管式TDR土壤水分传感器的制作方法

本发明属于水文数据记录装置技术领域，涉及土壤水分传感器，更为具体的说，是涉及一种能够同时探测土壤剖面不同土层深度水分的管式TDR土壤水分传感器。

背景技术：

土壤水分测量常用技术有人工烘干法、介电常数法、中子法等，工程项目上主要采用介电常数法中的频域法FDR或时域法TDR等。目前，时域法TDR传感器的探针结构形式全部是直针形式，直针的数量有2针、3针及多针形式，在测量土壤剖面不同深度的土壤水分时，需要开挖基坑，将直针传感器的直针水平插入土壤剖面不同土壤深度层次，考虑人工操作的空间，基坑的开挖尺寸较大，现场开挖的工作量较大，增加了施工的难度，土壤扰动也比较大。工程实践得知，希望现场传感器的埋设土壤开挖量要小，最好适用于钻孔埋设，一来减少土壤扰动，二来提高现场安装效率；另外也希望传感器具备同时测量不同土层深度水分的能力，便于监测土壤水分变化规律。但现有TDR传感器尚无法满足以上需求。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种管式TDR土壤水分传感器，可适用于钻孔埋设安装，方便现场施工；也可同时监测多层土壤深度水分，实际监测土壤水分运动规律。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

管式TDR土壤水分传感器，由上而下包括顶部封盖、接口模块、若干环形探针模块、底部封盖，还包括若干非金属密封螺母模块和若干空管模块，所述接口模块一端与顶部封盖连接，另一端通过密封螺母模块与一空管模块一端连接，所述空管模块另一端通过密封螺母模块与一环形探针模块相连，最底层环形探针模块通过外螺纹与底部封盖连接；

相邻两环形探针模块之间通过密封螺母模块进行连接

或

，环形探针模块通过密封螺母模块与空管模块连接；

所述接口模块包括非金属安装管以及设置在安装管内部的若干SMA转换插座；

所述空管模块包括内空的非金属安装管；

所述环形探针模块包括非金属安装管、环形探针组件、以及设置在安装管内部的SMA转换插座；所述环形探针组件包括三个均匀地套在安装管外的金属环形探针、一根金属定位插针、两个金属定位销、金属安装基座和绝缘圈，其中金属安装基座设置在安装管内部；金属环形探针一端具有圆孔，金属定位插针穿过中间探针上的通孔、安装管侧壁、金属安装基座后连接至SMA转换插座并与SMA转换插座具有电连接，所述绝缘圈设置在金属定位插针和金属安装基座接触部分实现插针与基座的绝缘，金属定位销用于将两边探针固定在金属安装基座上；环形探针模块内部的SMA转换插座通过连接线与接口模块内的SMA转换插座连接。

进一步的，环形探针模块内部的SMA转换插座通过连接线与接口模块内的SMA转换插座一一对应连接。

进一步的，所述接口模块两端均具有外螺纹，所述空管模块和环形探针模块均是较大的一端具有外螺纹，较小的一端外径与较大的一端内径相匹配，封盖具有与接口模块和环形探针模块外螺纹相匹配的内螺纹，密封螺母模块具有与接口模块、空管模块、环形探针模块外螺纹相匹配的内螺纹。

进一步的，所述空管模块和环形探针模块较大的一端设置有凸台。

进一步的，所述凸台为两个，对称设置。

进一步的，所述连接线为同轴电缆。

进一步的，定位销穿过金属环形探针上的通孔和非金属安装管上的圆孔伸入管内金属安装基座上，并通过螺母固定。

进一步的，非金属材料为PVC。

进一步的，金属材料为不锈钢。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.本发明可直接埋设在土壤中，可同时探测土壤剖面多层土壤水分值，每层探测深度为10厘米土层，在线监测土壤水分运动规律，为防汛抗旱、气象数据自动监测提供技术支撑，现场施工方便快捷，提高安装效率。

2，本发明采用全非金属壳体设计，最大限度减小对环形探针内传输的电磁信号的干扰，提升环形探针探测土壤水分的灵敏度和精度，考虑传感器要长期埋设在地下，全非金属壳体设计可很好的解决防水、防锈、防腐的问题，极大提升传感器使用寿命。

3.本发明整体采用模块化组装式设计，可减少大型模具的开模费用，通过模块的组装拼接，方便生产加工和产品的按需定制，最大限度降低产品成本，提高了产品竞争力和灵活性。

4.本发明可应用于防汛抗旱、水文、气象、岩土工程等项目中对土壤水分的在线监测，提升我国土壤水分自动站监测技术水平，市场应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明提供的管式TDR土壤水分传感器整体结构示意图。

