專利名稱：一種用于測(cè)量土壤水分的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及時(shí)域反射儀技術(shù)，特別是涉及一種基于相位檢測(cè)原理的時(shí)域反射 土壤水分測(cè)試儀，用于測(cè)量土壤水分。
背景技術(shù)：
時(shí)域反射儀技術(shù)(Time Domain Reflectometry，TDR)是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的土壤 水分快速測(cè)量技術(shù)之一。與其它方法相比，TDR具有以下優(yōu)點(diǎn)1)精度高，體積含水量測(cè)量 誤差一般在2%以內(nèi)；2)測(cè)量結(jié)果受土壤類型影響較小，一般不需要對(duì)特定的土壤進(jìn)行單 獨(dú)標(biāo)定；3)無(wú)輻射，對(duì)土壤破壞性??；4)探針的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較??；5)與數(shù) 據(jù)記錄儀配合可進(jìn)行長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)。國(guó)外應(yīng)用TDR儀還在監(jiān)測(cè)山體滑坡、垃圾填埋、江河和 水庫(kù)提壩安全等方面發(fā)揮重要作用，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園藝、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、土木工程、廢物管 理、食品加工、礦業(yè)和儲(chǔ)藏業(yè)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。TDR通過(guò)測(cè)量土壤含水量變化引起的電磁波信號(hào)在TDR探頭上傳播速度的變化來(lái) 測(cè)量土壤水分，當(dāng)探頭長(zhǎng)度一定時(shí)，就轉(zhuǎn)化為對(duì)信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)量。土壤含水量變化引起 的電磁波信號(hào)傳播時(shí)間變化量很小，以通常使用的15cm長(zhǎng)探頭為例，當(dāng)探頭置于空氣中和 水中時(shí)，電磁波信號(hào)在探頭上傳播一個(gè)來(lái)回的時(shí)間分別約為Ins和9ns，而當(dāng)探頭插入土壤 中時(shí)，電磁波信號(hào)傳播的時(shí)間介于這二者之間。也就是說(shuō)土壤含水量變化引起的電磁波信 號(hào)傳播時(shí)間的變化不超過(guò)8ns，為了達(dá)到一定的土壤水分測(cè)量精度，就要求TDR對(duì)時(shí)間測(cè)量 的分辨率達(dá)到0.1ns (即10_1(ls)，這對(duì)TDR系統(tǒng)的波形采樣電路提出了很高的要求。此外， 為了達(dá)到一定的測(cè)量精度，通常要求TDR系統(tǒng)的測(cè)試信號(hào)的上升沿時(shí)間小于200ps，這就對(duì) 其信號(hào)發(fā)生器也提出了很高的要求。由于必須采用復(fù)雜且價(jià)格高昂的高頻電子器件，使得 現(xiàn)有的TDR儀器的價(jià)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(dá)國(guó)家掌握了設(shè)計(jì)制造TDR 土壤水分和電導(dǎo)率測(cè)試儀所需的高速 采樣示波器、窄上升沿階躍信號(hào)發(fā)生器、高頻高精度時(shí)間基準(zhǔn)等技術(shù)。而這些國(guó)家對(duì)我國(guó)采 取嚴(yán)格的技術(shù)出口限制措施，使我國(guó)無(wú)法獲得必需的尖端電子部件和芯片，因此我國(guó)還不 能制造傳統(tǒng)的TDR 土壤水分測(cè)試儀。我國(guó)生產(chǎn)和科研單位使用的TDR儀主要從美國(guó)和加拿 大等國(guó)進(jìn)口，單機(jī)價(jià)格約一萬(wàn)美元，成套設(shè)備價(jià)格為幾萬(wàn)美元，由于我國(guó)尚無(wú)此產(chǎn)品，進(jìn)口 價(jià)格比生產(chǎn)國(guó)本地價(jià)格高出很多。