专利名称：用于基于相位检测的tdr土壤水分测量仪的传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及测量技术领域，特别涉及一种可以安装于时域反射(TDR) 土壤水 分测量仪，尤其是基于相位检测原理的时域反射土壤水分测量仪(P-TDR)的主体上的传感
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背景技术：
1975年，Davis和Chudobiak将时域反射技术(TDR)应用于土壤介电常数的测定。 1980年，Topp等人在利用TDR测量土壤的介电常数时，证明介电常数与土壤含水量有很好 的相关性，并建立了土壤含水量与表观介电常数的经验公式。与其它方法相比，TDR在土壤 水分测量上有很多优点，如无破坏性、快速、准确度高、测量结果受土壤类型的影响较小、且 能同时测量土壤含水量和土壤电导率。目前商用的TDR仪器较多，它们中的大多数都能用 于测量土壤含水量，但造价高昂且体积较大。此外，国外的时域反射仪技术(TDR)使用快速 阶跃信号发生器、超高速AD转换器和高精度高分辨率时间基准，其所需的IC芯片在国内难 以获得，在技术实现上有很高的难度。TDR土壤水分测试仪的测量范围、精度和空间分辨率还与探针的结构有关。TDR土 壤水分测量的根本依据是电磁波沿探针传播的速度与探针周围土壤的介电常数的平方根 成反比，因此可以根据电磁波传播的速度来测量土壤的介电常数。Topp依此方法测得了土 壤中气-固-液混合物的介电常数￡，进而利用数值回归分析方法找出了不同类型土壤的 含水量与介电常数之间的经验公式0 = -5. 3 X l(T2+2. 92 X 1(T2 ￡ _5. 5 X 1(T4 e 2+4. 3 X 1(T6 e 3其中0为土壤体积含水量，￡为土壤表观介电常数。TDR 土壤水分测试仪一般由阶跃信号发生器、同轴传输线、土壤水分探头(传感 器)及高频采样示波器组成等部分组成，如图1所示。发生器产生具有极小上升时间的阶 跃电压信号，通过同轴电缆将其传输到土壤水分探针，由于同轴传输线与探针阻抗不匹配， 有一部分电磁波在探针与传输线连结处沿同轴传输线反射回来，剩余的电磁波继续沿探针 传输到探针的另一端，由于探针与土壤的阻抗不匹配又造成电磁波的再次反射。这两次反 射产生的反射信号与入射信号叠加在一起形成TDR波形，被高频采样示波器检测到并记录 下来。两个反射信号分别被示波器检测到的时间差等于电磁波信号沿探针传播一个来回的 时间。对于农业土壤来说，￡的值，也就是“表现”介电常数的值将主要取决于土壤的体积 含水量而与土壤类型几乎没有关系。￡值和水的体积百分含量之间的关系已经通过测试单 元(高频示波器)中精确测量得到的￡值建立起来，这些测试单元中水分所占有的体积事 先都已精确测量好。这种关系被用来将￡的现场测量值转变为土壤的体积含水量。尽管现有的基于TDR的土壤水分测试仪能够满足快速测量的实时性要求，可是对 于土壤这种复杂的多孔介质对象，虽然含水量e的变化能够显著地导致介电常数￡的变 化，但在传感器探针几何长度受到限制的条件下，由气-固-液混合物介电常数￡引起的 入射-反射时间差AT却仅仅是10_9秒数量级。若要对如此短的滞后时间进行准确测量，从无线电测量技术的角度来看难度极大(目前世界上掌握超高速延迟线测量技术的只有美、 加、德等极少数国家)，从而导致基于传统方法的TDR 土壤水分测试仪器成本相应很高。例 如，目前由美国进口的“TraSe”TDR 土壤水分测量系统，其售价高达1万美金。TDR 土壤水 分测试仪器的昂贵身价使得它只能装备于我国极少数高等院校和科研单位，无法大量应用 于农田土壤墒情实时监测与节水灌溉自动控制系统中。