图2为环形探针模块侧视图。

图3为环形探针模块剖视图。

附图标记说明：

1-密封盖模块，2-接口模块，3-密封螺母模块，4-空管模块，5-环形探针模块，6-安装管，7-环形探针，8-定位插针，9-安装基座、10-尼龙绝缘圈，11-缺口，12-凸台，13-SMA转换插座，14-同轴电缆跳线。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供的管式TDR土壤水分传感器采用模块化组装式设计，其各部件组成包括两个PVC密封盖模块1、接口模块2、若干PVC密封螺母模块3、若干PVC空管模块4、若干环形探针模块5。图1中，采用三个环形探针模块5，并配合两个空管模块将环形探针模块定位到需要监测的深度。在图1中自上而下分别有PVC密封盖模块1、接口模块2、PVC密封螺母模块3、PVC空管模块4、PVC密封螺母模块3、环形探针模块5、PVC密封螺母模块3、环形探针模块5、PVC密封螺母模块3、PVC空管模块4、PVC密封螺母模块3、环形探针模块5、PVC密封盖模块1。

PVC密封盖模块包括PVC短管和设置在短管接口处的橡胶密封圈，设置在传感器顶端的PVC密封盖模块通过内螺纹与接口模块连接。

接口模块包括PVC安装管和设置在PVC安装管内部的若干SMA转换插座，每个SMA转换插座通过50Ω同轴电缆跳线与一个环形探针模块连接，因此SMA转换插座的数量与环形探针模块数量相同。本例中有三个环形探针模块，因此接口模块中SMA转换插座的数量也为三个，插接头露出于接口模块管壁外，便于数据输出。接口模块中PVC安装管端部的螺纹通过密封螺母与其它部件连接。

PVC密封螺母模块用于连接相邻模块，内含橡胶密封圈，其通过两端的橡胶圈实现密封。

PVC空管模块为一段PVC空管，用于替换环形探针模块位置或延长管式传感器长度，端部有螺纹与相邻部件连接。

环形探针模块包括PVC安装管6、不锈钢环形探针组件、以及设置在PVC安装管内部的SMA转换插座13等，通过环形探针探测土壤水分。环形探针模块是探测土壤水分的核心部件，每个环形探针模块可探测10厘米厚度土壤的水分，通过端部的螺纹、密封螺母实现与相邻环形探针模块或PVC空管的连接。

具体的说，如图2、图3所示，环形探针模块中不锈钢环形探针组件包括三个不锈钢环形探针7、一根不锈钢定位插针8、两个不锈钢定位销、不锈钢安装基座9、尼龙绝缘圈10。如图2所示，三个不锈钢环形探针均匀地套在PVC安装管外，管内安装有不锈钢安装基座、SMA转换插座和50Ω同轴电缆连线等部件。环形探针周围基本被土壤完全包裹，环形探针内侧是低介电常数材料(PVC介电常数为2.89，空气的介电常数为1)，这种结构设计，保证了环形探针的测试精度。探针采用圆环形设计，探针内直径与PVC安装管外直径相同，保证环形探针与PVC防护管精密接触，环形探针具有一缺口11(缺口弧度约为30°-80°)，利于信号的精确捕捉，并有效避免信号干扰。环形探针采用3针平行安装形式，环针采用不锈钢材料，内径与安装管外径相适应，周长为150mm，环针间距为25mm，这些结构尺寸设计数据可以减少电信号间干扰，提高测量精度。各不锈钢环形探针上均具有通孔，在PVC安装管也具有与之相对应的三个通孔，不锈钢定位插针一端穿过位于中间的不锈钢环形探针上的通孔和PVC安装管上的通孔伸入PVC安装管内的不锈钢安装基座上，并通过尼龙绝缘圈与不锈钢安装基座实现绝缘，该插针部分与SMA转换插座内部的芯线铜管导体连接，实现电磁信号的传输。两定位销分别穿过中间环形探针两边的不锈钢环形探针中的端部圆孔和PVC安装管上的圆孔伸入管内不锈钢安装基座上，并通过螺母固定，不锈钢定位销将两探针固定在安装管上。不锈钢安装基座通过中间的螺纹孔与SMA转换插座的外壳连通，实现与50Ω同轴电缆屏蔽层的连通，环形探针模块内的SMA转换插座通过50Ω同轴电缆跳线14与接口模块上的SMA转换插座连接，实现探测土壤水分的电信号输出，最后通过50Ω同轴电缆连接到TDR测试主机，实现土壤水分的在线测量。

每个环形探针可测试10厘米土层的土壤水分，可根据土壤探测层数，灵活拼装环形探针模块,不需要监测的土层厚度用PVC空管模块填充，根据需要可选取多个PVC空管模块依次串接以避免较长一段距离的无需监测土层。