因廠家在國(guó)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(jìn)行維修，影響監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。所以，研制開(kāi)發(fā)擁有我國(guó)自主知 識(shí)產(chǎn)權(quán)的TDR 土壤水分電導(dǎo)率測(cè)量方法，具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。TDR技術(shù)早期主要是作為有線電纜故障檢測(cè)的工具，它通過(guò)將發(fā)射階躍波形與反 射回波波形同時(shí)顯示，判斷線路故障的性質(zhì)及故障點(diǎn)的位置。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，電磁波沿 電纜的傳播速度受電纜周?chē)橘|(zhì)的介電特性影響。1969年Fellner-Feldegg首次將TDR技 術(shù)用于測(cè)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(cè)定。TDR是通過(guò)測(cè)定電磁波沿插入土壤的探針傳播時(shí)間來(lái)確定土壤介電常數(shù)￡，進(jìn)而
3根據(jù)土壤含水量e與土壤介電常數(shù)的標(biāo)定公式計(jì)算出土壤含水量。因?yàn)樗慕殡姵?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(duì)某些特別 的土壤進(jìn)行測(cè)量時(shí)仍需要單獨(dú)標(biāo)定。對(duì)于有很大表面積的介質(zhì)，由于吸附了較多的束縛水， 會(huì)嚴(yán)重影響TDR的測(cè)量結(jié)果，尤其是粘粒含量超過(guò)40%的土壤、膨脹性土壤、有機(jī)質(zhì)含量超 過(guò)10%的有機(jī)土壤等。另外，TDR的測(cè)量結(jié)果還在某種程度上取決于土壤的容重Pb，容重 不同會(huì)引起土壤介電常數(shù)的顯著變化。容重很大時(shí)(Pb> 1.7g/cm3)TDR的測(cè)量結(jié)果偏高， 而容重很小時(shí)(Pb< 1.0g/cm3)TDR測(cè)量結(jié)果偏低。這是因?yàn)槿葜剌^大時(shí)，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(duì)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?chē)?，因此如果探針插入時(shí)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(huì) 使得TDR測(cè)量結(jié)果偏低；反之如果這些空隙中充滿水則使得測(cè)量結(jié)果偏高。TDR測(cè)定土壤含水量的精確性依賴于主機(jī)對(duì)時(shí)間的識(shí)別精度、探針的質(zhì)量和類型、 所用同軸電纜的長(zhǎng)度、以及所測(cè)定土壤的各種性質(zhì)的影響，可歸結(jié)于兩個(gè)關(guān)鍵因素土壤介 電常數(shù)的測(cè)定準(zhǔn)確度以及標(biāo)定公式。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)不同的土壤，如何選擇適宜的 6 - e標(biāo)定公式，是提高TDR測(cè)定精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因?yàn)橥寥廊葜?、有機(jī)質(zhì)含量、電導(dǎo)率 以及質(zhì)地等因素都會(huì)影響TDR測(cè)定含水量的精度。從上世紀(jì)八十年代初開(kāi)始，各國(guó)科學(xué)家投入了大量精力，研究土壤含水量與土壤 介電常數(shù)的標(biāo)定公式。其中最具代表性的主要有以下幾類模型1)完全經(jīng)驗(yàn)型的Topp公 式，該公式可應(yīng)用于較大范圍的土壤，最適合一般輕質(zhì)砂土和壤土。2)半理論、半經(jīng)驗(yàn)的
