CN214585039U - 一种微型土壤水分含量测量装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供的微型土壤水分含量测量装置及系统，包括：保护套管、光热转换器件、普通光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅和隔热座；光热转换器件的一端通过光纤熔接连接普通光纤的一端；第一光纤光栅设置在光热转换器件上，第二光纤光栅设置在普通光纤上，第一光纤光栅和第二光纤光栅设置在保护套管内，第一光纤光栅和第二光纤光栅之间设置隔热座。将光纤的光热转化特性和光纤光栅测温技术有机结合，采用光热转换器件作为加热元件，利用光纤光栅同步监测加热光纤和土壤环境的温度变化，通过测量加热光纤的温度变化得到温度特征值，基于温度特征值与水分场之间的线性关系求得土壤含水率，便于实现土壤水分含量测量装置微型化、简单化。

Description

一种微型土壤水分含量测量装置及系统

技术领域

本申请涉及土壤环境测量技术领域，尤其涉及一种微型土壤水分含量测量装置及系统。

背景技术

土壤中水分含量是山体滑坡崩塌及泥石流等灾害预警、农作物生长健康分析需要的最为基础的表征参数之一，土壤水分含量的测量在很多方面都有着重要的意义。例如：对于山体土质易发生山体滑坡等具有自然灾害风险的场所，通过测量土体含水率可以对灾害发生的可能性进行预估，起到提前预警的作用；检测矿山土壤水分含量可以用来评价矿山地质的稳定性；另外土壤的水分含量对于农作物的生长情况以及农作物的健康状况也起着决定性作用。因此,对所涉及区域/场地进行水分含量进行监测,及时准确地获取土壤水分含量的信息，是预测和预防可能发生的环境地质灾害的重要途径。

根据不同的测量原理，目前测量土壤水分含量的方法包括：烘干法，电阻率法，时域反射法，频域反射法，遥感法等。但这些测量方法都存在着缺陷；如：烘干法对土体的破坏性大；电阻率法受外界条件影响较大，不适宜在工程中普遍推广；时域和频域反射法的成本高且易受干扰；遥感法的测量精度较低。

同时，现有测量土壤水分含量的方法中涉及到的加热基本上选用外加电源加热碳纤维光缆或加热电阻丝实现，使用外加电源，将会增加系统的复杂度；另外测量土壤水分含量的方法中传感探头的体积较大，能量消耗也较大，尤其不适用于野外取电困难的情况下。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种微型土壤水分含量测量装置及系统，实现探头微型化、简单化，方便测量土壤水分含量。

第一方面，本申请实施例提供的一种微型土壤水分含量测量装置，包括：保护套管、光热转换器件、普通光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅和隔热座；其中：

所述光热转换器件的一端通过光纤熔接连接所述普通光纤的一端；

所述第一光纤光栅设置在所述光热转换器件上，所述第二光纤光栅设置在所述普通光纤上，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅设置在所述保护套管内，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅之间设置所述隔热座。

可选的，在第一方面提供的微型土壤水分含量测量装置中，所述光热转换器件包括掺杂光纤，所述第一光纤光栅通过飞秒激光刻写在所述掺杂光纤上。

可选的，在第一方面提供的微型土壤水分含量测量装置中，所述保护套管包括第一子保护套管和第二子保护套管，所述第一子保护套管连接所述第二子保护套管；

所述第一光纤光栅位于所述第一子保护套管内，所述第二光纤光栅位于所述第二子保护套管内，所述隔热座位于所述第一子保护套管与所述第二子保护套管的连接处。

可选的，在第一方面提供的微型土壤水分含量测量装置中，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅之间的间距不小于5cm。

可选的，在第一方面提供的微型土壤水分含量测量装置中，所述保护套管为设置开口端的不锈管套管，所述保护套管内填充硅脂，所述保护套管的开口端通过封装胶封装。

可选的，在第一方面提供的微型土壤水分含量测量装置中，所述普通光纤的另一端上设置跳线和跳线接头。

可选的，在第一方面提供的微型土壤水分含量测量装置中，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的中心波长范围为1520-1580nm。

