[发明专利]用于基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪的传感器

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术领域，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)的主体上的传感器。

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ε，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：

θ＝-5.3×10^-2+2.92×10^-2ε-5.5×10^-4ε²+4.3×10^-6ε³

其中θ为土壤体积含水量，ε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，ε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。ε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ε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ε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θ的变化能够显著地导致介电常数ε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ε引起的入射-反射时间差ΔT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。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明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，本发明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。

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所述金属探头的首端分别相连接。