型關(guān)系式，該類公式形式簡(jiǎn)單，需要的參數(shù)少，得到了較廣泛的應(yīng)用。3)理論性強(qiáng)的 三相介電混合模型，該公式考慮了土壤孔隙度的影響，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，但對(duì)質(zhì)地較細(xì)的土 壤，精度仍較差。另外，對(duì)適合一些特殊的土壤如有機(jī)質(zhì)含量高的土壤和紅壤特性，也建立 了相應(yīng)的標(biāo)定公式或改進(jìn)。國(guó)內(nèi)的有關(guān)研究工作主要集中在TDR 土壤水分測(cè)量的應(yīng)用方法研究。如TDR探 針兩種埋設(shè)方式下土壤水分的測(cè)定及其比較，土壤容重、溫度和電導(dǎo)率對(duì)TDR測(cè)定土壤水 分精度的影響，以及對(duì)某些特殊類型土壤的標(biāo)定研究。我國(guó)地域遼闊和土壤類型多樣，土壤 特性差異大，建立不同地區(qū)土壤的標(biāo)定公式，可為進(jìn)一步提高估算含水量的精度提 供方法和手段。時(shí)域反射法測(cè)量土壤水分的基本原理是1MHZ-1000MHZ的電磁脈沖在同軸傳輸 線上的傳播速度依賴于其傳播物質(zhì)的介電特性和損耗，在損耗較小時(shí)，其主要依賴介電常 數(shù)的實(shí)部。如圖1所示，TDR 土壤水分測(cè)試儀一般由階躍信號(hào)發(fā)生器1、同軸傳輸線5、土壤水 分探頭6及高頻采樣示波器4等部分組成。高頻脈沖產(chǎn)生器(pulse generator)發(fā)出高頻脈沖，并將其通過(guò)50 Q的同軸傳輸 線(50Q coaxial cable)傳輸?shù)教结?probe)，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(lái)，剩余的電磁波繼續(xù)沿探針傳輸 到探針的另一端，由于探針與土壤的阻抗不匹配又造成電磁波的再次反射。兩次反射之間的時(shí)間是電磁波沿探針傳輸時(shí)間的兩倍。兩次反射之間的時(shí)間可由高頻示波器(sampling oscilloscope)來(lái)測(cè)量顯示。傳輸時(shí)間可表示為t = 2L e °'5/ct——兩次反射之間的時(shí)間(s)；L—探頭的長(zhǎng)度(m)；e——介質(zhì)(土壤)的介電常數(shù)；c——電磁波在真空中的傳播速度(3X108m/s)；由此可得出介質(zhì)的介電常數(shù)￡ e = [ct/(2L)]2式中(ct/2)稱為探頭的“表觀”長(zhǎng)度。令1^ = (^/2則e = (La/L)2如果土壤是完全干燥的，那么￡將會(huì)是2到4 ；如果土壤體積的25%是水，那么￡ 將近11-12。時(shí)域反射法測(cè)量土壤含水量的原理得到了大家的普遍認(rèn)可，大量學(xué)者對(duì)TDR測(cè)量 土壤含水量的測(cè)量敏感區(qū)域、土質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響、TDR探頭幾何結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影 響、被測(cè)土壤中石塊、氣隙等雜物對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響、用TDR來(lái)檢測(cè)植物生長(zhǎng)需水狀況及與 其他土壤水分快速測(cè)量方法的比較等方面做了大量的研究。通過(guò)大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究證明了基于TDR方法的土壤水分測(cè)試儀能夠滿足快 速測(cè)量的實(shí)時(shí)性要求，可是對(duì)土壤這種復(fù)雜的多孔介質(zhì)對(duì)象，雖然含水量9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(zhǎng)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(shí)間差A(yù)T卻僅僅是10_9秒數(shù)量級(jí)。若要對(duì)如此短 的滯后時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，從無(wú)線電測(cè)量技術(shù)的角度來(lái)看難度極大，基于傳統(tǒng)方法TDR 土 壤水分測(cè)試儀器成本相應(yīng)很高。例如，目前由美國(guó)進(jìn)口的“TraSe”TDR 土壤水分測(cè)量系統(tǒng)， 其售價(jià)高達(dá)1萬(wàn)美金。