专利名称：用于基于相位检测原理的tdr土壤水分测量仪的传感器的制作方法
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一固一液混合物的介电常数e ，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 9 = -5. 3 x 10—2+2. 92 X 10—2 e -5. 5 X 10—4 e 2+4. 3 X 10—6 e 3
其中e为土壤体积含水量，e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l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，e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。e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e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e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9的变化能够显著地导致介电常数e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e引起的入射_反射时间差A T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
3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
( — )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。 优选地，所述同轴电缆的特征阻抗值为50Q时，所述PVC绝缘层的厚度为lmm。优选地，每一金属探头的长度为150mm，直径为4mm，且每两个相邻的金属探头的
间距为20mm相邻的所述金属探头的间距为20mm。(三)有益效果 根据本发明的用于P-TDR土壤水分测量仪的传感器，通过阻抗变换器及同轴电缆与P-TDR主机连接；每一金属探头都覆盖有PVC涂层，以使探头在土壤中的特征阻抗与同轴电缆相匹配，从而减少信号在探针首端的反射，进而提高了测量精度。


图1是现有技术的TDR 土壤水分测试系统的结构示意图； 图2是可与本发明配合使用的基于相位检测原理的TDR 土壤水分测量仪(P-TDR)的结构图； 图3是根据本发明的用于基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪的传感器的外观示意图； 图4是根据本发明的用于基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪的传感器的内部结构示意图； 图5是根据本发明的用于基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪的传感器的一个优选实施例的内部结构图； 图6(a)-(c)分别示出了使用中心间距20mm、17mm和14mm的带PVC涂层的三种探头进行实验得到的土壤体积含水量与信号传播时间的关系； 图7(a)-(b)分别示出了未使用阻抗变换结构和使用了阻抗变换结构的两种间距均为20mm且均涂覆有PVC层的探头分别进行实验得到的土壤体积含水量与信号传播时间的关系。
具体实施例方式
本发明提出的用于基于相位检测原理的TDR 土壤水分测量仪的传感器，结合附图和实施例说明如下。 为了使本发明的原理更加清楚，首先有必要结合附图对与其配合使用的基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪(P-TDR)进行简单介绍。 如图2中所示，基于相位检测原理的TDR 土壤水分测量仪(P_TDR)包括信号源，用于产生高频正弦波电压信号，其输出信号的频率在320MHz 480MHz之间可调；信号分配器，用于将信号源输出的信号分别传送给环形器和延时电缆；延时电缆，用于使信号源的信号的传输产生时间延迟，延迟时间应正好等于信号源信号在环行器及传感器上的传输时间；环行器，其与本发明的传感器相连接，用于将传感器探针末端反射回来的信号与入射信号分离，并将其中的反射信号传送给相位检测器；相位检测器，将反射信号与来自延时电缆的参考信号之间的相位差转换为与之成比例的直流电压信号；模数转换电路，用于将由相位检测器输出的直流电压信号转化为数字信号并送入微处理器；微处理器，用于根据需要调整信号源输出信号的频率，以及根据来自模数转换电路的数字信号所反映的相位差计算出电磁波在探针上往返传播的时间，由此根据预置的表征传播时间与土壤含水量之间关系的标定公式计算出土壤体积含水量。 如图3所示为根据本发明的基于相位检测原理的TDR土壤水分测量传感器的外观示意图。由图中可以看出，传感器包括壳体以及平行设置于壳体下端的三根金属探头，其中，壳体一侧引出用于连接土壤水分测量仪的同轴电缆。 如图4所示为根据本发明的用于基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪的传感器的内部结构示意图。如图中所示，金属探头壳体1通过同轴电缆2与测量仪的主体部分(图2中所示电路部分)相连接。三根金属探头3平行设置于壳体下端且每一探头都部分嵌入壳体内以分别与同轴电缆相连接；其中，同轴电缆2的内导体5与位于中间的金属探头的首端7相连接，且其外导体4与位于两侧的两根金属探头的首端7分别相连接；优选地，使用紧固螺钉10实现上述连接关系；其中，每一金属探头的表面覆盖有PVC涂层9。
具体实施过程中，如果金属探头与同轴电缆的阻抗不匹配，测试信号在探头首端产生反射时，该反射信号与探头末端的反射信号是同频率且同方向传播的，这时即使采用环形器也不能将这两种反射信号分离开。这不仅会影响传输至探头上的测试信号的能量，而且会改变反射信号的相位和幅值，导致测量得到的信号传播时间与实际值存在偏差。因此需要对金属探头的结构及参数进行设定。 优选地，使用特征阻抗值为50 Q的同轴电缆，此时，金属探头上的PVC涂层厚度S为lmm，使得探头在土壤中的特征阻抗接近50Q，从而减少信号在探针首端的反射，进而提高测量精度。优选地，金属探头的首端，即其与同轴电缆的连接位置处可以设置阻抗变换器，以与PVC涂层配合实现探头的阻抗变换。 优选地，平行的三根金属探头为不锈钢材质，每一金属探头的长度L为150mm，直径d为4mm，且每两个相邻的金属探头的间距D/2为20mm。
