测土壤的介电常数。

对于结构上类似同轴电缆的传感器，其系统测量阻抗为：

其中εr为所测土壤的相对介电常数，其与表观介电常数近似相等。

当传感器的输入阻抗与系统测量阻抗接近时，根据电磁反射原理，反射系数将降低，其他噪音信号干扰，从而导致测量失败或精确度降低；以同轴式传感器外筒直径为54mm，内针直径为4mm为例：若直接由50Ω同轴电缆输入，则由(7)式可以得到在相对介电常数εr≈9.75时，系统测量阻抗Z₁≈50，此时从理论上分析，测试图形的第一个反射点消失，测量失败，我们称之为测量盲点。由TOPP公式，此时的土壤体积含水率大约为18.36％，处于土壤含水率的常态区域。

因此通过阻抗转换器调节传感器的输入阻抗，避免在常态区域出现盲点是十分必要的。

2、调节阻抗匹配，减少信号衰竭，增强仪器的测量能力范围

图4中第二个反射点M₂是电磁波沿传感器传播到达末端后产生的反射，但其幅值m₂并非是该反射的真正反射系数，而是受到了信号衰减和第一个反射点遮蔽影响的“视反射系数”，其真实的反射系数与其有着以下的关系：

其中α为传感器的衰减系数，由其结构及制作的材料决定，l为插入土壤的针体长度。由(8)式可见，若m1过大也会降低“视反射系数”m2的值，使测量范围受到限制。

由上述讨论可知：合理调整探针的输入阻抗是必要的。本实用新型的阻抗转换器—中心针体通过高分子低电导率材质和变径的外导体组成的阻抗转换器与同轴电缆内导体铜芯连接，外导针体经阻抗转换器与上述同轴电缆的外屏蔽导体连接。通过调节阻抗转换器的外径及长度，实现传感器测量阻抗的最佳匹配，满足不同条件下的测量需求。

3、测量精度

频域频率步进体制不同于以往TDR仪器所采用的时域无载频脉冲体制，频域频率步进体制的TDR仪器测试界面呈现的迹线波形是经过IDFT和一系列数学算法数字处理后得到，它具有测试结果直观明了，易于识别等优点；但同时也导致相邻过近的反射难以区分，因而会影响测量的精度。另一方面，阻抗转换器的加长也会造成传感器的体积加大。应用本发明，可以根据不同的测量及精度需求，确定适合的阻抗转换器长度。

4、进一步的应用开发

在频域频率步进体系下，测试的迹线图形中峰点的幅值反映了该点发生反射的反射系数，在土壤检测领域有着广阔的应用开发前景，但在阻抗转换器较短时，相邻反射叠加。通过调节本发明的阻抗转换器长度，可将不同的反射分离，进一步扩大应用范围。

由于基于频域频率步进体制的土壤水分测定仪是首次应用于土壤检测领域，因此尽管传统的TDR仪器及其它的土壤测量仪器使用的传感器种类较多，但均不完全适用。目前TDR技术在农业、水利以及岩土工程方面应用日益广泛；基于频域频率步进体制的土壤水分测定仪以及所采用的频域频率步进体制及矢量网络接收技术，比较传统的TDR技术有着更广泛的应用前景，研究开发与之配套的各种传感器是开发其应用功能的前提和保证。

Claims (3)

1.一种适合于频域频率步进体制测量土壤介电特性的传感器，其特征在于：包括，至少三针的探针主体和阻抗转换器；所述探针主体的中心针通过高分子低电导率材质和变径的外导体组成的阻抗转换器与同轴电缆内导体铜芯连接，其余针体与中心针体平行、均匀分布于以中心针体为圆心直径为S的外接圆周上，其余针体经阻抗转换器与所述同轴电缆的外屏蔽导体连接；同轴电缆另一端通过BNC接头连接频域频率步进体制的土壤水分测定仪。

2.根据权利要求1所述的适合于频域频率步进体制测量土壤介电特性的传感器，其特征在于，所述探针主体材料为不锈钢线材。

3.根据权利要求1所述的适合于频域频率步进体制测量土壤介电特性的传感器，其特征在于，所述阻抗转换器包括两个管状构件；

第一构件为中空的圆柱体，材料为高分子低电导率的物质；第一构件的内径d，单位：mm，与传感器针体的外径相等，第一构件的外径为D，单位：mm；

其中Z为需转换的阻抗，单位：欧姆，ε为所选用高分子低电导率材料的相对介电常数；

第二构件包括两个变径的中空不锈钢壳体，大直径的壳体包覆第一构件的外径，且直径与第一构件的外径相同为D，单位：mm，在大直径的壳体的上方同心的设置有小直径的壳体，小直径的壳体直径与同轴电缆外屏蔽导体的外径相同。