本申请实施例提供的微型土壤水分含量测量装置及系统中，当光热转换器件中注入泵浦光时，光热转换器件产生热量，进而光热转换器件可用作测量装置的加热元件，设置在光热转换器件上的第一光纤光栅用于监测光热转换器件上温度变化，普通光纤上的第二光纤光栅用于监测土壤环境温度，进而利用光纤光栅的传感原理，检测光纤光栅反射谱或透射谱的变化，以反演获得相应的温度变化信息以检测加热光纤的温度变化，得到温度特征值；然后根据温度特征值与土壤含水率存在的线性函数关系，计算出土壤含水率。本申请实施例提供的微型土壤水分含量测量装置及系统，通过设置有光热转换器件的一根光纤将光纤的光热转化特性和光纤光栅测温技术有机结合，采用光热转换器件作为加热元件，并利用第一光纤光栅和第二光纤光栅同步监测加热光纤和土壤环境的温度变化，通过测量加热光纤的温度变化得到温度特征值，然后基于温度特征值与水分场之间的线性关系求得土壤含水率。因此本申请实施例提供的微型土壤水分含量测量装置及系统，便于实现土壤水分含量测量装置微型化、简单化，方便进行土壤水分含量的测量。

第二方面，本申请实施例提供的土壤水分含量测量系统，包括微型土壤水分含量测量装置，所述微型土壤水分含量测量装置为上述第一方面提供的微型土壤水分含量测量装置；

所述微型土壤水分含量测量系统还包括波分复用器、解调仪、分析主机和泵浦光源；

其中：所述波分复用器的第一输入端光连接所述解调仪的输入端，所述波分复用器的第二输入端光连接所述泵浦光源，所述波分复用器的输出端连接普通光纤的另一端，所述解调仪的输出端连接所述分析主机。

第三方面，本申请实施例提供的一种微型土壤水分含量测量装置，包括：保护套管、光热转换器件、第一普通光纤、第二普通光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅和隔热座；其中：

所述光热转换器件的一端通过光纤熔接连接所述第一普通光纤的一端；

所述第二普通光纤串联所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅，所述光热转换器件、第一光纤光栅和所述第二光纤光栅位于所述保护套管内，所述第一光纤光栅靠近所述光热转换器件、所述第二光纤光栅远离所述光热转换器件且所述第一光纤光栅与所述第二光纤光栅之间设置所述隔热座。

第四方面，本申请实施例提供的一种微型土壤水分含量测量系统，包括微型土壤水分含量测量装置，所述微型土壤水分含量测量装置为第三方面提供的微型土壤水分含量测量装置；

所述微型土壤水分含量测量系统还包括解调仪、分析主机和泵浦光源；

其中：第一普通光纤的另一端光连接所述泵浦光源，第二普通光纤光连接所述解调仪的输入端，所述解调仪的输出端连接所述分析主机。

本申请实施例提供的微型土壤水分含量测量装置及系统中，当光热转换器件中注入泵浦光时，光热转换器件产生热量，进而光热转换器件可用作测量装置的加热元件，设置在光热转换器件附近的第一光纤光栅用于监测光热转换器件上温度变化，第二普通光纤上的第二光纤光栅用于监测土壤环境温度，进而利用光纤光栅的传感原理，检测光纤光栅反射谱或透射谱的变化，以反演获得相应的温度变化信息以检测加热光纤的温度变化，得到温度特征值；然后根据温度特征值与土壤含水率存在的线性函数关系，计算出土壤含水率。本申请实施例提供的微型土壤水分含量测量装置及系统，将光纤的光热转化特性和光纤光栅测温技术有机结合，采用光热转换器件作为加热元件，并利用第一光纤光栅和第二光纤光栅同步监测加热光纤和土壤环境的温度变化，通过测量加热光纤的温度变化得到温度特征值，然后基于温度特征值与水分场之间的线性关系求得土壤含水率。因此本申请实施例提供的微型土壤水分含量测量装置及系统，便于实现土壤水分含量测量装置微型化、简单化，方便进行土壤水分含量的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，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他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种微型土壤水分含量测量装置的结构图；

