[实用新型]一种用于测量土壤水分的装置

说明书

技术领域

本实用新型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，用于测量土壤水分。

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。

虽然Topp公式已被证明可广泛适用于各种矿物质土壤，但研究表明对某些特别的土壤进行测量时仍需要单独标定。对于有很大表面积的介质，由于吸附了较多的束缚水，会严重影响TDR的测量结果，尤其是粘粒含量超过40％的土壤、膨胀性土壤、有机质含量超过10％的有机土壤等。另外，TDR的测量结果还在某种程度上取决于土壤的容重ρ_b，容重不同会引起土壤介电常数的显著变化。容重很大时(ρ_b＞1.7g/cm³)TDR的测量结果偏高，而容重很小时(ρ_b＜1.0g/cm³)TDR测量结果偏低。这是因为容重较大时，土壤中的固相颗粒含量较多而空气含量较少，由于土壤颗粒介电常数比空气介电常数大，所以土壤的表观介电常数相对变大。Baker and Lascano的研究表明：由于电磁波的影响区域主要集中在探针周围，因此如果探针插入时使得探针与土壤之间产生空隙，这些空隙中充满空气则会使得TDR测量结果偏低；反之如果这些空隙中充满水则使得测量结果偏高。