TDR 土壤水分測(cè)試儀器的昂貴身價(jià)使得它只能裝備于我國(guó)極少數(shù)高 等院校和科研單位，無(wú)法大量應(yīng)用于農(nóng)田土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)中。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)傳統(tǒng)時(shí)域反射土壤水分測(cè)試方法(TDR)實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度大、系統(tǒng)成本高的問(wèn) 題，本實(shí)用新型的目的是提供一種新的基于相位檢測(cè)的時(shí)域發(fā)射土壤水分測(cè)量裝置，尤其 是提供一種使用單一頻率的正弦信號(hào)代替階躍信號(hào)、使用相位檢測(cè)器將入射信號(hào)和反射信 號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓信號(hào)、而不采用傳統(tǒng)TDR技術(shù)的快速階躍信號(hào)發(fā) 生器和高頻采樣示波器技術(shù)的時(shí)域發(fā)射土壤水分測(cè)量裝置。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案提供一種用于測(cè)量土壤水分的裝置，其 特征在于，包括高頻正弦電壓信號(hào)源，用來(lái)產(chǎn)生單一頻率的正弦電壓信號(hào)；信號(hào)分配器，與所述高頻正弦電壓信號(hào)源相連，將其產(chǎn)生的正弦電壓信號(hào)分為兩 路；環(huán)形器，與所述信號(hào)分配器相連，用于對(duì)接收到的不同傳播方向的信號(hào)進(jìn)行分離 并輸出；[0031]探頭，經(jīng)同軸電纜與所述環(huán)形器相連，接收來(lái)自環(huán)形器輸出的信號(hào)作為測(cè)試信 號(hào)；相位檢測(cè)器，經(jīng)延時(shí)電纜與所述信號(hào)分配器相連，接收來(lái)自信號(hào)分配器分配的入 射信號(hào)；并與所述環(huán)形器相連，通過(guò)環(huán)形器接收所述探頭末端反射回的反射信號(hào)；并將入 射信號(hào)與反射信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓信號(hào)。其中，所述探頭與同軸電纜的連接處還設(shè)有阻抗變換器件，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。其中，所述探頭的末端設(shè)為開(kāi)路。上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)TDR系統(tǒng)相比，不僅省掉了捕捉TDR波形所需 的高頻采樣示波器，而且省掉了窄上升沿階躍信號(hào)發(fā)生器和高精度時(shí)間基準(zhǔn)，取而代之的 是高頻正弦信號(hào)發(fā)生器、環(huán)形器、相位檢測(cè)器。不僅在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)，而且價(jià)格大大低于 國(guó)外產(chǎn)品，易于在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用，能夠達(dá)到傳統(tǒng)TDR 土壤水分測(cè)試儀的水平。

圖1是本實(shí)用新型背景技術(shù)中的TDR原理圖；；圖2是本實(shí)用新型用于測(cè)量土壤水分的裝置中高頻電路示意圖；圖3是本實(shí)用新型用于測(cè)量土壤水分的裝置中高頻正弦電壓信號(hào)源示意圖；圖4a是本實(shí)用新型用于測(cè)量土壤水分的裝置中環(huán)形器的信號(hào)流示意圖；圖4b是本實(shí)用新型用于測(cè)量土壤水分的裝置中環(huán)形器的幾何結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本實(shí)用新型用于測(cè)量土壤水分的裝置中相位檢測(cè)器原理示意圖。其中，1 階躍信號(hào)發(fā)生器；2 同步發(fā)生器；3 :RS-232通訊口 ；4 采樣示波器；5 同軸傳輸線；6 探頭；7 鐵氧體圓片；8 微帶導(dǎo)體；9 接地板。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下 實(shí)施例用于說(shuō)明本實(shí)用新型，但不用來(lái)限制本實(shí)用新型的范圍。