图2为本申请实施例提供的一种微型土壤水分含量测量系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种微型土壤水分含量测量装置的结构图；

图4为本申请实施例提供的另一种微型土壤水分含量测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

为解决上述技术问题，本申请实施例的申请构思为：将光热转换器件的光热转化特性和光纤光栅测温技术有机结合，采用光热转换器件作为加热元件，并利用光纤光栅同步监测其周围环境温度变化，并基于温度特征值与水分场之间的线性关系求得土壤含水率。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种微型土壤水分含量测量装置，图1为本申请实施例提供的一种微型土壤水分含量测量装置的结构示意图。如图1所示，本申请实施例提供的微型土壤水分含量测量装置1，包括：保护套管11、光热转换器件12、普通光纤13、第一光纤光栅14、第二光纤光栅15和隔热座16。

在本申请实施例中，光热转换器件12的一端连接普通光纤13。可选的，光热转换器件12的一端通过光纤熔接连接普通光纤13的一端，光可在光热转换器件12和普通光纤13之间传输。本申请实施例中的光热转换器件12为通过光热转换原理可产生热量的元件；可选的，光热转换器件12为掺杂光纤，掺杂光纤是指光纤中掺杂某种特殊元素(例如钴等元素)，使光纤某些特性的改变，当注入泵浦光源时，掺杂离子通过吸收泵浦光从基态跃迁到激发态，然后再通过非辐射跃迁(多声子弛珠)过程，将激光能量高效地转换成热能，从而实现了全光纤无源加热功能；光热转换器件12还可为金属镀膜式探头、光纤拉锥式探头、错位熔接式探头等或几种方式的融合。另外，当光热转换器件12使用掺杂光纤时，可根据微型土壤水分含量测量装置的所测量程、测量精度等要求替换成不同掺杂的光纤类型或不同掺杂浓度的光纤类型。本申请实施例中的普通光纤13是由玻璃或塑料制成的纤维，用于传输光。

在本申请实施例中，第一光纤光栅14设置在光热转换器件12上，第二光纤光栅15设置在普通光纤13上，进而第一光纤光栅14和第二光纤光栅15通过包括光热转换器件12的一根光纤串联。第一光纤光栅14和第二光纤光栅15是通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅。可选的，第一光纤光栅14通过飞秒激光刻写在光热转换器件12上。在本申请实施例中，可选的光热转换器件12的激发泵浦光可采用波长1480nm的光，进而第一光纤光栅14和第二光纤光栅15的中心波长应避免1480nm；可选的，第一光纤光栅14和第二光纤光栅15的中心波长可选择在1520-1580nm之间，当然第一光纤光栅14和第二光纤光栅15的中心波长需要选择在解调仪能够解调范围内。

光热转换器件12、第一光纤光栅14和第二光纤光栅15等设置在保护套管11内，保护套管11用于保护光热转换器件12、第一光纤光栅14和第二光纤光栅15等。可选的，保护套管11选择具有良好导热性能的套管；如不锈钢套管，不锈钢套管具有良好的耐腐蚀性、耐热性和导热性，进而不锈钢套管能够简化了传感器探头的结构，对光热转换器件12、第一光纤光栅14和第二光纤光栅15等起到了保护作用，还可以防止外界应力变化对光栅测量温度造成的影响。