如图5所示为根据本发明的传感器的一个具体实施例的内部结构图。图中，3-金属探头，长152mm，直径6mm，其中含lmm厚的PVC涂敷层；10-紧固螺钉组，规格为M4X8 ;11-0形圈，内径6mm、线径1.9mm，用于密封；12-铜柱；13-铜环；14-压紧片；15-0形圈，内径5. 5mm、线径3. lmm ; 16-顶丝，规格为M4X 6 ; 17-压紧螺钉，半圆头，规格为M3 X 6 ;18-下壳体，直径64mm;19-穿电线护套，同轴电缆由其内引出；20-上壳体，直径64mm ;壳体总长度104mm ;传感器整体长度256mm。 需要说明的是，本发明的传感器中对金属探头的结构和尺寸的相关设定均为针对基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪工作原理的优选设定。下面将对其进行详细解释说明。 采用实验方法，使用TDR100对3种规格的平行双棒式探头和3种规格的平行三棒式探头的阻抗特性进行测试。TDR100是一种传统的TDR仪，它能与计算机通讯并将TDR波形上传到计算机进行显示。 对于实验中使用的每一种规格的探头，都分别将其置于空气中和水中对其反射特性进行测试。根据波形图，双棒式探头在其同轴电缆与探头的连接处，信号发生了很多次反射；探头处于水中时，双棒式探头在连接点处也发生了多次反射，而三棒式探头的反射波形相对来说比较平坦和圆滑，因此本发明的用于基于相位检测原理的TDR土壤水分测量仪的传感器使用了三棒式探头。 此外，从波形图分析，涂覆有PVC绝缘层的探头较未涂覆的探头具有如下优点
1)涂覆有绝缘涂层的探头在水中的反射系数明显变大，这表示探针特征阻抗变大，即等效介电常数变大了 ；由于两类探头在空气中的反射系数都接近l，所以在图上的变化不明显； 2)即使带绝缘涂层的探头的长度比不带绝缘涂层的探头长度大，水中的测试结果显示前者探头上的反射波形宽度比后者短，也就是说电磁波在前者上传播的时间要短，这也表明等效介电常数变小了。 3)带绝缘涂层的探头在水中的反射波形上尾部的两个台阶消失了，这表示绝缘涂层导致水的等效阻抗变大了 (接近无穷大)，信号在探针末端被完全反射回来(反射系数接近l)。 以上三点说明，对于与P-TDR系统配合使用的传感器探头来说，带PVC绝缘涂层的平行三棒式探头是最合适的。 接下来，选择三种结构完全一样，但相邻两金属探头中心间距分别为20mm、17mm和14mm的三种带PVC绝缘涂层的探头进行土壤含水量测量比较实验。采用壤土作为实验对象，用拌土法制作了 15种实验土样，每种土样的体积含水量使用烘干法测定。将三种探头依次插入每种土样中，使用P-TDR土壤参数测试仪测量信号在探针上传播的时间。图6(a)-(c)所示分别为使用中心间距20mm、17mm和14mm的这三种探头进行实验得到的土壤体积含水量与信号传播时间的关系。 由图6(a)-(c)中可以看到，使用间距为14mm和17mm的探头测得的土壤体积含水量与信号传播时间的关系，在体积含水量约为0. 3mVm3时表现出非单调性，而使用间距20mm的探针测量的结果则没有这样的现象，因此下面的实验均采用间距为20mm的探针。
相邻金属探头间距为20mm的涂覆有PVC绝缘涂层的探头，对其探针与同轴电缆的连接处的结构进行了改进，增加了一个阻抗变换结构。使用改进前和改进后的探头进行土壤含水量测量比较实验，图7(a)和图7(b)分别为未使用阻抗变换结构和使用了阻抗变换结构的两种间距均为20mm且涂覆有PVC层的探头分别进行实验得到的土壤体积含水量与信号传播时间的关系。 从图7(a)_7(b)中可以看出到，未使用阻抗变换结构的探头测得的信号传播时
间，与体积含水量的关系整个测量范围内并不一致，而使用了有阻抗变换结构的探头在整个测量范围内测得的信号传播时间与体积含水量的关系更接近线性。 综上所述，涂敷有PVC绝缘涂层的不锈钢三棒式探头、且相邻金属棒之间的间隔为20mm为本发明的传感器的优选设置；当使用特征阻抗为50Q的同轴电缆时，PVC涂层的厚度为lmm。 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
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。
2. 如权利要求1所述的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，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。
3. 如权利要求1所述的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，所述同轴电缆的特征阻抗值为50Q时，所述PVC绝缘层的厚度为lmm。
4. 如权利要求1-3中任意一项所述的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，每一金属探头的长度为150mm，直径为4mm，且每两个相邻的金属探头的间距为20mm。
全文摘要
本发明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。根据本发明的用于P-TDR土壤水分测量仪的传感器，通过阻抗变换器及同轴电缆与P-TDR主机连接；每一金属探头都覆盖有PVC涂层，以使探头在土壤中的特征阻抗与同轴电缆相匹配，从而减少信号在探针首端的反射，进而提高了测量精度。
文档编号G01N22/04GK101782535SQ20101013861
公开日2010年7月21日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者冯磊, 张方贤, 李信洪, 李子忠, 杨卫中, 王一鸣, 王克栋, 董乔雪, 龚元石 申请人:中国农业大学