环形探针模块优选与PVC空管模块长度相同，均为10cm，两端安装结构也相同，采用如图3所示的大小头结构设计，大头部分设置有专用扳手拧紧凸台12，凸台为两个，对称设置，配合专用扳手使用。同时用专用扳手锁紧PVC密封螺母和PVC密封盖，可防止人们用徒手就可打开传感器，实现传感器户外安装的可靠性。大头具有外螺纹，拼接时，小头部分插入相邻件的大头内部，两件连接用PVC密封螺母模块(内含橡胶密封圈)，PVC密封螺母模块具有与前述大头部分相适应的内螺纹，通过旋转PVC密封螺母，挤压内部的橡胶密封圈，实现连接部位的防水密封。由于大小头设计，较小的一端外径与较大的一端内径尺寸相匹配，利用小头插入大头内，环形模块、空管模块均可以依次串接。接口模块两头均为大头，两头均设置有专用扳手拧紧凸台12，在与相邻件连接时，将相邻件的小头插入接口模块一端内部，两件连接用PVC密封螺母模块(内含橡胶密封圈)，通过旋转PVC密封螺母，挤压内部的橡胶密封圈，实现连接部位的防水密封，图1中，空管小头插入接口模块远离顶部封盖的一端内。设置在接口模块之上的PVC密封盖模块具有内螺纹，内设橡胶密封圈，通过拧紧PVC密封盖，挤压内部的橡胶密封圈紧贴在内部的PVC短管外侧，实现上端口的密封；最底层环形探针模块的大头部分封口采用PVC密封盖模块，同样的，封盖模块具有与环形探针模块大头外螺纹相匹配的内螺纹，通过拧紧PVC密封盖，挤压内部的橡胶密封圈紧贴在内部的PVC短管外侧，实现下端口的密封。

本实用新型整体采用模块化组装式设计，其中环形探针模块、PVC空管模块、接口模块、PVC密封盖模块、PVC密封螺母模块等可以根据需要灵活组合。从图1可见，环形探针模块、PVC空管模块、接口模块中均有一PVC管，当然，PVC并非唯一可行材质，只要是低介电常数的非金属材料均可以用于制造上述管体，例如密封橡胶、高强度PVC等。PVC密封盖模块、PVC密封螺母模块也由PVC材料制成，同样的，也可以替换成其他低介电常数的非金属材料。低介电常数材料可以最大限度减小对环形探针内传输的电磁信号的干扰，提升环形探针探测土壤水分的灵敏度和精度。考虑传感器要长期埋设在地下，全非金属壳体设计可很好的解决防水、防锈、防腐的问题，极大提升传感器使用寿命。传感器中的金属部分只是50Ω同轴电缆中芯导体和金属屏蔽层的仿真延伸，如中间环形探针为50Ω同轴电缆中芯导体的延伸，两侧的环形探针为50Ω同轴电缆金属屏蔽层的仿真延伸延伸，环形探针模块和接口模块中的其它金属件仅是实现50Ω同轴电缆中芯导体和金属屏蔽层与对应环形探针导通连接。本传感器中的金属部分采用不锈钢制成，根据需要，也可以用其他导电防锈金属替代制造。

使用本管式土壤水分传感器时，可采用钻孔式或开挖式两种方式进行现场埋设，埋设好后令第二个密封螺母位于地面处，露出地面的空管模块用于将接口模块抬高一定距离，便于操作。三个环形探针可以分别监测10厘米、20厘米、40厘米三个土层的水分数据并通过SMA转换插座、50Ω同轴电缆输出至TDR测试主机，30厘米土层处用PVC空管模块填充。本传感器可以根据需要选取相应的环形探针模块和空管模块进行连接，例如：当需要监测10厘米、40厘米两个土层的水分数据时，在20厘米和30厘米土层处均填充空管模块，这两个空管模块彼此之间通过密封螺母连接。当需要监测10厘米、20厘米、30厘米三个土层的水分数据时，则无需在环形探针模块之间设置空管。

本传感器工作原理采用时域反射原理。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，上世纪七十年代发现TDR技术能测定土壤体积含水量，而自上世纪八十年代后，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、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Ka之间满足以下关系：

其中：c＝3x10⁸米/秒为光速

介电常数越高，速度越慢，土壤由空气、矿物颗粒以及水等组成，空气的介电常数为1，矿物颗粒的介电常数为2-4，水的介电常数为80，由于土壤中其它与水的介电常数差异很大，埋在土壤中的平行传输线中电磁波的传输速度非常依赖于土壤含水量，加拿大科学家G.C.TOPP于1980年给出的著名经验公式很好的描述了表观介电常数Ka与土壤体积含水率θv之间的关系：

θv＝4Sx10-⁶Ka³-5.5x10^-4Ka²+2.92x10^-2Ka-5.3x10^-2 (2)

此即为业内著名的TOPP公式，这也使得采用TDR技术测量水分成为可能。

由TDR仪器产生的高频电磁波信号通过同轴电缆输入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：从而：

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。