第一光纤光栅14和第二光纤光栅15之间设置隔热座16，当光热转换器件12加热时，防止光热转换器件12产生的热量传递到第二光纤光栅15，以防光热转换器件12产生的热量影响用于测量土壤环境温度的第二光纤光栅15的测量结果。进一步，为防止光热转换器件12产生的热量影响到第二光纤光栅15，第一光纤光栅14与第二光纤光栅15的距离不小于5cm。

在本申请实施例中，保护套管11包括第一子保护套管111和第二子保护套管112，第一子保护套管111连接第二子保护套管112；第一光纤光栅14位于第一子保护套管111内，第二光纤光栅15位于第二子保护套管112，第一子保护套管111和第二子保护套管112的连接处设置。进一步，本申请实施例中，第一子保护套管111的直径小于第二子保护套管112的直径，便于微型土壤水分含量测量装置使用过程中扦插入待检测的土壤中。可选的，第一子保护套管111和第二子保护套管112可为一体成型结构。

进一步，保护套管11内注入硅脂17，硅脂17一方面实现光热转换器件12、普通光纤13、第一光纤光栅14、第二光纤光栅15等在保护套管11内相对位置的固定，另一方面又能第一光纤光栅14与第二光纤光栅15受热均匀，避免第一光纤光栅14与第二光纤光栅15因为受热不均产生啁啾现象，造成光栅数据走失，使解调装置无法正确测量波长的数值，影响土壤水分含量测量结果的准确度。

在本申请实施例中，保护套管11采用两端设置开口端的保护套管，以便于光热转换器件12、普通光纤13、第一光纤光栅14、第二光纤光栅15和隔热座16等在保护套管11内的设置。当光热转换器件12、普通光纤13、第一光纤光栅14、第二光纤光栅15和隔热座16等在保护套管11内固定完成后，使用封装胶18封装保护套管11的开口端。封装胶18具有耐高温和防水的特性，便于保证保护套管11内部空间的密闭性。

在本申请实施中，为便于微型土壤水分含量测量装置的使用连接，普通光纤13另一端上套设跳线19并伸出保护套管11，相应的跳线19的末端设置跳线接头，通过跳线接头连接用于土壤水分含量测量的其他设备。

本申请实施例提供的微型土壤水分含量测量装置，可通过光热转换器件固定功率加热，无需外接电源，简化结构，低功耗；第一光纤光栅和第二光纤光栅灵敏度高，长期稳定性好，及时测量加热光纤的温度和土壤环境的温度变化。

基于上述实施例提供的微型土壤水分含量测量装置，本申请实施例提供了一种微型土壤水分含量测量系统。图2为本申请实施例提供的一种微型土壤水分含量测量系统的结构示意图。如图2所示，本申请实施例提供的微型土壤水分含量测量系统除了包括上述实施例提供的微型土壤水分含量测量装置1，还包括波分复用器(WDM)21、解调仪22、分析主机23和泵浦光源24。

波分复用器21的第一输入端光连接解调仪22的输入端，波分复用器21的第二输入端光连接泵浦光源24，波分复用器的输出端连接普通光纤13的另一端，解调仪22的输出端连接分析主机23。波分复用器21用于将泵浦光源24输出的光和解调仪22输出的光复用到一根光纤中进行传送。解调仪22为多通道FBG解调仪。

若解调仪22输出波长为1550nm的光、泵浦光源24输出1480nm的光，那么将波分复用器21接入泵浦光源24和解调仪22，解调仪22接入波分复用器21的1550nm端，泵浦光源接入WDM的1480nm端，普通光纤13的另一端接入波分复用器21另一端。通过波分复用器21把光纤串上不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传送，泵浦光源发出1480nm的光被光热转换器件12吸收，通过非辐射式跃迁将光能转化为热能，升高第一光纤光栅14表面温度，导致第一光纤光栅14波长发生变化，实现固定功率加热和加热光纤温度测量功能。与第一光纤光栅14串联的第二光纤光栅15随着土壤温度的改变，自身的栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出外界温度。可选的，普通光纤13的另一端可通过跳线接头连接波分复用器21另一端。

