一种适于扩展的高含盐土壤水分测量的tdr系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统及方法，系统包括：不锈钢探针、有机玻璃封装盒、PIN二极管、灌胶封装盒、同轴电缆、TDR测试仪、第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻和第二电阻；本发明根据电磁波在同轴电缆中传播的时间来判断同轴电缆长度是否超过设定值，若未超过，则同时采用表面反射法和行程时间法，并对结果进行考虑电导的权重计算；若超过，则通过程序自动控制二极管电路，分别获得断路条件下的原始波形和通路条件下的波形，并分别采用表面反射法和波形差行程时间法，最终输出经过考虑同轴电缆长度的权重计算的介质含水率。本发明既能保证高含盐土壤水分盐分测试的精度又能扩展TDR探头，使之能同时监测更多的点。
【专利说明】—种适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于土壤物理特性监测领域，涉及一种适于扩展的高含盐土壤水分测量的系统及方法，尤其涉及一种利用TDR (时域反射仪)系统进行高含盐土壤水分自动测量的系统及方法，主要应用在农业、林业、岩土工程以及与土壤密切相关且需要对土壤水盐状况有连续精确了解的相关领域。
【背景技术】
[0002]TDR (Time Domain Reflectometry,时域反射仪)，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系统测量已经成为了一种快速、准确、安全的现场测试方法，且能够实现自动监测。TDR含水量测试方法虽然已经得到广泛应用，但主要针对的是低电导的矿物土壤，对于高含盐的盐碱土含水量测试还存在问题。为克服高电导率介质引起的TDR反射波形的衰减对测试结果产生的影响，目前的解决方法主要有以下三种:
[0003](I)中心探针镀膜法，该方法采用在传统的TDR传感器的中心探针表面增加环氧树脂涂层或者包裹热缩套管的方式，来避免高电导率对测试结果的影响；
[0004](2)探针末端短路法，该方法通过比较TDR传感器探针末端短路前后反射波形的变化，来判断电磁波在被测介质中的传播时间；
[0005](3)表面反射法，该方法通过测试电磁波在空气与被测介质交界面处的反射系数来计算介质的介电常数，从而计算含水量。
[0006]方法(I)和方法(2)的改进都是基于行程时间法来计算介质的介电常数；方法(3)是基于表面反射法来计算介质的介电常数。
[0007]行程时间法测试的是电磁波在介质中的传播速度V，电磁波在岩土介质中的传播速度V与介质的介电常数Ka有关，请见图1，为典型的TDR行程时间法及表面反射法波形分析示意图，当电磁波经同轴传输线传播后到达同轴电缆与同轴转换器交界面处时，由于同轴转换器阻抗大于同轴电缆，因此反射波形上升，即A点；当电磁波经过同轴转换器到达同轴转换器与空气段(此处的空气段为探头插入土壤时有空隙导致，与表面反射法留出一定长度空气段不同)交界面处时，由于空气段阻抗大于同轴转换器，反射波形再次上升，即B点；当电磁波经过空气段到达空气段与介质表面交界处时，由于介质阻抗小于空气段，反射波形开始下降，即C点；然后电磁波在介质中传播直至探针末端，由于探针末端阻抗大于探针之间介质的阻抗，因此反射波形在该处再次上升，即D点。通过波形B点至D点这两处的时间差Λ t，即电磁波在介质中的传播时间，可以得到电磁波在介质中的传播速度，为:
I /P\f
;其中L为插入介质中探针的长度，介电常数为:A= (i)2。但是，介质的电导率越
大，电磁波在其中的传播衰减越快，且探针末端阻抗越小，波形中的D点会不明显甚至无法判别，此时TDR行程时间法无法使用。方法(I)是通过在中心探针表面镀上绝缘膜，减少电磁波的衰减，使得出现比较明显的D点，从而计算Λ t。方法(2)则是分别在波形中B点位置即探针首端和D点位置即探针末端进行短路，使得波形急剧下降，然后用未进行短路的原始波形减去短路后波形获得波形差，由于在短路位置之前的部分完全相同，故这部分波形差曲线为直线，而短路处则陡升，从而能轻易准确地判断B点和D点，从而得到Λ t。
[0008]与传统行程时间法不同，表面反射法测试的是电磁波在空气段与介质交界面II1-1II处的反射系数来计算介质的介电常数，请见图2，为采用表面反射法的TDR探头示意图，介电常数通过下式计算:
【权利要求】
