[實用新型]一種用于測量土壤水分的裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201020102992.6
• 申請日: 2010-01-27
• 公開（公告）號: CN201583508U
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王一鳴;龔元石;王克棟;張方賢;李子忠;楊衛(wèi)中;馮磊;董喬雪;石慶蘭
• 申請（專利權(quán)）人: 中國農(nóng)業(yè)大學
• 主分類號: G01N23/00
• 分類號: G01N23/00
• 代理公司: 北京路浩知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 胡小永

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及時域反射儀技術(shù)，特別是涉及一種基于相位檢測原理的時域反射土壤水分測試儀，用于測量土壤水分。

背景技術(shù)

時域反射儀技術(shù)(Time?Domain?Reflectometry，TDR)是當今世界上最先進的土壤水分快速測量技術(shù)之一。與其它方法相比，TDR具有以下優(yōu)點：1)精度高，體積含水量測量誤差一般在2％以內(nèi)；2)測量結(jié)果受土壤類型影響較小，一般不需要對特定的土壤進行單獨標定；3)無輻射，對土壤破壞性小；4)探針的幾何結(jié)構(gòu)對測量結(jié)果的影響較小；5)與數(shù)據(jù)記錄儀配合可進行長期自動監(jiān)測。國外應(yīng)用TDR儀還在監(jiān)測山體滑坡、垃圾填埋、江河和水庫堤壩安全等方面發(fā)揮重要作用，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園藝、水文學、生態(tài)學、土木工程、廢物管理、食品加工、礦業(yè)和儲藏業(yè)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。

TDR通過測量土壤含水量變化引起的電磁波信號在TDR探頭上傳播速度的變化來測量土壤水分，當探頭長度一定時，就轉(zhuǎn)化為對信號傳播時間的測量。土壤含水量變化引起的電磁波信號傳播時間變化量很小，以通常使用的15cm長探頭為例，當探頭置于空氣中和水中時，電磁波信號在探頭上傳播一個來回的時間分別約為1ns和9ns，而當探頭插入土壤中時，電磁波信號傳播的時間介于這二者之間。也就是說土壤含水量變化引起的電磁波信號傳播時間的變化不超過8ns，為了達到一定的土壤水分測量精度，就要求TDR對時間測量的分辨率達到0.1ns(即10^-10s)，這對TDR系統(tǒng)的波形采樣電路提出了很高的要求。此外，為了達到一定的測量精度，通常要求TDR系統(tǒng)的測試信號的上升沿時間小于200ps，這就對其信號發(fā)生器也提出了很高的要求。由于必須采用復(fù)雜且價格高昂的高頻電子器件，使得現(xiàn)有的TDR儀器的價格都很貴，不利于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量推廣使用。

目前僅少數(shù)發(fā)達國家掌握了設(shè)計制造TDR土壤水分和電導(dǎo)率測試儀所需的高速采樣示波器、窄上升沿階躍信號發(fā)生器、高頻高精度時間基準等技術(shù)。而這些國家對我國采取嚴格的技術(shù)出口限制措施，使我國無法獲得必需的尖端電子部件和芯片，因此我國還不能制造傳統(tǒng)的TDR土壤水分測試儀。我國生產(chǎn)和科研單位使用的TDR儀主要從美國和加拿大等國進口，單機價格約一萬美元，成套設(shè)備價格為幾萬美元，由于我國尚無此產(chǎn)品，進口價格比生產(chǎn)國本地價格高出很多。因廠家在國外，缺乏完善的維修和配件供應(yīng)服務(wù)，出現(xiàn)故障后往往不得不返回原廠家進行維修，影響監(jiān)測的連續(xù)性。所以，研制開發(fā)擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的TDR土壤水分電導(dǎo)率測量方法，具有重要的理論意義與實用價值。

TDR技術(shù)早期主要是作為有線電纜故障檢測的工具，它通過將發(fā)射階躍波形與反射回波波形同時顯示，判斷線路故障的性質(zhì)及故障點的位置。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，電磁波沿電纜的傳播速度受電纜周圍介質(zhì)的介電特性影響。1969年Fellner-Feldegg首次將TDR技術(shù)用于測定介質(zhì)的介電特性，1975年Davis和Chudobiak將TDR技術(shù)應(yīng)用于土壤介電常數(shù)的測定。

TDR是通過測定電磁波沿插入土壤的探針傳播時間來確定土壤介電常數(shù)ε，進而根據(jù)土壤含水量θ與土壤介電常數(shù)的標定公式計算出土壤含水量。因為水的介電常數(shù)在土壤介質(zhì)中處于主導(dǎo)地位(水的介電常數(shù)約為78，空氣的介電常數(shù)為1，土壤顆粒的介電常數(shù)一般為3～5)，所以土壤介電常數(shù)的大小主要取決于土壤含水量的高低。

雖然Topp公式已被證明可廣泛適用于各種礦物質(zhì)土壤，但研究表明對某些特別的土壤進行測量時仍需要單獨標定。對于有很大表面積的介質(zhì)，由于吸附了較多的束縛水，會嚴重影響TDR的測量結(jié)果，尤其是粘粒含量超過40％的土壤、膨脹性土壤、有機質(zhì)含量超過10％的有機土壤等。另外，TDR的測量結(jié)果還在某種程度上取決于土壤的容重ρ_b，容重不同會引起土壤介電常數(shù)的顯著變化。容重很大時(ρ_b＞1.7g/cm³)TDR的測量結(jié)果偏高，而容重很小時(ρ_b＜1.0g/cm³)TDR測量結(jié)果偏低。這是因為容重較大時，土壤中的固相顆粒含量較多而空氣含量較少，由于土壤顆粒介電常數(shù)比空氣介電常數(shù)大，所以土壤的表觀介電常數(shù)相對變大。Baker?and?Lascano的研究表明：由于電磁波的影響區(qū)域主要集中在探針周圍，因此如果探針插入時使得探針與土壤之間產(chǎn)生空隙，這些空隙中充滿空氣則會使得TDR測量結(jié)果偏低；反之如果這些空隙中充滿水則使得測量結(jié)果偏高。