本申请实施例提供的微型土壤水分含量测量系统的具体使用，将微型土壤水分含量测量装置1置于土壤中时，微型土壤水分含量测量装置1内部光热转换器件12在泵浦光源的作用下以固定功率加热，引起光热转换器件12的温度发生变化，进而导致光热转换器件12内部同步设置的第一光纤光栅14的反射波长偏移，解调仪22将该波长偏移反演成相对应的温度值，最后由分,主机23根据温度特征值与含水率间的线性函数关系计算得到土壤含水率。土壤的热传导性能随着含水率的增加而增强，因此含水量越高的土壤，土壤的热传导性能越好，所以温度特征值随着土壤含水率的增加而呈减小的变化趋势。由于外界环境会对土体温度造成影响，因此采用第二光纤光栅15实时监测土壤温度，减小外界环境对测量结果的影响。

本申请实施例提供的微型土壤水分含量测量系统中，具体计算如下：

温度特征值定义为：通电加热一段时间后，测得的温度趋于稳定，选取某一特征时间区间[t₁,t₂]，将该时间区间内所测得的多个温度值进行算术平均得到温度平均值T，再减去初始温度T₀，即得到温度特征值ΔT_t。

计算公式为：

式中，ΔT_t为温度特征值，T_t为特征时间区间[t₁,t₂]内的等时间间隔测得的温度值，n为特征时间区间内温度的测量次数。

假设待测土样为均质，且各项同性。可以将热传递问题视为一维问题。选取单位长度的热源为对象进行研究，由欧姆定律可知，(可引)单位长度的热源在单位时间内产生的能量为：

式中：Q₁单位时间内单位长度热源产所生的能量；U施加在单位长度热源两端的电压；R单位长度热源的电阻；R通过单位长度电源的电流。由于电压、电流、电阻均为常数，所以单位时间内热源所产生的热量也为常数。

根据傅里叶定律可知单位时间内，单位长度热源散失的热量为：

式中：Q₂单位时间内单位长度热源所散失的能量；λ为导热系数，它与土体自身性质相关；

温度梯度。其中，温度梯度(temperature gradient)是自然界中气温、水温或土壤温度随陆地高度或水域及土壤深度变化而出现的阶梯式递增或递减的现象。

由能量守恒定律可知，单位时间内热源产热量表示为：

Q₃＝Q₁-Q₂＝cm(T-T₀)＝cmΔT_t (4)

式中：Q₃是用于光纤加热的能量；c是为热源比热容；m是热源质量；T₀是加热前FBG的初始温度；T是加热后FBG的实测温度；ΔT_t是加热后土体热量扩散程度，即温度特征值。

将式(2)-(4)联立得：

通过式(5)求得λ：

当温度场稳定后，由待测土体的各项同性和均匀性可知，温度梯度

为常数，所以式(6)可简化为：

λ＝k₀ΔT_t+b₀ (7)

其中：

k₀、b₀均为常数。

又因土体包含固、液、气三相状态的物质，气体的导热系数与液体、固体相比非常小，因此在推导过程中忽略不计。则土体导热系数为：

λ＝λ_w+λ_s (8)

式中：λ_w是液态物质的导热系数；λ_s是固体物质的导热系数。

λ_w与土样的含水率密切相关，即土中含水率越大，土样的导热能力越强。当温度趋于稳定后，土体颗粒和水分之间温度相同，相互之间的热量传递可忽略不计，因此λ_w与土样含水率可近似认为成正相关，即：

λ_w＝aw (9)

式中：a是常数；w是土样中含水率。

联立式(7)-(9)得：

进一步整理可得：

w＝k₁ΔT_t+b₁ (11)

