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一種適于擴(kuò)展的高含鹽土壤水分測量的tdr系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適于擴(kuò)展的高含鹽土壤水分測量的TDR系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)包括：不銹鋼探針、有機(jī)玻璃封裝盒、PIN二極管、灌膠封裝盒、同軸電纜、TDR測試儀、第一電容、第二電容、第三電容、第一電阻和第二電阻；本發(fā)明根據(jù)電磁波在同軸電纜中傳播的時(shí)間來判斷同軸電纜長度是否超過設(shè)定值，若未超過，則同時(shí)采用表面反射法和行程時(shí)間法，并對結(jié)果進(jìn)行考慮電導(dǎo)的權(quán)重計(jì)算；若超過，則通過程序自動控制二極管電路，分別獲得斷路條件下的原始波形和通路條件下的波形，并分別采用表面反射法和波形差行程時(shí)間法，最終輸出經(jīng)過考慮同軸電纜長度的權(quán)重計(jì)算的介質(zhì)含水率。本發(fā)明既能保證高含鹽土壤水分鹽分測試的精度又能擴(kuò)展TDR探頭，使之能同時(shí)監(jiān)測更多的點(diǎn)。
【專利說明】—種適于擴(kuò)展的高含鹽土壤水分測量的TDR系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土壤物理特性監(jiān)測領(lǐng)域，涉及一種適于擴(kuò)展的高含鹽土壤水分測量的系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種利用TDR (時(shí)域反射儀)系統(tǒng)進(jìn)行高含鹽土壤水分自動測量的系統(tǒng)及方法，主要應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、巖土工程以及與土壤密切相關(guān)且需要對土壤水鹽狀況有連續(xù)精確了解的相關(guān)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]TDR (Time Domain Reflectometry,時(shí)域反射儀)，最早應(yīng)用于電纜故障檢測，加拿大科學(xué)家Topp于1980年首次實(shí)現(xiàn)了將TDR應(yīng)用于土壤水分測量，其后經(jīng)過幾十年的發(fā)展，TDR系統(tǒng)測量已經(jīng)成為了一種快速、準(zhǔn)確、安全的現(xiàn)場測試方法，且能夠?qū)崿F(xiàn)自動監(jiān)測。TDR含水量測試方法雖然已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但主要針對的是低電導(dǎo)的礦物土壤，對于高含鹽的鹽堿土含水量測試還存在問題。為克服高電導(dǎo)率介質(zhì)引起的TDR反射波形的衰減對測試結(jié)果產(chǎn)生的影響，目前的解決方法主要有以下三種:
[0003](I)中心探針鍍膜法，該方法采用在傳統(tǒng)的TDR傳感器的中心探針表面增加環(huán)氧樹脂涂層或者包裹熱縮套管的方式，來避免高電導(dǎo)率對測試結(jié)果的影響；
[0004](2)探針末端短路法，該方法通過比較TDR傳感器探針末端短路前后反射波形的變化，來判斷電磁波在被測介質(zhì)中的傳播時(shí)間；
[0005](3)表面反射法，該方法通過測試電磁波在空氣與被測介質(zhì)交界面處的反射系數(shù)來計(jì)算介質(zhì)的介電常數(shù)，從而計(jì)算含水量。
[0006]方法(I)和方法(2)的改進(jìn)都是基于行程時(shí)間法來計(jì)算介質(zhì)的介電常數(shù)；方法(3)是基于表面反射法來計(jì)算介質(zhì)的介電常數(shù)。
