專利名稱：用于基于相位檢測的tdr土壤水分測量儀的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可以安裝于時域反射(TDR) 土壤水 分測量儀，尤其是基于相位檢測原理的時域反射土壤水分測量儀(P-TDR)的主體上的傳感
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背景技術(shù)：
1975年，Davis和Chudobiak將時域反射技術(shù)(TDR)應(yīng)用于土壤介電常數(shù)的測定。 1980年，Topp等人在利用TDR測量土壤的介電常數(shù)時，證明介電常數(shù)與土壤含水量有很好 的相關(guān)性，并建立了土壤含水量與表觀介電常數(shù)的經(jīng)驗公式。與其它方法相比，TDR在土壤 水分測量上有很多優(yōu)點，如無破壞性、快速、準確度高、測量結(jié)果受土壤類型的影響較小、且 能同時測量土壤含水量和土壤電導(dǎo)率。目前商用的TDR儀器較多，它們中的大多數(shù)都能用 于測量土壤含水量，但造價高昂且體積較大。此外，國外的時域反射儀技術(shù)(TDR)使用快速 階躍信號發(fā)生器、超高速AD轉(zhuǎn)換器和高精度高分辨率時間基準，其所需的IC芯片在國內(nèi)難 以獲得，在技術(shù)實現(xiàn)上有很高的難度。TDR土壤水分測試儀的測量范圍、精度和空間分辨率還與探針的結(jié)構(gòu)有關(guān)。TDR土 壤水分測量的根本依據(jù)是電磁波沿探針傳播的速度與探針周圍土壤的介電常數(shù)的平方根 成反比，因此可以根據(jù)電磁波傳播的速度來測量土壤的介電常數(shù)。Topp依此方法測得了土 壤中氣-固-液混合物的介電常數(shù)￡，進而利用數(shù)值回歸分析方法找出了不同類型土壤的 含水量與介電常數(shù)之間的經(jīng)驗公式0 = -5. 3 X l(T2+2. 92 X 1(T2 ￡ _5. 5 X 1(T4 e 2+4. 3 X 1(T6 e 3其中0為土壤體積含水量，￡為土壤表觀介電常數(shù)。TDR 土壤水分測試儀一般由階躍信號發(fā)生器、同軸傳輸線、土壤水分探頭(傳感 器)及高頻采樣示波器組成等部分組成，如圖1所示。發(fā)生器產(chǎn)生具有極小上升時間的階 躍電壓信號，通過同軸電纜將其傳輸?shù)酵寥浪痔结?，由于同軸傳輸線與探針阻抗不匹配， 有一部分電磁波在探針與傳輸線連結(jié)處沿同軸傳輸線反射回來，剩余的電磁波繼續(xù)沿探針 傳輸?shù)教结樀牧硪欢?，由于探針與土壤的阻抗不匹配又造成電磁波的再次反射。這兩次反 射產(chǎn)生的反射信號與入射信號疊加在一起形成TDR波形，被高頻采樣示波器檢測到并記錄 下來。兩個反射信號分別被示波器檢測到的時間差等于電磁波信號沿探針傳播一個來回的 時間。對于農(nóng)業(yè)土壤來說，￡的值，也就是“表現(xiàn)”介電常數(shù)的值將主要取決于土壤的體積 含水量而與土壤類型幾乎沒有關(guān)系?！曛岛退捏w積百分含量之間的關(guān)系已經(jīng)通過測試單 元(高頻示波器)中精確測量得到的￡值建立起來，這些測試單元中水分所占有的體積事 先都已精確測量好。這種關(guān)系被用來將￡的現(xiàn)場測量值轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥赖捏w積含水量。盡管現(xiàn)有的基于TDR的土壤水分測試儀能夠滿足快速測量的實時性要求，可是對 于土壤這種復(fù)雜的多孔介質(zhì)對象，雖然含水量e的變化能夠顯著地導(dǎo)致介電常數(shù)￡的變 化，但在傳感器探針幾何長度受到限制的條件下，由氣-固-液混合物介電常數(shù)￡引起的 入射-反射時間差A(yù)T卻僅僅是10_9秒數(shù)量級。若要對如此短的滯后時間進行準確測量，從無線電測量技術(shù)的角度來看難度極大(目前世界上掌握超高速延遲線測量技術(shù)的只有美、 加、德等極少數(shù)國家)，從而導(dǎo)致基于傳統(tǒng)方法的TDR 土壤水分測試儀器成本相應(yīng)很高。例 如，目前由美國進口的“TraSe”TDR 土壤水分測量系統(tǒng)，其售價高達1萬美金。TDR 土壤水 分測試儀器的昂貴身價使得它只能裝備于我國極少數(shù)高等院校和科研單位，無法大量應(yīng)用 于農(nóng)田土壤墑情實時監(jiān)測與節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)中。

