TDR在农业上的应用

TDR

摘要:由于农业科技的发展，在很多方面都实现的自动化控制农业生产，而土壤含水量也成为农业生产中用于土壤的一大要素，采用时域反射技术可以快速的测出土壤的容积含水量，为农业生产上做出很大的贡献。

引言：土壤水分是作物生长的要素之一, 对于作物的生理活动起着至关重要的作用[1]。在水文科学、气象科学和生态科学中, 土壤水分的测量也具有相当重要的作用。因此, 快速、准确地测定土壤含水量具有十分重要的意义，。随着科学技术的发展, 测量土壤含水量的先进仪器越来越多, 它们在工作原理、使用方法和测定结果方面均存在着差异。烘干法测量土壤含水量的误差很小, 是唯一可以直接测量土壤水分的方法, 也是目前国际上的标准方法[2]。但此法存在着取土、烘干历时长, 时效性差, 设备利用率低等状况。而TDR (Time Demain Refletrometry, 时域反射法) 具有快速高效、容易操作、数据自动采集及保持样本原始性等优点, 为人们提供了一种省时、精确的测定方法。

一、 时域反射计TDR原理

图1 时域反射计TDR工作原理

图一

TDR包括三部分组成：

1）快沿信 发生器：

典型的发射信 的特征是：幅度200mv，上升时间35ps，频率250KHz方波。 2）采样示波器：

通用的采样示波器.

3）探头系统：

连接被测件和TDR仪器。

测试信 的运行特征参考图2所示。由阶跃源发出的快边沿信 注入到被测传输线上，如果传输线阻抗连续，这个快沿阶跃信 就沿着传输线向前传播。当传输线出现阻抗变化时，阶跃信 就有一部分反射回来，一部分继续往前传播。反射回来的信 叠加到注入的阶跃信 ，示波器可采集到这个信 。因为反射回来的信 和注入的信 有一定的时间差，所以示波器采集到的这个叠加信 的边缘是带台阶的，这个台阶反映了信 传播反射的时间关系，与传输线电长度对应。

图二

图2 TDR测试信 在传输线上的运动特征

图3是计算被测传输线特征阻抗的计算公式。当示波器采集到这个叠加信 后，容易去掉注入的信 （有些TDR仪器注入信 是从-200mv到0v的，所以示波器采集到的边沿台阶就是反射回来的信 ）。这样容易通过图中公式计算出反射系数，由反射系数通过图中公式（测试系统的阻抗是50欧姆）容易计算出发生反射电压点的负载阻抗。

图三

图3 TDR计算被测件特征阻抗的计算公式

TDR比较有意义的一点是，示波器采集到了每一点的反射电压（如果因为阻抗匹配而无反射，则假设反射的电压为0v），从而示波器屏幕上显示了一条TDR曲线，这个曲线与传输线的每一点有一一对应关系。从这个曲线上可以读出传输线上每一点的特征阻抗。如果知道有效介电常数，可以计算出/读出每一点距离测试点的具体长度，如图14所示。

所以TDR仪器不仅仅可以用来测量传输线的特征阻抗，还可以帮助定位断点或短路点的具体位置，比如有些工程师就用TDR来检验计算机、消费电子设备上的软排线是否有断点

或短路点。计算机和消费电子设备用了很多的软排线来传输高速信 （比如连接显示屏的软排线），这种软排线的每根线都是一个小同轴电缆，由于细小，生产时容易短路或短路。

图四

用图4 TDR曲线与被测传输线一一对应

当传输线上存在寄生电容、电感（如过孔）时，在TDR曲线上可以反映出寄生参数引起的阻抗不不连续，而且這些阻抗不连续曲线可以等效为电容、电感或其组合的模型，因而TDR也可以用來进行互连建模，可以直接在仪器上读出寄生的电感或电容，或通过仿真软件建立更详细的模型，如图5所示。

图五

图5 从TDR曲线上的波动处可计算出寄生电容或电感

基于 络分析仪的ENA-TDR测量原理

络分析仪VNA 是测量被测件（DUT）频率响应的仪器，测量的时候给被测器件输入一个正弦波激励信 ，然后通过计算输入信 与传输信 （S21）或反射信 （S11）之间的矢量幅度比（图6）得到测量结果；在测量的频率范围内对输入的信 进行扫描就可以获得被测器件的频率响应特性（图7 ）；在测量接收机中使用带通滤波器可以把噪声和不需要的信 从测量结果中去掉，提高测量精度。

