[发明专利]基于探针间距校正的热脉冲-时域反射测量方法及装置

说明书

本发明提供了基于探针间距校正的热脉冲‑时域反射测量方法及装置，所述方法包括：获取所述探针中两个感应探针内预设位置处的温度随时间变化的温度曲线，每一感应探针内具有至少两个预设位置；对于任一感应探针，根据所述任一感应探针内每一预设位置处对应的温度曲线，确定所述任一感应探针内每一预设位置与所述探针中加热探针的距离之间的比值；根据所述探针插入至所述待测土壤前每一预设位置与所述加热探针的初始间距、以及所述比值，确定每一预设位置至所述加热探针的实际间距。本发明提供的方法，减少了在实际应用中由于外因导致的感应探针或加热探针弯曲变形而产生的测量误差，从而提高计算土壤冰含量、热特性、水分含量的准确性。

技术领域

本发明涉及土壤物理特性测量领域，更具体地，涉及基于探针间距校正的热脉冲-时域反射测量方法及装置。

背景技术

土壤水热动态以及土壤参数的测定是研究土壤状态和土壤中各种物理、化学和生物过程的基础。但是由于土壤物理性质具有显著的空间和时间变异性，即时空变异性，这导致了对土壤含水量、温度以及其他物理参数的连续定位测量成为难题。

目前已出现热脉冲-时域反射(Thermo-Time-Domain Reflectometry，Thermo-TDR)技术(以下简称为热-TDR技术)，将热脉冲技术与时域反射技术结合到一起，可以实现同一位置、相同体积土壤上含水量、电导率、导热率、热容量和热扩散系数的连续定位测定。热-TDR技术在土壤物理性质的研究中至关重要，在土壤冻土的测量中也是非常重要的测量技术。

热-TDR技术是由热脉冲技术和时域反射技术结合的结果，有学者在分析TDR探头和热脉冲探头结构特征后，设计出热-TDR测量装置，这种热-TDR测量装置由三根平行的探针组成，三根探针位于一个平面上，长度均为40mm，直径均为1.3mm，相邻两根不锈钢探针的间距为6mm。每根探针中装有由绝缘电阻丝制作的线性热源和一个位于中部的K型热电偶。中部探针与同轴电缆的正极相连，外侧的两根探针与同轴电缆的负极相连。

但是，由于现有技术中热-TDR技术由热脉冲技术和时域反射技术结合，因此热-TDR测量装置测量到的数据计算土壤参数的准确性也要受到这两种技术的限制：

热脉冲技术在野外应用的时候容易导致探针弯曲变形，从而导致探针间距发生变化，进而会导致利用热-TDR测量装置测量到的数据计算土壤参数时产生误差。有研究表明探针间距产生2％的不确定性会导致计算土壤比热时产生4％的误差。还有研究表明，外侧的两个探针在倾斜1度夹角时，计算的土壤热扩散率和比热都会产生6％-10％的误差。同时，探针长度会影响TDR技术的准确性，探针长度越长，利用TDR技术测量的水分含量越准确，但同时探针越长越容易变形导致探针间距变化，最终导致利用热脉冲技术测量得到的数据计算土壤热特性、水分含量等不准确。因此受以上因素限制，目前比较常见的热-TDR测量装置内的探针一般都只有4cm长，远远小于TDR技术所要求的最短长度，限制了利用TDR技术测量土壤水分含量的准确性。另一方面，热-TDR测量装置应用在冻土测量时，在土壤的冻融交替过程中，探针间距也易发生变化，这样就会使得测量的结果的误差很大，最终导致计算得到的土壤冰含量的误差也较大。

发明内容

为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种基于探针间距校正的热脉冲-时域反射测量方法及装置。

一方面，本发明提供了一种基于探针间距校正的热脉冲-时域反射测量方法，包括：

在热脉冲-时域反射测量装置中的探针插入至待测土壤前，将所述探针插入至已知热导率和热容量的材料中，获取所述探针中两个感应探针内预设位置处对应的温度曲线；根据每一温度曲线，确定每一预设位置与所述加热探针的初始间距。标定好初始间距后，执行以下步骤：

S1，在热脉冲-时域反射测量装置中的探针插入至待测土壤后，获取所述探针中两个感应探针内预设位置处的温度随时间变化的温度曲线，每一感应探针内具有至少两个预设位置；