實用新型內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問題本實用新型要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有TDR 土壤水分測量技術(shù)中上述入射_反 射時間差難于精確測量而導(dǎo)致的測量設(shè)備成本昂貴的缺陷，在提高測量精度的同時降低測 量儀器的總成本。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案提供了一種用于基于相位檢測原理 的TDR 土壤水分測量儀的傳感器，其特征在于，包括殼體，其內(nèi)弓丨出用于連接所述基于相 位檢測原理的TDR 土壤水分測量儀的主體部分的同軸電纜；三根平行設(shè)置于所述殼體下端 的、表面覆蓋有PVC絕緣層的金屬探頭，每一所述金屬探頭的首端嵌入所述殼體內(nèi)以與所 述同軸電纜相連接；其中，所述金屬探頭與所述同軸電纜的特征阻抗值相匹配。其中，所述同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體與設(shè)置于中間的所述金屬探頭的首端相連接，且所 述同軸電纜的外導(dǎo)體與設(shè)置于兩側(cè)的兩根的首端分別相連接。優(yōu)選地，所述同軸電纜的特征阻抗值為50Q時，所述PVC絕緣層的厚度為1mm。優(yōu)選地，相鄰的所述金屬探頭的間距為20mm。(三)有益效果根據(jù)本實用新型的用于P-TDR 土壤水分測量儀的傳感器，通過阻抗變換及特征阻 抗為50 Q的同軸電纜與P-TDR主機連接；每一金屬探頭都覆蓋有1mm厚的PVC涂層，以使 探頭在土壤中的特征阻抗接近50 Q，從而減少信號在探針首端的反射，進而提高了測量精度。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的TDR 土壤水分測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是可與本實用新型配合使用的基于相位檢測原理的TDR 土壤水分測量儀 (P-TDR)的結(jié)構(gòu)圖；圖3是根據(jù)本實用新型的用于基于相位檢測原理的TDR土壤水分測量儀的傳感器 的外觀示意圖；圖4是根據(jù)本實用新型的用于基于相位檢測原理的TDR土壤水分測量儀的傳感器 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是根據(jù)本實用新型的用于基于相位檢測原理的TDR土壤水分測量儀的傳感器 的一個優(yōu)選實施例的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；具體實施方式
本實用新型提出的用于基于相位檢測原理的TDR 土壤水分測量儀的傳感器，結(jié)合 附圖和實施例說明如下。為了使本實用新型的原理更加清楚，首先有必要結(jié)合附圖對與其配合使用的基于 相位檢測原理的TDR 土壤水分測量儀(P-TDR)進行簡單介紹。如圖2中所示，基于相位檢測原理的TDR 土壤水分測量儀(P-TDR)包括信號源， 用于產(chǎn)生高頻正弦波電壓信號，其輸出信號的頻率在320MHz 480MHz之間可調(diào)；信號分 配器，用于將信號源輸出的信號分別傳送給環(huán)形器和延時電纜；延時電纜，用于使信號源的 信號的傳輸產(chǎn)生時間延遲，延遲時間應(yīng)正好等于信號源信號在環(huán)行器及傳感器上的傳輸時 間；環(huán)行器，其與本實用新型的傳感器相連接，用于將傳感器探針末端反射回來的信號與入 射信號分離，并將其中的反射信號傳送給相位檢測器；相位檢測器，將反射信號與來自延時 電纜的參考信號之間的相位差轉(zhuǎn)換為與之成比例的直流電壓信號；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于將 由相位檢測器輸出的直流電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并送入微處理器；微處理器，用于根據(jù) 需要調(diào)整信號源輸出信號的頻率，以及根據(jù)來自模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字信號所反映的相位差 計算出電磁波在探針上往返傳播的時間，由此根據(jù)預(yù)置的表征傳播時間與土壤含水量之間 關(guān)系的標定公式計算出土壤體積含水量。如圖3所示為根據(jù)本實用新型的基于相位檢測原理的TDR土壤水分測量傳感器的 外觀示意圖。由圖中可以看出，傳感器包括殼體以及平行設(shè)置于殼體下端的三根金屬探 頭，其中，殼體一側(cè)引出用于連接土壤水分測量儀的同軸電纜。如圖4所示為根據(jù)本實用新型的用于基于相位檢測原理的TDR土壤水分測量儀的 傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。如圖中所示，金屬探頭殼體1通過同軸電纜2與測量儀的主體 部分(圖2中所示電路部分)相連接。三根金屬探頭3平行設(shè)置于殼體下端且每一探頭都 部分嵌入殼體內(nèi)以分別與同軸電纜相連接；其中，同軸電纜2的內(nèi)導(dǎo)體5與位于中間的金屬 探頭的首端7相連接，且其外導(dǎo)體4與位于兩側(cè)的兩根金屬探頭的首端7分別相連接；優(yōu)選 地，使用緊固螺釘10實現(xiàn)上述連接關(guān)系；其中，每一金屬探頭的表面覆蓋有PVC涂層9。