图六

图6 输入信 、反射信 和传输信 示意图

图七

图7 在测量频率范围内扫描正弦波激励信 ，就可用VNA 测得被测器件的频率响应特性众所周知，频域和时域之间的关系可以通过傅立叶理论来描述。通过对使用VNA 获得的反射和传输频率响应特性进行傅立叶逆变换，可以获得时域上的冲激响应特性（图8）。

再通过对冲激响应特性进行积分，可得到阶跃响应特性。这和在TDR 示波器上观察到的响

应特性是一样的。由于积分计算非常耗时，因此实际上使用的方法是在频域中根据傅立叶变换的卷积原理进行计算——把输入信 的傅立叶变换和被测件的频率响应特性进行卷积，然

后再对结果实施傅立叶逆变换。

和被测件的频率响应特性进行卷积，然

后再对结果实施傅立叶逆变换。由于在时域中的积分也可使用频域中的卷积来描述，因此我们可以快速计算出阶跃响应特性。

图八

图8 从傅立叶逆变换中推导出的阶跃响应特性与冲激响应特性之间的关系

通过傅立叶逆变换得到的时域特性的时间分辨率和时间测量范围分别对应于最高测量频率的倒数和频率扫描间隔的倒数（图9）。例如，若最高测量频率是10 GHz，则时间分辨率为100 ps。我们似乎可以认为通过不断缩小频率扫描的间隔就可以无限地扩大测量的时间范围，但事实上却存在限制。因为傅立叶逆变换中使用的频率数据在频域中必须是等距的，若扫描的

频率间隔比VNA 的最低测量频率还要小，那么就不能执行傅立叶逆变换。例如，如果VNA 的最低测量频率是100 kHz，则在时域测量中能够得到的最大时间测量范围就是10 us，对于TDR 的测量应用，这足够了。

图九

图9 时域参数（时间分辨率和时间测量范围）与频域参数（最大频率和扫描频率间隔）之间的关系

图10显示的是使用基于 络分析仪E5071C的ENA-TDR和基于示波器86100D的TDR，对同一被测件的阻抗进行测量，得到的响应曲线之间的相关性。两个测量结果之间的差别不到0.4欧姆。图10 ENA-TDR 和86100D TDR 的测量结果之间的相关性

一、仪器概述

TDR土壤水分测量仪又名非接触式土壤水分测量仪、土壤墒情测量仪，是一款以TDR频域反射原理为基础的传感器。能够针对不同土层的土壤水分含量进行动态观测，而且是进行快速、准确、全面地观测，让人们实现对土壤的高度感知。

TDR土壤水分测量仪采用分层设点的观测结构，地面配置一个温度观测点，地下土壤每隔10cm配置一个土壤温湿测点，观测相对应范围内的土壤温湿度。如下图所示：

图十

二、产品特色

●预先埋入一根塑料管，将主传感器安置于管内，能够从预留管中轻松地取出、更换主传感器，维修方便，循环使用率高。

●可在塑料管中上下移动，实现对各个土层土壤水分含量的动态观测。

●发射近1G赫兹的高频探测波，可以穿透塑料管，有效感知土壤环境。

●不会受土壤中盐离子的影响，化肥、农药、灌溉等农业活动不会影响测量结果，数据精准。

●传感器的电极没有直接与土壤接触，避免电力对土壤及土壤中的植物的干扰。

三、技术参数

◆土壤湿度

测量范围：0～100%

测量精度：3%

◆土壤温度

测量范围：-30℃～70℃

测量精度：0.1℃

◆记录间隔：30分～24小时（可调）

◆测点间距：10cm

◆输出方式：GPRS

◆存储容量：无限云端存储

◆数据查看：Web 页系统平台远程查看

◆供电方式：太阳能电池板+锂电池组合供电

◆防护外壳：PVC

◆防护等级：IP68

◆工作环境：-20℃～85℃

◆尺寸：外径6cm 高78.2cm

四、安装指导

◎准备工作

1.开箱检查

检查外包装是否有破损；根据设备清单开箱检查设备及配件是否齐全。

注意：土钻、太阳能板并不包含在智墒出厂配件中，您若需要，额外购买即可。

2.工具准备

配套土钻、纯净水或自来水、水盆、手套(按个人需求准备)