1.一种适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统，包括:不锈钢探针(I)、有机玻璃封装盒(2)、PIN 二极管(5)、灌胶封装盒(6)、同轴电缆(7)和TDR测试仪(10);其特征在于:所述的TDR系统还包括第一电容(801)、第二电容(802)、第三电容(803)、第一电阻(901)、第二电阻(902)和低压直流电源；所述的不锈钢探针(I)为三根，所述的绝缘套体(3)为三个，所述的PIN 二极管(5)为两根，所述的有机玻璃封装盒(2)上下底面对称位置设置有三个安装孔，所述的灌胶封装盒(6)与所述的有机玻璃封装盒(2)的上底面固定连接； 所述的三根不锈钢探针(I) 一端穿过所述的有机玻璃封装盒(2)下底面的安装孔和上底面的安装孔，伸入所述的灌胶封装盒(6)内，所述的三根不锈钢探针(I)另一端露出在所述的有机玻璃封装盒(2)之外，所述的两根PIN 二极管(5)分别安装在所述的三根不锈钢探针(I)之间，位于所述的有机玻璃封装盒(2)内，组成TDR系统探头； 所述的同轴电缆(7)由同轴电缆内导线(701)和两条同轴电缆外导线(702)组成，所述的同轴电缆内导线(701) —端与所述的三根不锈钢探针(I)的中间不锈钢探针(I)连接，所述的两根同轴电缆外导线(702) —端分别与所述的三根不锈钢探针(I)的左右两根不锈钢探针(I)连接，所述的同轴电缆内导线(701)和两条同轴电缆外导线(702)另一端通过所述的第一电容(801)与所述的TDR测试仪(10)连接； 所述的第三电容(803)与所述的第二电阻(902)串联后与所述的低压直流电源连接，所述的第二电容(802) —端与所述的第三电容(803) —端连接后与所述的任一条同轴电缆外导线(702)连接、另一端与所述的第三电容(803)另一端连接，所述的第一电阻(901) —端与所述的同轴电缆内导线(701)连接、另一端与所述的第二电容(802 )和第三电容(803 )连接端连接，组成电容电阻模块，所述的电容电阻模块位于所述的TDR系统探头与所述的第一电容(801)之间。
2.根据权利要求1所述的适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统，其特征在于:所述的同轴电缆内导线(701)和两条同轴电缆外导线(702)通过BNC接头与所述的TDR测试仪(10)连接。
3.根据权利要求1所述的适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统，其特征在于:所述的低压直流电源为3V直流电源。
4.根据权利要求1所述的适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统，其特征在于:所述的灌胶封装盒(6)内填充有电子胶。
5.根据权利要求1所述的适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统，其特征在于:所述的不锈钢探针(I)露出有机玻璃封装盒(2)之外部分长度为8cm。
6.根据权利要求1所述的适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统，其特征在于:所述的三根不锈钢探针(I)露出在所述的有机玻璃封装盒(2)之外部分的端顶处分别套设有绝缘套体(3)。
7.利用权利要求1所述的适于扩展的高含盐土壤水分测量的TDR系统进行高含盐土壤水分测量的方法，其特征在于:根据电磁波在同轴电缆中传播的时间来判断所述的同轴电缆(7)的长度是否超过设定值？ 如果所述的同轴电缆(7)的长度没有超过设定值，则采用表面反射法和行程时间法同时测量介质含水率，并对结果进行考虑电导的权重分配，最后输出的结果为经过权重计算得到的介质含水率；如果所述的同轴电缆(7)的长度超过设定值，则首先采用表面反射法，通过所述的PIN二极管(5 )部分断路获得原始波形，然后通过程序自动控制打开二极管电路，获得短路条件下的波形，并通过波形差计算行程时间求得介质含水率，上述两种方法获得的含水率经过考虑同轴电缆 (7)长度的权重计算作为最终的含水率输出。
【文档编号】G01N23/00GK103728322SQ201410017191
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】谭霄, 王康, 吴谋松, 黄介生, 伍靖伟, 刘俊武, 李大成 申请人:武汉大学