本實(shí)用新型提供的用于測(cè)量土壤水分的裝置中，高頻正弦電壓信號(hào)源產(chǎn)生的單一 頻率的正弦電壓信號(hào)，被信號(hào)分配器分成兩路一路經(jīng)過(guò)延時(shí)電纜延遲一段時(shí)間后到達(dá)相 位檢測(cè)器作為參考信號(hào)；另一路通過(guò)環(huán)形器后沿同軸電纜傳播到探頭作為測(cè)試信號(hào)。在同 軸電纜與探頭的連接處有一個(gè)阻抗變換結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。由于探頭的末端開(kāi)路，測(cè)試信 號(hào)在此發(fā)生反射，反射信號(hào)與入射信號(hào)疊加在一起，它們頻率相同但傳播的方向相反。環(huán)形 器是一個(gè)三端口微波器件，它能將沿不同方向傳播的電磁波信號(hào)分離開(kāi)來(lái)并從不同的端口 輸出。所以反射信號(hào)通過(guò)環(huán)形器后將到達(dá)相位檢測(cè)器，而不是返回到信號(hào)分配器。如圖2所示，為本實(shí)用新型的P-TDR時(shí)域反射儀的高頻電路示意圖。假設(shè)任意時(shí)刻t信號(hào)源的輸信號(hào)為
<formula>formula see original document page 6</formula>其中，叫、‘ co和外分別為源信號(hào)的瞬時(shí)電壓、幅度、角頻率和初相位。沿不同路徑傳播到相位檢測(cè)器的測(cè)試信號(hào)ut和參考信號(hào)^，它們的傳播時(shí)間分別 為tt和、，其相位比源信號(hào)分別落后 tt和 tr，則在t時(shí)刻它們的瞬時(shí)電壓分別為[0050]
<formula>formula see original document page 7</formula>(2)
<formula>formula see original document page 7</formula>(3)其中，ut、At、和tt分別為測(cè)試信號(hào)的瞬時(shí)電壓、幅度和從信號(hào)源到相位檢測(cè)器的傳 播時(shí)間；^、‘和、分別為參考信號(hào)的瞬時(shí)電壓、幅度和從信號(hào)源到相位檢測(cè)器的傳播時(shí) 間。因此相位檢測(cè)器的兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差為
<formula>formula see original document page 7</formula>(4)測(cè)試信號(hào)的傳播時(shí)間tt在邏輯上可分為兩個(gè)部分在同軸電纜及儀器內(nèi)部電路板 上傳播的時(shí)間t。，和在探針上往返傳播的時(shí)間tp，如圖2所示。其中后者是我們主要關(guān)注的 時(shí)間，它與探針周?chē)寥赖暮坑嘘P(guān)；而前者則僅與儀器本身有關(guān)。式(4)可改寫(xiě)為
<formula>formula see original document page 7</formula>上式中t。、、的大小僅取決于P-TDR儀器本身的結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)，及連接儀器與探 頭的同軸電纜的長(zhǎng)度，一旦儀器的物理結(jié)構(gòu)確定下來(lái)，這個(gè)時(shí)間就是不變的常量。將探針的 三根不銹鋼棒取下來(lái)(這樣tp就等于0)，通過(guò)測(cè)量相位差并根據(jù)式9就可以確定(t。_t》 的大小，將其作為參數(shù)保存到P-TDR儀器的存儲(chǔ)器中。再將不銹鋼棒附著到探頭上并插入 土壤中，根據(jù)測(cè)得的相位差和測(cè)試信號(hào)的頻率就可以由式(7)計(jì)算出信號(hào)沿探針傳播的時(shí) 間。圖3所示為高頻正弦電壓信號(hào)源的原理框圖，其核心是鎖相環(huán)(PLL，圖中虛線框 內(nèi)部分)和壓控振蕩器(VC0)。因?yàn)镻-TDR的時(shí)間測(cè)量精度與測(cè)試信號(hào)的頻率穩(wěn)定性有較大關(guān)系，所以這里采用 了高精度高穩(wěn)定的溫補(bǔ)晶振作為頻率基準(zhǔn)。溫補(bǔ)晶振輸出頻率為fK = 20MHz的方波信號(hào)， 經(jīng)R計(jì)數(shù)器分頻后頻率變?yōu)檩斎氲借b頻鑒相器。