实用新型内容(一)要解决的技术问题本实用新型要解决的技术问题是克服现有TDR 土壤水分测量技术中上述入射_反 射时间差难于精确测量而导致的测量设备成本昂贵的缺陷，在提高测量精度的同时降低测 量仪器的总成本。(二)技术方案为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案提供了一种用于基于相位检测原理 的TDR 土壤水分测量仪的传感器，其特征在于，包括壳体，其内弓丨出用于连接所述基于相 位检测原理的TDR 土壤水分测量仪的主体部分的同轴电缆；三根平行设置于所述壳体下端 的、表面覆盖有PVC绝缘层的金属探头，每一所述金属探头的首端嵌入所述壳体内以与所 述同轴电缆相连接；其中，所述金属探头与所述同轴电缆的特征阻抗值相匹配。其中，所述同轴电缆的内导体与设置于中间的所述金属探头的首端相连接，且所 述同轴电缆的外导体与设置于两侧的两根的首端分别相连接。优选地，所述同轴电缆的特征阻抗值为50Q时，所述PVC绝缘层的厚度为1mm。优选地，相邻的所述金属探头的间距为20mm。(三)有益效果根据本实用新型的用于P-TDR 土壤水分测量仪的传感器，通过阻抗变换及特征阻 抗为50 Q的同轴电缆与P-TDR主机连接；每一金属探头都覆盖有1mm厚的PVC涂层，以使 探头在土壤中的特征阻抗接近50 Q，从而减少信号在探针首端的反射，进而提高了测量精度。
图1是现有技术的TDR 土壤水分测试系统的结构示意图；图2是可与本实用新型配合使用的基于相位检测原理的TDR 土壤水分测量仪 (P-TDR)的结构图；图3是根据本实用新型的用于基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪的传感器 的外观示意图；图4是根据本实用新型的用于基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪的传感器 的内部结构示意图；图5是根据本实用新型的用于基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪的传感器 的一个优选实施例的内部结构图；具体实施方式
本实用新型提出的用于基于相位检测原理的TDR 土壤水分测量仪的传感器，结合 附图和实施例说明如下。为了使本实用新型的原理更加清楚，首先有必要结合附图对与其配合使用的基于 相位检测原理的TDR 土壤水分测量仪(P-TDR)进行简单介绍。如图2中所示，基于相位检测原理的TDR 土壤水分测量仪(P-TDR)包括信号源， 用于产生高频正弦波电压信号，其输出信号的频率在320MHz 480MHz之间可调；信号分 配器，用于将信号源输出的信号分别传送给环形器和延时电缆；延时电缆，用于使信号源的 信号的传输产生时间延迟，延迟时间应正好等于信号源信号在环行器及传感器上的传输时 间；环行器，其与本实用新型的传感器相连接，用于将传感器探针末端反射回来的信号与入 射信号分离，并将其中的反射信号传送给相位检测器；相位检测器，将反射信号与来自延时 电缆的参考信号之间的相位差转换为与之成比例的直流电压信号；模数转换电路，用于将 由相位检测器输出的直流电压信号转化为数字信号并送入微处理器；微处理器，用于根据 需要调整信号源输出信号的频率，以及根据来自模数转换电路的数字信号所反映的相位差 计算出电磁波在探针上往返传播的时间，由此根据预置的表征传播时间与土壤含水量之间 关系的标定公式计算出土壤体积含水量。如图3所示为根据本实用新型的基于相位检测原理的TDR土壤水分测量传感器的 外观示意图。由图中可以看出，传感器包括壳体以及平行设置于壳体下端的三根金属探 头，其中，壳体一侧引出用于连接土壤水分测量仪的同轴电缆。如图4所示为根据本实用新型的用于基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪的 传感器的内部结构示意图。如图中所示，金属探头壳体1通过同轴电缆2与测量仪的主体 部分(图2中所示电路部分)相连接。三根金属探头3平行设置于壳体下端且每一探头都 部分嵌入壳体内以分别与同轴电缆相连接；其中，同轴电缆2的内导体5与位于中间的金属 探头的首端7相连接，且其外导体4与位于两侧的两根金属探头的首端7分别相连接；优选 地，使用紧固螺钉10实现上述连接关系；其中，每一金属探头的表面覆盖有PVC涂层9。具体实施过程中，如果金属探头与同轴电缆的阻抗不匹配，测试信号在探头首端 产生反射时，该反射信号与探头末端的反射信号是同频率且同方向传播的，这时即使采用 环形器也不能将这两种反射信号分离开。这不仅会影响传输至探头上的测试信号的能量， 而且会改变反射信号的相位和幅值，导致测量得到的信号传播时间与实际值存在偏差。因 此需要对金属探头的结构及参数进行设定。