[0007]行程時(shí)間法測試的是電磁波在介質(zhì)中的傳播速度V，電磁波在巖土介質(zhì)中的傳播速度V與介質(zhì)的介電常數(shù)Ka有關(guān)，請見圖1，為典型的TDR行程時(shí)間法及表面反射法波形分析示意圖，當(dāng)電磁波經(jīng)同軸傳輸線傳播后到達(dá)同軸電纜與同軸轉(zhuǎn)換器交界面處時(shí)，由于同軸轉(zhuǎn)換器阻抗大于同軸電纜，因此反射波形上升，即A點(diǎn)；當(dāng)電磁波經(jīng)過同軸轉(zhuǎn)換器到達(dá)同軸轉(zhuǎn)換器與空氣段(此處的空氣段為探頭插入土壤時(shí)有空隙導(dǎo)致，與表面反射法留出一定長度空氣段不同)交界面處時(shí)，由于空氣段阻抗大于同軸轉(zhuǎn)換器，反射波形再次上升，即B點(diǎn)；當(dāng)電磁波經(jīng)過空氣段到達(dá)空氣段與介質(zhì)表面交界處時(shí)，由于介質(zhì)阻抗小于空氣段，反射波形開始下降，即C點(diǎn)；然后電磁波在介質(zhì)中傳播直至探針末端，由于探針末端阻抗大于探針之間介質(zhì)的阻抗，因此反射波形在該處再次上升，即D點(diǎn)。通過波形B點(diǎn)至D點(diǎn)這兩處的時(shí)間差Λ t，即電磁波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間，可以得到電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，為:
I /P\f
;其中L為插入介質(zhì)中探針的長度，介電常數(shù)為:A= (i)2。但是，介質(zhì)的電導(dǎo)率越
大，電磁波在其中的傳播衰減越快，且探針末端阻抗越小，波形中的D點(diǎn)會不明顯甚至無法判別，此時(shí)TDR行程時(shí)間法無法使用。方法(I)是通過在中心探針表面鍍上絕緣膜，減少電磁波的衰減，使得出現(xiàn)比較明顯的D點(diǎn)，從而計(jì)算Λ t。方法(2)則是分別在波形中B點(diǎn)位置即探針首端和D點(diǎn)位置即探針末端進(jìn)行短路，使得波形急劇下降，然后用未進(jìn)行短路的原始波形減去短路后波形獲得波形差，由于在短路位置之前的部分完全相同，故這部分波形差曲線為直線，而短路處則陡升，從而能輕易準(zhǔn)確地判斷B點(diǎn)和D點(diǎn)，從而得到Λ t。
[0008]與傳統(tǒng)行程時(shí)間法不同，表面反射法測試的是電磁波在空氣段與介質(zhì)交界面II1-1II處的反射系數(shù)來計(jì)算介質(zhì)的介電常數(shù)，請見圖2，為采用表面反射法的TDR探頭示意圖，介電常數(shù)通過下式計(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.一種適于擴(kuò)展的高含鹽土壤水分測量的TDR系統(tǒng)，包括:不銹鋼探針(I)、有機(jī)玻璃封裝盒(2)、PIN 二極管(5)、灌膠封裝盒(6)、同軸電纜(7)和TDR測試儀(10);其特征在于:所述的TDR系統(tǒng)還包括第一電容(801)、第二電容(802)、第三電容(803)、第一電阻(901)、第二電阻(902)和低壓直流電源；所述的不銹鋼探針(I)為三根，所述的絕緣套體(3)為三個(gè)，所述的PIN 二極管(5)為兩根，所述的有機(jī)玻璃封裝盒(2)上下底面對稱位置設(shè)置有三個(gè)安裝孔，所述的灌膠封裝盒(6)與所述的有機(jī)玻璃封裝盒(2)的上底面固定連接； 所述的三根不銹鋼探針(I) 一端穿過所述的有機(jī)玻璃封裝盒(2)下底面的安裝孔和上底面的安裝孔，伸入所述的灌膠封裝盒(6)內(nèi)，所述的三根不銹鋼探針(I)另一端露出在所述的有機(jī)玻璃封裝盒(2)之外，所述的兩根PIN 二極管(5)分別安裝在所述的三根不銹鋼探針(I)之間，位于所述的有機(jī)玻璃封裝盒(2)內(nèi)，組成TDR系統(tǒng)探頭； 