[发明专利]一种时域反射土壤水分测试仪及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及时域反射仪技术，特别是涉及一种基于相位检测原理 的时域反射土壤水分测试仪和测量方法。

背景技术

时域反射仪技术(Time Domain Reflectometry，TDR)是当今世 界上最先进的土壤水分快速测量技术之一。与其它方法相比，TDR 具有以下优点：1)精度高，体积含水量测量误差一般在2％以内；2) 测量结果受土壤类型影响较小，一般不需要对特定的土壤进行单独标 定；3)无辐射，对土壤破坏性小；4)探针的几何结构对测量结果的 影响较小；5)与数据记录仪配合可进行长期自动监测。国外应用TDR 仪还在监测山体滑坡、垃圾填埋、江河和水库堤坝安全等方面发挥重 要作用，在农业、林业、园艺、水文学、生态学、土木工程、废物管 理、食品加工、矿业和储藏业等领域均有广泛的应用。

TDR通过测量土壤含水量变化引起的电磁波信号在TDR探头上 传播速度的变化来测量土壤水分，当探头长度一定时，就转化为对信 号传播时间的测量。土壤含水量变化引起的电磁波信号传播时间变化 量很小，以通常使用的15cm长探头为例，当探头置于空气中和水中 时，电磁波信号在探头上传播一个来回的时间分别约为1ns和9ns， 而当探头插入土壤中时，电磁波信号传播的时间介于这二者之间。也 就是说土壤含水量变化引起的电磁波信号传播时间的变化不超过 8ns，为了达到一定的土壤水分测量精度，就要求TDR对时间测量的 分辨率达到0.1ns(即10^-10s)，这对TDR系统的波形采样电路提出了 很高的要求。此外，为了达到一定的测量精度，通常要求TDR系统 的测试信号的上升沿时间小于200ps，这就对其信号发生器也提出了 很高的要求。由于必须采用复杂且价格高昂的高频电子器件，使得现 有的TDR仪器的价格都很贵，不利于在农业生产中大量推广使用。

目前仅少数发达国家掌握了设计制造TDR土壤水分和电导率测 试仪所需的高速采样示波器、窄上升沿阶跃信号发生器、高频高精度 时间基准等技术。而这些国家对我国采取严格的技术出口限制措施， 使我国无法获得必需的尖端电子部件和芯片，因此我国还不能制造传 统的TDR土壤水分测试仪。我国生产和科研单位使用的TDR仪主要 从美国和加拿大等国进口，单机价格约一万美元，成套设备价格为几 万美元，由于我国尚无此产品，进口价格比生产国本地价格高出很多。 因厂家在国外，缺乏完善的维修和配件供应服务，出现故障后往往不 得不返回原厂家进行维修，影响监测的连续性。所以，研制开发拥有 我国自主知识产权的TDR土壤水分电导率测试仪和测量方法，具有 重要的理论意义与实用价值。

TDR技术早期主要是作为有线电缆故障检测的工具，它通过将 发射阶跃波形与反射回波波形同时显示，判断线路故障的性质及故障 点的位置。在实际应用中发现，电磁波沿电缆的传播速度受电缆周围 介质的介电特性影响。1969年Fellner-Feldegg首次将TDR技术用于 测定介质的介电特性，1975年Davis和Chudobiak将TDR技术应用 于土壤介电常数的测定。

TDR是通过测定电磁波沿插入土壤的探针传播时间来确定土壤 介电常数ε，进而根据土壤含水量θ与土壤介电常数的标定公式计算 出土壤含水量。因为水的介电常数在土壤介质中处于主导地位(水的 介电常数约为78，空气的介电常数为1，土壤颗粒的介电常数一般为 3～5)，所以土壤介电常数的大小主要取决于土壤含水量的高低。