式中：k₁是水温转换系数，

常数；b₁是水温修正系数，b₁＝-λ₂/a+b₀/a，常数。

温度特征值ΔT_t与含水率w呈一次函数关系，可利用上述关系，进行土体含水率定量监测。其中，通过光热转换器件固定功率加热土壤时，只有在土壤条件相同的情况下，水温转换系数k₁和水温修正系数b₁才是常数，土壤条件不同时k₁和b₁是有变化的，所以针对条件不同的土壤需要现场测定土壤的各个参数。

本申请实施例体用的微型土壤水分含量测量系统，当光热转换器件中注入泵浦光时，光热转换器件产生热量，进而光热转换器件可用作测量装置的加热元件，设置在光热转换器件上的第一光纤光栅用于监测光热转换器件上温度变化，普通光纤上的第二光纤光栅用于监测土壤环境温度，进而利用光纤光栅的传感原理，检测光纤光栅反射谱或透射谱的变化，以反演获得相应的温度变化信息以检测加热光纤的温度变化，得到温度特征值；然后根据温度特征值与土壤含水率存在的线性函数关系，计算出土壤含水率。

因此本申请实施例体用的微型土壤水分含量测量系统，通过设置有光热转换器件的一根光纤将光纤的光热转化特性和光纤光栅测温技术有机结合，采用光热转换器件作为加热元件，并利用第一光纤光栅和第二光纤光栅同步监测加热光纤和土壤环境的温度变化，通过测量加热光纤的温度变化得到温度特征值，然后基于温度特征值与水分场之间的线性关系求得土壤含水率，进而便于实现土壤水分含量测量装置微型化、简单化，方便进行土壤水分含量的测量。

为解决上述技术问题，本申请实施例还提供一种微型土壤水分含量测量装置，图3为本申请实施例提供的另一种微型土壤水分含量测量装置的结构示意图。如图3所示，本申请实施例提供的另一种微型土壤水分含量测量装置3，包括：保护套管31、光热转换器件32、第一普通光纤33、第二普通光纤34、第一光纤光栅35、第二光纤光栅36和隔热座37。

在本申请实施例中，光热转换器件32的一端连接第一普通光纤33。可选的，光热转换器件32的一端通过光纤熔接连接第一普通光纤33的一端，光可在光热转换器件32和第一普通光纤33之间传输。本申请实施例中的光热转换器件32为通过光热转换原理可产生热量的元件；可选的，光热转换器件12为掺杂光纤，掺杂光纤是指光纤中掺杂某种特殊元素(例如钴等元素)，使光纤某些特性的改变，当注入泵浦光源时，掺杂离子通过吸收泵浦光从基态跃迁到激发态，然后再通过非辐射跃迁(多声子弛珠)过程，将激光能量高效地转换成热能，从而实现了全光纤无源加热功能；光热转换器件12还可为金属镀膜式探头、光纤拉锥式探头、错位熔接式探头等或几种方式的融合。另外，当光热转换器件12使用掺杂光纤时，可根据微型土壤水分含量测量装置的所测量程、测量精度等要求替换成不同掺杂的光纤类型或不同掺杂浓度的光纤类型。本申请实施例中的第一普通光纤33是由玻璃或塑料制成的纤维，用于向光热转换器件32传输光。

连接有光热转换器件32的第一普通光纤33和第二普通光纤34并行的设置在保护套管31内。第二普通光纤34串联第一光纤光栅35和第二光纤光栅36，第一光纤光栅35靠近光热转换器件32，第二光纤光栅36远离光热转换器件32，进而光热转换器件32、第一光纤光栅35和第二光纤光栅36等设置在保护套管31内。在本申请实施例中，可选的光热转换器件32的激发泵浦光可采用波长1480nm的光，进而第一光纤光栅35和第二光纤光栅36的中心波长应避免1480nm；可选的，第一光纤光栅35和第二光纤光栅36的中心波长可选择在1520-1580nm之间，当然第一光纤光栅35和第二光纤光栅36的中心波长需要选择在解调仪能够解调范围内。在本申请实施例中，第二普通光纤34向第一光纤光栅35和第二光纤光栅36传输光并传输第一光纤光栅35和第二光纤光栅36的反射光。

