导管式环状结构传感器及测量土壤水分的方法技术

一种导管式环状结构传感器及测量方法，属于土壤测量领域。它的导管外壁贴附三针式环状针体，导管内放置阻抗转换器，阻抗转换器内安装中心环状针体的直针体，直针体与同轴电缆一侧连接，三针环状针体均为非封闭环形，中心环状针体的一个非封闭端与直针体连接，侧环状针体位于中心环状针体的两侧，三个非封闭环状针体相互平行，侧环状针体的一个非封闭端设有直角折弯，阻抗转换器插入导管侧壁通孔内，并与贴附于导管外壁的侧环状针体的直角折弯端连接固定。使用本发明专利技术测量土壤水分，具有现场安装简便、对原状土层扰动较小，以及可同时对多个不同深度土层同时进行测量，并且能够满足对较深土层进行多层监测的要求。较深土层进行多层监测的要求。较深土层进行多层监测的要求。

【技术实现步骤摘要】
导管式环状结构传感器及测量土壤水分的方法


[0001]本专利技术属于一种土壤测量领域，特别涉及一种导管式环状结构传感器及测量土壤水分的方法。

技术介绍

[0002]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。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。
[0003]Fellener-Feldegg[1969]研究了电磁波在介质中传输的下列公式：
[0004][0005]式中v为电磁波在该介质中的传播速度，c为光速，k
′
和k
″
分别为介质的相对介电常数的实部和虚部，而tanδ＝{k
″
+(σ
DC
/ωε0)}/k
′
为损耗因子。 G.C.TOPP[1980]指出，土壤基本属于同向线性均匀媒质，其满是k
″
＜＜k
′
，且当电磁波的频率足够高时，有σ
DC
/ωε0k
′
＜＜1。
[0006]因而此时：
[0007]k
′
≈(c/v)2ꢀꢀꢀ
(2)
[0008]G.C.TOPP定义K
a
＝(c/v)2为表征介电常数，可见当足够高频率的电磁波在土壤中传播时满足：
[0009]k
′
≈K
a
＝(c/v)2ꢀꢀꢀ
(3)
[0010]由于在常温下，土壤是一个由空气(气态)、土体颗粒(固态)以及液体水构成的三相物质，空气和土体颗粒的相对介电常数的实部分别为1和3∽4，而液体水则依据温度不同高达75∽85，因此土壤介电常数的实部大小主要由其含水量所决定。多年来不同领域的学者根据不同应用的需求，给出了不同的土壤表征介电常数和土壤体积含水率的经验拟合公式，以上工作奠定了应用时域反射法原理测量土壤含水率的理论基础。
[0011]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。
[0012]图1是一个典型的TDR土壤水分测量系统，由TDR仪器产生的高频电磁波信号通过同轴电缆输入至插入土壤中的传感器(探针)，由于阻抗的改变产生第一反射点，电磁波信号沿传感器(探针)继续前行，到达长度为L的探针末端产生第二次反射，反射波信号沿传感
器传送回TDR仪器，如果假设电磁波沿传感器传输及反射的时间为Δt，则有：
[0013]代入(3)式，则有：
[0014][0015]由此可见，时域反射技术(TDR)测量土壤水分的关键在于对电磁波沿探针传输时间的精确测量。
[0016]目前应用于土壤检测领域的TDR传感器多为插针式结构，实质上是对同轴电缆的模拟，中心针体与同轴电缆内导铜芯相连，外部与同轴电缆的外导屏蔽层连接，如图2所示。
[0017]从结构上，TDR传感器又分为同轴式和多针式，其水平截面如图3：
[0018]由于同轴式传感器阻断了筒外与筒内土壤的水分交换，同时，为了避免在土壤中插拔引起对原状土的扰动，因此多采用模拟同轴电缆结构的多针式传感器 (探针)，实际应用中更多以三针式结构为主。
[0019]虽然插针式探针可以很好的实现了TDR土壤水分的测量问题，但在实际应用中更多的是要求对于地表下不同深度土层的体积含水率的测量；例如：墒情测量要求为测定地表下10cm、20cm及40cm三层的含水率，而水土保持中的监测则要求为地表下20cm、40cm、60cm、80cm及100cm五层的含水率，甚至气象监测要求测量地表下最深至100cm的八层墒情含水率。在实际测量中，插针式探针的埋设需要挖掘一个较大体量的作业坑，而后在纵向断面上根据实际测量的深度，平行于地表插入探针，其存在如下缺陷：
