基于时域反射法土壤探头的性能研究

的不 锈 钢棒 构 成 （ 长 １０ ｍ、 棒 ５ ｍ 直径 ４ ｍｍ、 相邻 两 棒 中 心问距 ２ ｍ ， ０ ｍ） 通过 特 征 阻抗 为 ５ １ ０１的同轴 电缆 与 Ｐ
—
Ｔ Ｒ主 机连 接 。传 感 器 设计 上 ， ３根 不 锈钢 棒 上 Ｄ 将
水 率 ０ 与 介 电 常 数 之 间 的 关 系 ， 著 名 的 Ｔｐ 即 ｏｐ公
所用 到 的 Ｔ Ｒ却 是 通 过 鉴 相 器 比较 反 射 信 号 与 入 射 Ｄ 信号 的相 位 从 而确 定 其 时 间 差 。 因此 ， 为 基 于 相 位 称 检测 的时域 反射 法 Ｊ简 称 Ｐ—Ｔ Ｒ。Ｐ—Ｔ Ｒ的关 键 ， Ｄ Ｄ
技 术 之一 是 土壤 探 头 的设 计 ， 为 当 土壤 探 头插 入被 因
射 信号 与入 射 信 号 的 上 升 沿 时 间 差 来 计 算 土 壤 的 介
，
． ．
， １ 、２
电常数 ＝ｆ ｌ。 ｊ ＼ｌ， 半
其 中 ， 是 电磁 波 在 真 空 中 的传 播 速度 ， 土一 ｃ ８是
水混 合 物 的介 电 常 数 ， 是 土 壤 探 针 的长 度 。但 本 文 Ｚ
１ 基 于 Ｐ—Ｔ Ｒ 测 量 法 的 土 壤 探 头 的 结 构 Ｄ
基 于 Ｐ—Ｔ Ｒ测 量 法采 用 的探 头 是 由 ３根 平行 Ｄ
水量 ０与 土 壤 介 电常 数 的 标 定 公 式 计 算 出 土 壤 含 水
量 －１ ｏ ｐ等 学 者利 用 Ｔ Ｒ 的方 法 测 定 土一 水 混 ２。Ｔ ｐ Ｄ 合 物 的介 电 常数 ， 过 大 量 实验 验 证 和揭 示 了土 壤 含 通
０ 引言
时域 反 射 法 （ ｉ ｅ Ｄ ｍ ｉ Ｒ ｆ ｃ ｍ ｔ ， Ｄ 是 Ｔｍ ｏ ａｎ ｅ ｅｔ ｅｒ Ｔ Ｒ） ｌ ｏ ｙ
一
测 土 壤 时 ， 针 与 土 壤 共 同 构 成 测 量 系 统 的 负 载 阻 探 抗， 由于 负载 与 传 输 线 之 间 存 在 阻 抗 不 匹 配 ， 因此 会 有 反 射 。探针 的结 构 、 料 以及 尺 寸 都 会 影 响 探针 的 材
要 ： Ｔ Ｒ 时 域 反 射 法 （ ｉ ｏ ａｎＲ ｆｔ ｍ ｔ ）是 近 些 年 发 展 起 来 的 一 种 测 定 土 壤 含 水 量 的 新 技 术 ， 其 Ｄ ＴｍｅＤ ｍ ｉ ｅ ｅ ｏ ｅ ｙ ｌｒ ｒ 因
快 速 、 便 、 可 靠性 、 精 度 等优 点 受 到越 来 越 多 的 关 注 。为 此 ， 绍 了基 于相 位 检 测 的 Ｔ Ｒ 时 域 反 射 法 土 壤 简 高 高 介 Ｄ 探 头 的 测试 原 理 以及结 构 组 成 ， 从理 论 上 推 导 出该 土 壤 探针 采 用 Ｐ Ｃ绝 缘 涂 层 和增 加 探 针 首端 与 同轴 电缆 问 的 Ｖ 阻抗 变 换 能够 有 效 地增 大 测 量 值 的线 性 范 围 ， 改善 土 壤 水分 含 量 与 信 号传 播 时 间 间 的 线 性 关 系 。从 土 壤 针 绝 缘
涂 层 的对 比实 验 和 阻抗 变 换 影 响 的对 比实 验 中验 证 了 上述 结 论 。 关 键词 ：土壤 水 分测 量 ；时域 反射 法 ；土 壤 探 头 ；相 位 检 测 中 图分 类 号 ：Ｓ ２ １９ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３—１ ８ ２ １ ） ３－ １ ９— ３ ８ Ｘ（ ０ １ ０ ０ ５ ０
图 １ Ｐ—Ｔ Ｒ测量法土壤探针的结构组成图 Ｄ
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农 机 化 研 究
第 ３期
２ 三棒式土 壤探 针 的特性 阻抗对 测量 范 围的
影 响
三棒 式土 壤探 针 在 工 作 时 可 等 效 为 非 规 则 的 传
输线 ， 根据 传输 线 理论 其等 效 电路 如 图 ２所示 。
特 性 阻抗 。
种 介 电测 量 中 的高速 测 量 技 术 ， 有快 速 、 确 、 具 准 可
连续 原位 测 定 、 辐 射 、 无 自动 化 程 度 较 高 和精 确 度 较 高等 优点 。Ｔ Ｒ是 通 过 测 定 电磁 波 沿 插 入 土 壤 的探 Ｄ 针传播 时间来 确 定 土 壤 介 电 常 数 ｓ， 而 根 据 土 壤 含 进
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农 机 化 研 究
第 ３期
基 于 时 域 反 射 法 土 壤 探 头 的 性 能 研 究
石 庆 兰 ，王 一 呜 ，王克 栋 ，冯 磊
（ ． 国农 业 大 学 信 息 与 电气 工 程学 院 ，北京 １中
摘
１ ０ ８ ；２ 北 京 工商 大 学 计算 机与 信 息 工 程学 院 ，北京 １ ０ ４ ００ ３ ． ０ ０ ８）
反 射 ， 善 了土壤 含 水 量 与 测 量 时 间 差 之 间 的线 性 范 改
围。 土壤 探针 的结构 图如 图 １所示 。
传 统 的时 域 反 射 法 是 向 土 壤 探 头 发 送 一 个 上 升 沿 极 陡峭 的 阶跃信 号 ， 由于探 头 与 wk.baidu.com壤 的 阻抗 不 匹配
又造成 电磁 波 的反 射 。通 过 高 频 采 样 示 波 器 检 测 反
式 ： ＝５ ３×１ 一 ０ ． ０ ＋２ ９ ． ２×１ － 一５ ５Ｘ１ ＿ ０。 ． ０ ＿ 一
＋ ４． × １ ３ ０一 。
都 覆 盖 了 １ ｍ 厚 的 Ｐ Ｃ涂 层 ， ｍ Ｖ 以使 探 头 在 土 壤 中 的 特 征 阻抗 接近 ５ １ ， 样 能 够 减 少 信 号 在探 针首 端 的 ０２ 这
收 稿 日期 ：２ １ ０ ０—０ ５—１ ５
基金 项 目：国家“ ６ ” ８ ３ 计划项 目（ ０ ６ Ａ１ Ｚ ６ ２ ０ Ａ ０ ２ ４）
作者 简 介 ：石 庆 兰 （ ９ ５一） ， 京 人 ， 教 授 ， １６ 女 北 副 （Ｅ—ｍ ｉ） １ｓｉ ａｌ ｑ．ｈ＠
１ ３． ｏ 。 ６ ｃｎ