优选地，使用特征阻抗值为50 Q的同轴电缆，此时，金属探头上的PVC涂层厚度 6为1mm，使得探头在土壤中的特征阻抗接近50 Q，从而减少信号在探针首端的反射，进而 提高测量精度。优选地，金属探头的首端，即其与同轴电缆的连接位置处可以设置阻抗变换 器，以与PVC涂层配合实现探头的阻抗变换。优选地，平行的三根金属探头为不锈钢材质，每一金属探头的长度L为150mm，直 径d为4mm，且每两个相邻的金属探头的间距D/2为20mm。如图5所示为根据本实用新型的传感器的一个具体实施例的内部结构图。图中， 3_金属探头，长152mm，直径6mm，其中含1mm厚的PVC涂敷层；10-紧固螺钉组，规格为 M4X8 ；11-0形圈，内径6mm、线径1. 9mm，用于密封；12-铜柱；13-铜环；14-压紧片；15-0形圈，内径5. 5mm、线径3. 1mm ； 16-顶丝，规格为M4X6 ； 17-压紧螺钉，半圆头，规格为M3X6 ； 18-下壳体，直径64mm ； 19-穿电线护套，同轴电缆由其内引出；20-上壳体，直径64mm ；壳体 总长度104mm ；传感器整体长度256mm。综上所述，涂敷有PVC绝缘涂层的不锈钢三棒式探头、且相邻金属棒之间的间隔 为20mm为本实用新型的传感器的优选设置；当使用特征阻抗为50Q的同轴电缆时，PVC涂 层的厚度为1mm。以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领 域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和 变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应 由权利要求限定。
权利要求一种用于基于相位检测的TDR土壤水分测量仪的传感器，其特征在于，包括壳体，其内引出用于连接所述基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪的主体部分的同轴电缆；三根平行设置于所述壳体下端的、表面覆盖有PVC绝缘层的金属探头，每一所述金属探头的首端嵌入所述壳体内以与所述同轴电缆相连接；其中，所述金属探头与所述同轴电缆的特征阻抗值相匹配。
2.如权利要求1所述的用于基于相位检测的TDR土壤水分测量仪的传感器，其特征在 于，所述同轴电缆的内导体与设置于中间的所述金属探头的首端相连接，且所述同轴电缆 的外导体与设置于两侧的两根的首端分别相连接。
3.如权利要求1所述的用于基于相位检测的TDR土壤水分测量仪的传感器，其特征在 于，所述同轴电缆的特征阻抗值为50Ω时，所述PVC绝缘层的厚度为1mm。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的用于基于相位检测的TDR土壤水分测量仪的传感 器，其特征在于，每一金属探头的长度为150mm，直径为4mm，且每两个相邻的金属探头的间 距为20mm。
专利摘要本实用新型提供了一种用于基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪的传感器，其特征在于，包括壳体，其内引出用于连接所述基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪的主体部分的同轴电缆；三根平行设置于所述壳体下端的、表面覆盖有PVC绝缘层的金属探头，每一所述金属探头的首端嵌入所述壳体内以与所述同轴电缆相连接；其中，所述金属探头与所述同轴电缆的特征阻抗值相匹配。根据本实用新型的用于P-TDR土壤水分测量仪的传感器，通过阻抗变换及特征阻抗为50Ω的同轴电缆与P-TDR主机连接；每一金属探头都覆盖有1mm厚的PVC涂层，以使探头在土壤中的特征阻抗与同轴电缆相匹配，从而减少信号在探针首端的反射，进而提高了测量精度。
文档编号G01N22/04GK201697884SQ20102014835
公开日2011年1月5日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者冯磊, 张方贤, 李子忠, 杨卫中, 王一鸣, 王克栋, 石庆兰, 董乔雪, 龚元石 申请人:中国农业大学