R計(jì)數(shù)器的分頻系數(shù)由撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定為 8192，所以有<formula>formula see original document page 7</formula>壓控振蕩器產(chǎn)生頻率為fv的信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)分頻器變?yōu)閒P = fv/P，再經(jīng)N計(jì)數(shù)器分頻 后頻率變?yōu)閒2也輸入到鑒頻鑒相器。其中預(yù)分頻器的分頻系數(shù)是一個(gè)固定值P = 64，N計(jì) 數(shù)器是一個(gè)14位計(jì)數(shù)器，其高4位由撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定為0010 ( 二進(jìn)制數(shù))，低10位可由微處 理器任意設(shè)置，所以N計(jì)數(shù)器的分頻系數(shù)取值范圍為N = 2048 3071。f2與fv的關(guān)系為<formula>formula see original document page 7</formula>[0063]鑒頻鑒相器對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)的頻率和f2進(jìn)行比較，根據(jù)它們的大小關(guān)系輸出不 同的電壓脈沖，而電荷泵對(duì)電壓脈沖進(jìn)行積分得到直流電壓V。，該電壓經(jīng)過(guò)低通濾波電路 濾波后輸入到壓控振蕩器控制其輸出頻率fv的大小。當(dāng)> f2時(shí)，鑒頻器輸出正的電壓脈沖，電荷泵對(duì)正電壓脈沖積分使得其輸出電 壓V。升高，壓控振蕩器的輸出fv變大，導(dǎo)致f2也變大；當(dāng)< f2時(shí)，鑒頻器輸出負(fù)的電壓 脈沖，電荷泵對(duì)負(fù)電壓脈沖積分使得其輸出電壓V。降低，壓控振蕩器的輸出fv變小，導(dǎo)致f2 也變小。這樣的反饋過(guò)程經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整直到f\ = f2。當(dāng)= f2時(shí)，鑒頻器的輸出為零，電荷泵電壓不再變化，壓控振蕩器的輸出&不 再變化，&也就不再變化，整個(gè)閉合環(huán)路達(dá)到“鎖定”狀態(tài)。每次微處理器改變N計(jì)數(shù)器的 分頻系數(shù)后，都要經(jīng)過(guò)一個(gè)重新鎖定的過(guò)程。在“鎖定”狀態(tài)時(shí)有= f2，根據(jù)式⑶和式(9)可得<formula>formula see original document page 8</formula>[0068]即<formula>formula see original document page 8</formula>[0070]考慮到上式中各物理量的取值(或取值范圍)，則fv的變化范圍為320 480MHz， P-TDR 土壤水分和電導(dǎo)率測(cè)試儀使用的頻率約為400MHz。分頻系數(shù)N的最小變化量為1，所 以fv的最小變化步長(zhǎng)為0. 15625MHz。環(huán)形器是三端口器件，經(jīng)過(guò)它的電磁波信號(hào)可以從端口 1到端口 2、從端口 2到端 口 3以及從端口 3到端口 1導(dǎo)通，而不可能是反方向的，如圖4a所示。在P-TDR系統(tǒng)中，測(cè)試信號(hào)從環(huán)形器的端口 1輸入，從端口 2輸出，經(jīng)過(guò)同軸電纜 達(dá)到探頭，在探頭的末端被反射回來(lái)；反射信號(hào)從環(huán)形器的端口 2輸入，就只能從端口 3輸 出到達(dá)相位檢測(cè)器和檢波器；由于在環(huán)形器的端口 3進(jìn)行了阻抗匹配設(shè)計(jì)，所以這里不會(huì) 產(chǎn)生反射，也就沒(méi)有信號(hào)會(huì)從環(huán)形器的端口 3輸入。反射信號(hào)與入射信號(hào)在探頭和同軸電纜上是疊加在一起的，但通過(guò)環(huán)形器后就被 分離出來(lái)了，在這里環(huán)形器還起到了將反射信號(hào)與信號(hào)源進(jìn)行隔離的作用。