光热转换器件32、第一光纤光栅35和第二光纤光栅36等设置在保护套管31内，保护套管31用户保护光热转换器件32、第一光纤光栅35和第二光纤光栅36等。可选的，保护套管31选择具有良好导热性能的套管；如不锈钢套管，不锈钢套管具有良好的耐腐蚀性、耐热性和导热性，进而不锈钢套管能够简化了传感器探头的结构，对光热转换器件32、第一光纤光栅35和第二光纤光栅36等起到了保护作用，还可以防止外界应力变化对光栅测量温度造成的影响。

第一光纤光栅35和第二光纤光栅36之间设置隔热座37，当光热转换器件32加热时，防止光热转换器件32产生的热量传递到第二光纤光栅36，以防光热转换器件32产生的热量影响用于测量土壤环境温度的第二光纤光栅36的测量结果。进一步，为防止光热转换器件32产生的热量影响到第二光纤光栅36，第一光纤光栅35与第二光纤光栅36的距离不小于5cm。

在本申请实施例中，保护套管31包括第一子保护套管311和第二子保护套管312，第一子保护套管311连接第二子保护套管312；第一光纤光栅35位于第一子保护套管311内，第二光纤光栅36位于第二子保护套管312，第一子保护套管311和第二子保护套管312的连接处设置。进一步，本申请实施例中，第一子保护套管311的直径小于第二子保护套管312的直径，便于微型土壤水分含量测量装置使用过程中扦插入待检测的土壤中。可选的，第一子保护套管311和第二子保护套管312可为一体成型结构。

进一步，保护套管31内注入硅脂38，硅脂38一方面实现光热转换器件32、第一普通光纤33、第二普通光纤34、第一光纤光栅35、第二光纤光栅36等在保护套管31内相对位置的固定，另一方面又能第一光纤光栅35与第二光纤光栅36受热均匀，避免第一光纤光栅35与第二光纤光栅36因为受热不均产生啁啾现象，造成光栅数据走失，使解调装置无法正确测量波长的数值，影响土壤水分含量测量结果的准确度。

在本申请实施例中，保护套管31采用两端设置开口端的保护套管，以便于光热转换器件32、第一普通光纤33、第二普通光纤34、第一光纤光栅35、第二光纤光栅36和隔热座37等在保护套管31内的设置。当光热转换器件32、第一普通光纤33、第二普通光纤34、第一光纤光栅35、第二光纤光栅36等在保护套管11内固定完成后，使用封装胶39封装保护套31的开口端。封装胶39具有耐高温和防水的特性，便于保证保护套管31内部空间的密闭性。

在本申请实施中，为便于微型土壤水分含量测量装置的使用连接，第一普通光纤33的另一端上套设第一跳线331和第二普通光纤34的另一端上套设第二跳线341并伸出保护套管31，相应的第一跳线331和第二跳线341的末端分别设置跳线接头，通过跳线接头连接用于土壤水分含量测量的其他设备。

基于上述实施例提供的微型土壤水分含量测量装置3，本申请实施例提供了一种微型土壤水分含量测量系统。图4为本申请实施例提供的一种微型土壤水分含量测量系统的结构示意图。如图4所示，本申请实施例提供的微型土壤水分含量测量系统除了包括上述实施例提供的微型土壤水分含量测量装置3，还包括解调仪41、分析主机42和泵浦光源43。