所述的同軸電纜(7)由同軸電纜內(nèi)導(dǎo)線(701)和兩條同軸電纜外導(dǎo)線(702)組成，所述的同軸電纜內(nèi)導(dǎo)線(701) —端與所述的三根不銹鋼探針(I)的中間不銹鋼探針(I)連接，所述的兩根同軸電纜外導(dǎo)線(702) —端分別與所述的三根不銹鋼探針(I)的左右兩根不銹鋼探針(I)連接，所述的同軸電纜內(nèi)導(dǎo)線(701)和兩條同軸電纜外導(dǎo)線(702)另一端通過所述的第一電容(801)與所述的TDR測試儀(10)連接； 所述的第三電容(803)與所述的第二電阻(902)串聯(lián)后與所述的低壓直流電源連接，所述的第二電容(802) —端與所述的第三電容(803) —端連接后與所述的任一條同軸電纜外導(dǎo)線(702)連接、另一端與所述的第三電容(803)另一端連接，所述的第一電阻(901) —端與所述的同軸電纜內(nèi)導(dǎo)線(701)連接、另一端與所述的第二電容(802 )和第三電容(803 )連接端連接，組成電容電阻模塊，所述的電容電阻模塊位于所述的TDR系統(tǒng)探頭與所述的第一電容(801)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適于擴(kuò)展的高含鹽土壤水分測量的TDR系統(tǒng)，其特征在于:所述的同軸電纜內(nèi)導(dǎo)線(701)和兩條同軸電纜外導(dǎo)線(702)通過BNC接頭與所述的TDR測試儀(10)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適于擴(kuò)展的高含鹽土壤水分測量的TDR系統(tǒng)，其特征在于:所述的低壓直流電源為3V直流電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適于擴(kuò)展的高含鹽土壤水分測量的TDR系統(tǒng)，其特征在于:所述的灌膠封裝盒(6)內(nèi)填充有電子膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適于擴(kuò)展的高含鹽土壤水分測量的TDR系統(tǒng)，其特征在于:所述的不銹鋼探針(I)露出有機(jī)玻璃封裝盒(2)之外部分長度為8cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適于擴(kuò)展的高含鹽土壤水分測量的TDR系統(tǒng)，其特征在于:所述的三根不銹鋼探針(I)露出在所述的有機(jī)玻璃封裝盒(2)之外部分的端頂處分別套設(shè)有絕緣套體(3)。
7.利用權(quán)利要求1所述的適于擴(kuò)展的高含鹽土壤水分測量的TDR系統(tǒng)進(jìn)行高含鹽土壤水分測量的方法，其特征在于:根據(jù)電磁波在同軸電纜中傳播的時(shí)間來判斷所述的同軸電纜(7)的長度是否超過設(shè)定值？ 如果所述的同軸電纜(7)的長度沒有超過設(shè)定值，則采用表面反射法和行程時(shí)間法同時(shí)測量介質(zhì)含水率，并對結(jié)果進(jìn)行考慮電導(dǎo)的權(quán)重分配，最后輸出的結(jié)果為經(jīng)過權(quán)重計(jì)算得到的介質(zhì)含水率；如果所述的同軸電纜(7)的長度超過設(shè)定值，則首先采用表面反射法，通過所述的PIN二極管(5 )部分?jǐn)嗦帆@得原始波形，然后通過程序自動控制打開二極管電路，獲得短路條件下的波形，并通過波形差計(jì)算行程時(shí)間求得介質(zhì)含水率，上述兩種方法獲得的含水率經(jīng)過考慮同軸電纜 (7)長度的權(quán)重計(jì)算作為最終的含水率輸出。
【文檔編號】G01N23/00GK103728322SQ201410017191
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】譚霄, 王康, 吳謀松, 黃介生, 伍靖偉, 劉俊武, 李大成 申請人:武漢大學(xué)