環(huán)形器的幾何結(jié)構(gòu)如圖4b所示，兩個(gè)鐵氧體圓片填塞在中央金屬圓盤(pán)和兩個(gè)微 帶接地平面之間的空間中，三條微帶導(dǎo)線與中央圓盤(pán)的周緣相連，每?jī)蓷l相隔120°，構(gòu)成 環(huán)形體的三個(gè)端口，恒磁偏置場(chǎng)施加在接地平面的法線方向。相位檢測(cè)器的功能主要是將輸入的測(cè)試信號(hào)與參考信號(hào)二者之間的相位差轉(zhuǎn)換 成與之相關(guān)的直流信號(hào)，以便用AD轉(zhuǎn)換器將其數(shù)字化后供微處理器計(jì)算測(cè)試信號(hào)在探頭 上傳播的時(shí)間。這里測(cè)試信號(hào)與參考信號(hào)為同頻率的正弦電壓信號(hào)，它們的相位不一樣。P-TDR中使用的相位檢測(cè)器其工作原理可用圖5來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，其中(g)代表的是模擬 乘法器，其輸出信號(hào)是兩個(gè)輸入信號(hào)的乘積。假設(shè)輸入信號(hào)Ul、u2分別為
<formula>formula see original document page 8</formula><formula>formula see original document page 9</formula>(20)根據(jù)式(20)以及1和％的正負(fù)號(hào)就可以計(jì)算出相位差釣-朽，計(jì)算出的結(jié)果 在-180° +180°之間，再確定該相位差的整周期數(shù)，從而可測(cè)量出任意范圍的相位差。需要說(shuō)明的是，相位檢測(cè)器的輸出僅僅是直流電壓信號(hào)\和V2，根據(jù)和\計(jì)算 相位差的工作使用微處理器軟件完成的。由以上實(shí)施例可以看出，傳統(tǒng)TDR產(chǎn)生一個(gè)具有極陡上升沿(< 200ps)的階躍電其中(0為信號(hào)角頻率，UpU2和奶、朽分別是兩個(gè)信號(hào)的幅值和初相位。則它們
的的乘積為
uxu2 = UXU2 cos(cot + <px)cos{a>t + (p2)
UUjjU(14)
=^ 2 cos(釣-<p2)+ ^ 2 cos(2cot + q>x +(p2)上式中用到了三角公式 cos x cos y = [cos (x_y)+cos (x+y) ]/2。式(14)中第一項(xiàng)為直流分量，其大小與Ul、u2的幅值和相位差有關(guān)；第二項(xiàng)為二
次諧波信號(hào)。使用低通濾波器對(duì)乘法器的輸出進(jìn)行濾波后可得直流電壓義，即
(15)這里％雖然與兩個(gè)信號(hào)的相位差有關(guān)，但也與它們的幅值有關(guān)，當(dāng)相位不變而信 號(hào)幅值變化時(shí)，義也會(huì)發(fā)生改變，這就給直接從義得到相位差(灼-釣)帶來(lái)了困難。為了解 決這一問(wèn)題，可以使用移相器將信號(hào)的相位改變90°變?yōu)閡' i后再與u2 —起送入第二 個(gè)乘法器，可知
u[ = ux + (px-90°) = Wj sm(a>t + cpx)(16)
u[u2 = U]U2 + 釣)cos{cot + (p2)
-U丑Lsin(夠-q}2)+ smilcot + (px +(p2)
7 1
^fv
2 2上式中用到了三角公式sin x cos y = [sin (x_y)+sin (x+y) ]/2。同樣，式(17)中第一項(xiàng)為直流分量；第二項(xiàng)為二次諧波信號(hào)。使用低通濾波器對(duì) 第二個(gè)乘法器的輸出進(jìn)行濾波后可得直流電壓V2，即
8 11
(19)壓信號(hào)，其以電磁波的形式沿插入土壤中的探針傳播，并在探針的末端被反射回來(lái)，通過(guò)高 速采樣示波器可以獲取整個(gè)TDR波形，在TDR波形上采用雙切線方法來(lái)確定電磁波在探針 上傳播的時(shí)間。由于技術(shù)上使用了快速階躍信號(hào)發(fā)生器、超高速AD轉(zhuǎn)換器和高精度高分辨 率時(shí)間基準(zhǔn)，使其在系統(tǒng)研發(fā)上有很高的技術(shù)難度和生產(chǎn)成本，大大制約了傳統(tǒng)TDR系統(tǒng) 在我國(guó)的推廣應(yīng)用。由于技術(shù)水平的限制和成本上的考慮，目前國(guó)內(nèi)還不具備開(kāi)發(fā)具有實(shí) 用價(jià)值的傳統(tǒng)TDR 土壤水分測(cè)量系統(tǒng)的條件。