[0020]1)、挖取作业坑的劳动强度高；
[0021]2)、对现场土体的扰动破坏较大；
[0022]3)、对于固定监测项目，在农田长期埋设，会影响耕作且容易受到耕作机械的破坏；
[0023]4)、在插入探针时，遇到隐蔽的障碍物(如植物根茎、石块等)，会造成探针针体的分叉或损坏，直接影响测量的准确性。
[0024]一种采用导管式结构的土壤水分测量传感器较好的克服了以上缺陷，它是在导管上按照所需测定的不同深度布置电极，插入土壤后可以同时对不同层次土层含水率进行监测。但目前这种导管式传感器仅适用于频域(FDR)原理方法，通过对所测土壤电容值的变化测量土壤水分的仪器，而这类仪器对于土壤电导率的变化极为敏感。因此，多需要根据埋设地点定点定时进行公式率定，导致实际测量效果较差；而时域反射法是通过测量电磁波沿探针传播的时间来进行测量土壤水分，由于其本身为TDR技术原理，对于传感器(探针)的设计要求较高。
[0025]综上所述，适合于时域反射原理的导管式传感器(探针)研发具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0026]本专利技术的目的在于克服上述的缺陷，提供一种导管式环状结构土壤水分测量传感器及测量土壤水分的方法，它采用一种环状结构的插管式探针，具有现场安装简便、对原状土层扰动较小，以及可同时对多个不同深度土层同时进行墒情测量，并且能够满足对较深
土层进行多层墒情监测的要求。
[0027]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种导管式环状结构传感器，其特征在于：它包括导管和一组以上的探针；
[0028]所述探针由阻抗转换器、直针体、环状针体和同轴电缆组成；
[0029]所述阻抗转换器为管状，置于导管内，阻抗转换器内沿其轴向安装直针体，同轴电缆一端与直针体连接；
[0030]所述环状针体包括中心环状针体和位于中心环状针体两侧的与中心环状针体平行设置的侧环状针体，均为非封闭环形，贴附于导管外壁，中心环状针体的一个非封闭端与直针体连接；每个侧环状针体的非封闭端设有一个直角折弯，该直角折弯与环状针体的环状平面垂直；
[0031]所述导管侧壁设有通孔，阻抗转换器插入该通孔内，并与贴附于导管外壁的侧针体的直角折弯端连接固定。
[0032]所述阻抗转换器为T型套管，由管状构件和T型管帽组成，T型管帽的管帽端与管状构件插接固定，管状构件内插装套管，该套管内插装直针体。
[0033]所述直针体的前端设有插孔，同轴电缆一端插入该插孔内与直针体连接。
[0034]所述阻抗转换器的管壁末端设有缺口，中心环状针体的一个非封闭端本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种导管式环状结构传感器，其特征在于：它包括导管和一组以上的探针；所述探针由阻抗转换器、直针体、环状针体和同轴电缆组成；所述阻抗转换器为管状，置于导管内，阻抗转换器内沿其轴向安装直针体，同轴电缆一端与直针体连接；所述环状针体包括中心环状针体和位于中心环状针体两侧的与中心环状针体平行设置的侧环状针体，均为非封闭环形，贴附于导管外壁，中心环状针体的一个非封闭端与直针体连接；每个侧环状针体的非封闭端设有一个直角折弯，该直角折弯与环状针体的环状平面垂直；所述导管侧壁设有通孔，阻抗转换器插入该通孔内，并与贴附于导管外壁的侧针体的直角折弯端连接固定。2.根据权利要求1所述导管式环状结构传感器，其特征在于：所述阻抗转换器为T型套管，由管状构件和T型管帽组成，T型管帽的管帽端与管状构件插接固定，管状构件内插装套管，该套管内插装直针体。3.根据权利要求1所述导管式环状结构传感器，其特征在于：所述直针体的前端设有插孔，同轴电缆一端插入该插孔内与直针体连接。4.根据权利要求1所述导管式环状结构传...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆明，吴喜军，杨世欣，蒋泽民，刘惠斌，王晨光，卢玉，李顺岭，李飞，
申请(专利权)人：天津特利普尔科技有限公司，
类型：发明
国别省市：