[实用新型]交错接力导管式纵向TDR传感器

说明书

本实用新型公开了交错接力导管式纵向TDR传感器，包括导管和两组以上的探针，探针沿导管的纵向方向依次交错均布，相邻两个探针以导管的轴线为中心呈对称设置，探针通过同轴电缆连接有BNC连接器。探针由阻抗转换器、横向直针体和纵向直针体组成。阻抗转换器置于导管内，阻抗转换器内沿其轴向安装横向直针体，同轴电缆的一端与横向直针体相连接。纵向直针体包括中心纵向直针体和侧纵向直针体，均贴附于导管的外侧壁。将本纵向TDR传感器插入淤泥底部，通过多节探针巡检的方式，确定介质分界层的位置，最终测定介质分界层的深度或厚度。本实用新型主要应用于测定河道中淤泥淤积的深度，测量结果精准，敏感度高，稳定性强。

技术领域

本实用新型涉及深度测量仪器技术领域，尤其涉及交错接力导管式纵向TDR传感器。

背景技术

时域反射原理(Time Domain Reflectometry，TDR)产生于上世纪三十年代，最初被用来检测和定位通讯电缆的受损位置。当一个电磁脉冲激励信号沿传输线传输，传输线的中断、受损或周边物质的不连续性均会引起其阻抗的变化，这种阻抗的变化将会导致传输的信号在此不连续点处产生一个反射，通过精密的测量电磁波入射波和反射波的行程时间差，则可以准确的判定此不连续点的位置。随着上世纪七十年代发现TDR技术能测定土壤体积含水量后，它被广泛应用于农业领域。而自八十年代后，该技术也应用于岩土工程领域，在测定土体含水量和干密度、监测滑坡稳定性、测定地下水位和电导率、监测土体污染及化学加固土质量控制等方面得以应用，并以方便、安全、经济、数字化及易于远程控制通讯等特点而受到广泛关注。

物质的色散电磁特性由其相对介电常数来定量描述，等于在介质中的介电常数ε^*与真空中的介电常数ε₀＝8.854×10^-12(法拉/米)的比值：这是一个复数形式的无量纲参数：其实部ε′反映了介电材料在外加电磁场下的极化程度和能量存储，其虚部ε″则反映介电材料在外加电磁场下的能量损失。电磁波在介电介质中传输满足下列公式：

式中v为电磁波在该介质中的传播速度，c为光速，而tanδ＝{ε″+(σ_DC/ωε₀)}/ε′称为损耗因子，加拿大学者G.C.TOPP指出，土壤基本属于同向线性均匀媒质，其满足：ε″＜＜ε′，且当电磁波的频率足够高时，有σ_DC/ωε₀ε′＜＜1。

因而此时：ε′≈(c/v)² (1.2)

在TDR土壤测量领域，K_a≈(c/v)²被称为表征介电常数，易见，K_a＝ε′。

由(1.2)式，我们可以看到，可以通过测量电磁波在介质中的传播速度而得到介质相对介电常数的实部。

一个测量土壤水分的TDR系统如说明书附图7所示，当一个高带宽的阶跃信号沿同轴电缆在时刻t₀达到探针的起始部时，由于阻抗的改变产生反射，而其余信号沿探针继续前进，在时刻t₁到达探针底部时，又产生了第二次反射，考虑电磁波沿长度为L的探针的行程，易见：

代入(1.1)得到：

由此可见，对于电磁波沿探针传输时间Δt的测量，可以直接得到介质相对介电常数的实部。

另一方面，时域反射技术所使用的探针是基于电磁波传输线理论的一个应用，通常有二针或者三针式，三针式较二针式结构更能减少电磁波传输过程中能量的衰减，从而增加测量的量程。因此TDR技术中，更多采用三针式的探针结构。