本實(shí)用新型提供了一種新的基于相位檢測(cè)原 理的時(shí)域反射(P-TDR) 土壤水分測(cè)試儀，與傳統(tǒng)TDR系統(tǒng)相比，不僅省掉了捕捉TDR波形所 需的高頻采樣示波器，而且省掉了窄上升沿階躍信號(hào)發(fā)生器和高精度時(shí)間基準(zhǔn)，取而代之 的是鎖相環(huán)正弦信號(hào)發(fā)生器、環(huán)形器、相位檢測(cè)器。不僅在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)，而且價(jià)格大大 低于國(guó)外產(chǎn)品，易于在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，該儀器達(dá)到傳統(tǒng)TDR 土壤水分測(cè)試儀 的水平。 以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改 進(jìn)和替換也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求一種用于測(cè)量土壤水分的裝置，其特征在于，包括高頻正弦電壓信號(hào)源，用來(lái)產(chǎn)生單一頻率的正弦電壓信號(hào)；信號(hào)分配器，與所述高頻正弦電壓信號(hào)源相連，將其產(chǎn)生的正弦電壓信號(hào)分為兩路；環(huán)形器，與所述信號(hào)分配器相連，用于對(duì)接收到的不同傳播方向的信號(hào)進(jìn)行分離并輸出；探頭，經(jīng)同軸電纜與所述環(huán)形器相連，接收來(lái)自環(huán)形器輸出的信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)；相位檢測(cè)器，經(jīng)延時(shí)電纜與所述信號(hào)分配器相連，接收來(lái)自信號(hào)分配器分配的入射信號(hào)；并與所述環(huán)形器相連，通過(guò)環(huán)形器接收所述探頭末端反射回的反射信號(hào)；并將入射信號(hào)與反射信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量土壤水分的裝置，其特征在于，所述探頭與同軸電纜 的連接處還設(shè)有阻抗變換器件，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。
3.如權(quán)利要求1或2所述的用于測(cè)量土壤水分的裝置，其特征在于，所述探頭的末端設(shè) 為開(kāi)路。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于測(cè)量土壤水分的裝置，包括高頻正弦電壓信號(hào)源，產(chǎn)生單一頻率的正弦電壓信號(hào)；信號(hào)分配器，與高頻正弦電壓信號(hào)源相連，將正弦電壓信號(hào)分為兩路；環(huán)形器，與信號(hào)分配器相連，對(duì)接收到的不同傳播方向的信號(hào)進(jìn)行分離并輸出；探頭，經(jīng)同軸電纜與環(huán)形器相連，接收環(huán)形器輸出的信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)；相位檢測(cè)器，經(jīng)延時(shí)電纜與信號(hào)分配器相連，接收信號(hào)分配器分配的入射信號(hào)；并與環(huán)形器相連，通過(guò)環(huán)形器接收探頭末端反射的反射信號(hào)；并將入射信號(hào)與反射信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓信號(hào)。本實(shí)用新型在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)，而且價(jià)格大大低于國(guó)外產(chǎn)品，易于在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用，能夠達(dá)到傳統(tǒng)TDR土壤水分測(cè)試儀的水平。
文檔編號(hào)G01N23/00GK201583508SQ20102010299
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27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(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)