具體實施過程中，如果金屬探頭與同軸電纜的阻抗不匹配，測試信號在探頭首端 產(chǎn)生反射時，該反射信號與探頭末端的反射信號是同頻率且同方向傳播的，這時即使采用 環(huán)形器也不能將這兩種反射信號分離開。這不僅會影響傳輸至探頭上的測試信號的能量， 而且會改變反射信號的相位和幅值，導(dǎo)致測量得到的信號傳播時間與實際值存在偏差。因 此需要對金屬探頭的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進行設(shè)定。優(yōu)選地，使用特征阻抗值為50 Q的同軸電纜，此時，金屬探頭上的PVC涂層厚度 6為1mm，使得探頭在土壤中的特征阻抗接近50 Q，從而減少信號在探針首端的反射，進而 提高測量精度。優(yōu)選地，金屬探頭的首端，即其與同軸電纜的連接位置處可以設(shè)置阻抗變換 器，以與PVC涂層配合實現(xiàn)探頭的阻抗變換。優(yōu)選地，平行的三根金屬探頭為不銹鋼材質(zhì)，每一金屬探頭的長度L為150mm，直 徑d為4mm，且每兩個相鄰的金屬探頭的間距D/2為20mm。如圖5所示為根據(jù)本實用新型的傳感器的一個具體實施例的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖中， 3_金屬探頭，長152mm，直徑6mm，其中含1mm厚的PVC涂敷層；10-緊固螺釘組，規(guī)格為 M4X8 ；11-0形圈，內(nèi)徑6mm、線徑1. 9mm，用于密封；12-銅柱；13-銅環(huán)；14-壓緊片；15-0形圈，內(nèi)徑5. 5mm、線徑3. 1mm ； 16-頂絲，規(guī)格為M4X6 ； 17-壓緊螺釘，半圓頭，規(guī)格為M3X6 ； 18-下殼體，直徑64mm ； 19-穿電線護套，同軸電纜由其內(nèi)引出；20-上殼體，直徑64mm ；殼體 總長度104mm ；傳感器整體長度256mm。綜上所述，涂敷有PVC絕緣涂層的不銹鋼三棒式探頭、且相鄰金屬棒之間的間隔 為20mm為本實用新型的傳感器的優(yōu)選設(shè)置；當使用特征阻抗為50Q的同軸電纜時，PVC涂 層的厚度為1mm。以上實施方式僅用于說明本實用新型，而并非對本實用新型的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和 變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本實用新型的范疇，本實用新型的專利保護范圍應(yīng) 由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求一種用于基于相位檢測的TDR土壤水分測量儀的傳感器，其特征在于，包括殼體，其內(nèi)引出用于連接所述基于相位檢測原理的TDR土壤水分測量儀的主體部分的同軸電纜；三根平行設(shè)置于所述殼體下端的、表面覆蓋有PVC絕緣層的金屬探頭，每一所述金屬探頭的首端嵌入所述殼體內(nèi)以與所述同軸電纜相連接；其中，所述金屬探頭與所述同軸電纜的特征阻抗值相匹配。
2.如權(quán)利要求1所述的用于基于相位檢測的TDR土壤水分測量儀的傳感器，其特征在 于，所述同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體與設(shè)置于中間的所述金屬探頭的首端相連接，且所述同軸電纜 的外導(dǎo)體與設(shè)置于兩側(cè)的兩根的首端分別相連接。
3.如權(quán)利要求1所述的用于基于相位檢測的TDR土壤水分測量儀的傳感器，其特征在 于，所述同軸電纜的特征阻抗值為50Ω時，所述PVC絕緣層的厚度為1mm。
4.如權(quán)利要求1-3中任意一項所述的用于基于相位檢測的TDR土壤水分測量儀的傳感 器，其特征在于，每一金屬探頭的長度為150mm，直徑為4mm，且每兩個相鄰的金屬探頭的間 距為20mm。
專利摘要本實用新型提供了一種用于基于相位檢測原理的TDR土壤水分測量儀的傳感器，其特征在于，包括殼體，其內(nèi)引出用于連接所述基于相位檢測原理的TDR土壤水分測量儀的主體部分的同軸電纜；三根平行設(shè)置于所述殼體下端的、表面覆蓋有PVC絕緣層的金屬探頭，每一所述金屬探頭的首端嵌入所述殼體內(nèi)以與所述同軸電纜相連接；其中，所述金屬探頭與所述同軸電纜的特征阻抗值相匹配。根據(jù)本實用新型的用于P-TDR土壤水分測量儀的傳感器，通過阻抗變換及特征阻抗為50Ω的同軸電纜與P-TDR主機連接；每一金屬探頭都覆蓋有1mm厚的PVC涂層，以使探頭在土壤中的特征阻抗與同軸電纜相匹配，從而減少信號在探針首端的反射，進而提高了測量精度。
文檔編號G01N22/04GK201697884SQ20102014835
公開日2011年1月5日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者馮磊, 張方賢, 李子忠, 楊衛(wèi)中, 王一鳴, 王克棟, 石慶蘭, 董喬雪, 龔元石 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學