第一普通光纤33的另一端光连接泵浦光源43，第二普通光纤34光连接解调仪41的输入端，解调仪41的输出端连接分析主机42。解调仪41为多通道FBG解调仪。

泵浦光源发出1480nm的光被光热转换器件32吸收，通过非辐射式跃迁将光能转化为热能，升高第一光纤光栅35表面温度，导致第一光纤光栅35波长发生变化，实现固定功率加热和加热光纤温度测量功能。与第一光纤光栅35串联的第二光纤光栅36随着土壤温度的改变，自身的栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出外界温度。可选的，第一普通光纤33的另一端可通过第一跳线331末端的接头连接泵浦光源43，第二普通光纤34的另一端可通过第二跳线341末端的接头连接解调仪41。

本实施例提供的微型土壤水分含量测量系统的具体使用以及土壤水分含量的计算，可参见上述实施例提供的微型土壤水分含量测量系统的具体使用以及土壤水分含量的计算，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种微型土壤水分含量测量装置，其特征在于，包括：保护套管、光热转换器件、普通光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅和隔热座；其中：

所述光热转换器件的一端通过光纤熔接连接所述普通光纤的一端；

所述第一光纤光栅设置在所述光热转换器件上，所述第二光纤光栅设置在所述普通光纤上，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅设置在所述保护套管内，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅之间设置所述隔热座。

2.根据权利要求1所述的微型土壤水分含量测量装置，其特征在于，所述光热转换器件包括掺杂光纤，所述第一光纤光栅通过飞秒激光刻写在所述掺杂光纤上。

3.根据权利要求1所述的微型土壤水分含量测量装置，其特征在于，所述保护套管包括第一子保护套管和第二子保护套管，所述第一子保护套管连接所述第二子保护套管；

所述第一光纤光栅位于所述第一子保护套管内，所述第二光纤光栅位于所述第二子保护套管内，所述隔热座位于所述第一子保护套管与所述第二子保护套管的连接处。

4.根据权利要求1所述的微型土壤水分含量测量装置，其特征在于，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅之间的间距不小于5cm。

5.根据权利要求1所述的微型土壤水分含量测量装置，其特征在于，所述保护套管为设置开口端的不锈管套管，所述保护套管内填充硅脂，所述保护套管的开口端通过封装胶封装。

6.根据权利要求1所述的微型土壤水分含量测量装置，其特征在于，所述普通光纤的另一端上设置跳线和跳线接头。

7.根据权利要求1所述的微型土壤水分含量测量装置，其特征在于，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的中心波长范围为1520-1580nm。

8.一种微型土壤水分含量测量系统，其特征在于，包括微型土壤水分含量测量装置，所述微型土壤水分含量测量装置为权利要求1-7任意一项所述的微型土壤水分含量测量装置；

所述微型土壤水分含量测量系统还包括波分复用器、解调仪、分析主机和泵浦光源；

其中：所述波分复用器的第一输入端光连接所述解调仪的输入端，所述波分复用器的第二输入端光连接所述泵浦光源，所述波分复用器的输出端连接普通光纤的另一端，所述解调仪的输出端连接所述分析主机。

9.一种微型土壤水分含量测量装置，其特征在于，包括：保护套管、光热转换器件、第一普通光纤、第二普通光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅和隔热座；其中：

所述光热转换器件的一端通过光纤熔接连接所述第一普通光纤的一端；

所述第二普通光纤串联所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅，所述光热转换器件、第一光纤光栅和所述第二光纤光栅位于所述保护套管内，所述第一光纤光栅靠近所述光热转换器件、所述第二光纤光栅远离所述光热转换器件且所述第一光纤光栅与所述第二光纤光栅之间设置所述隔热座。

10.一种微型土壤水分含量测量系统，其特征在于，包括微型土壤水分含量测量装置，所述微型土壤水分含量测量装置为权利要求9所述的微型土壤水分含量测量装置；

所述微型土壤水分含量测量系统还包括解调仪、分析主机和泵浦光源；

其中：第一普通光纤的另一端光连接所述泵浦光源，第二普通光纤光连接所述解调仪的输入端，所述解调仪的输出端连接所述分析主机。

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