◎正式安装

1.安装位置选择须知（适用于农田作物）

a.在作物播种后进行设备安装；

b.安装位置地势平坦；

c.全面灌溉条件下，优先选择获水较少区域作为监测位置；局部灌溉条件下，选择湿润区域内作为监测位置；

d.选取作物长势均衡并可代表绝大多数作物长势的位置；

e.了解被监测作物的根系分布，一般选择离作物吸水根系较近的位置。

2.打孔

a.取土钻钻头、手柄、支杆，完成后将取土钻竖直于地面，双手紧握手柄顺时针下压慢速转动。（注意：不要太用力，务必慢速多转几圈，防止钻头跑偏至孔洞打歪）

b. 将取土钻从孔洞中取出，放到盆子里，用工具把钻出的土收集到盆子里以用来和泥浆。（注意：第一钻土因为杂质过多，不做收集）

c. 反复持续上述打孔、取土，并在此过程中尝试性地将传感器轻放入孔洞中（请勿将设备用力触底），以测试孔洞的深度是否合适；若有卡顿，则使用取土钻修正，保证传感器放入、取出都比较顺畅；直到孔深与传感器所标识的安装位置齐平，打孔完成。

3.和泥浆

a. 挑出盆中土壤杂质，石子、根、不容易溶解的土块等。将土壤搓细，以便和泥浆。

b. 倒入适量水，充分搅拌至粘稠状；壤土泥浆一般不能稠于“芝麻酱”状；和泥浆完成。

4.灌浆安装

a. 将泥浆慢慢倒入孔洞，大概到孔洞1/2的位置；可根据实际情况酌情增减。

b. 将传感器慢慢放入孔洞中，向一个方向慢慢转动并下压，速度过快可再转动下压的过程中不可以上拔传感器，防止气体再次吸入孔中）

c.当传感器安装到正确的深度后，设备周围会溢出一些泥浆，灌浆完成; 此时传感器安装深度与洞口齐平。（注意：将传感器周围3CM以外多余的泥浆清除，防止结块影响水分下渗）

5.安装太阳能板（不需要太阳能供电板的用户则不需要操作此步骤）

a.太阳能板选址

太阳能板的安装位置应尽量远离传感器，一般距智墒50cm以外较为适宜。太阳能供电板的面板朝向太阳方向，前方尽量无遮挡。

b. 固定支架，将支架放置在水泥墩上方，进行比对，找准孔位打眼，放置膨胀丝，固定整个支架；也可将支架放置在土壤中，采用土壤掩埋的方式固定支架，但固定效果会略低于固定在水泥墩上。

c.安装太阳能板，将太阳能板固定在横臂上，用螺丝拧紧；使用半圆环卡，将太阳能板固定臂固定在支架上。

d.连接设备太阳能接口，向上拔出设备顶部的顶盖，在开关键相对的一侧是太阳能接口（航插孔）；将太阳能充电线对准接口插入，拧紧螺栓即可，太阳能板安装完成。

6.安装完成

向上拔出设备顶盖后，按下开关键，设备即可正常工作。建议在泥浆恢复正常状态后再进行正常工作。

需要注意的是需准备足量的水，不少于5L；在灌浆之前，先把水倒入孔洞中，淋湿整个洞壁，直到孔洞底部有多余的水出现为止。然后按照步骤，将泥浆慢慢倒入孔洞中，大概大概到孔洞中，大概大概到孔洞1/2的位置。

TDR法与其他方法测土壤含水量的对比结论

(1)从各剖面土壤含水量的连续动态曲线剖面图可知,TDR和FDR自动监测仪器都可对降水过程有明显的反映,由于春季天气干旱土壤水分下滲速度延迟,其他各土层水分变化也有明显的滞后,其中100cm在相当长的时间变化非常小,一般降水100cm都不能引起变化。但是从总的的曲线数据对比看FDR仪明显优于TDR仪。

(2)FDR和TDR能够灵敏地反映土壤水分在各层剖面上的运动即跟踪土壤中水分流动的升降。图中显示该各测点中深层土壤的含水量相对稳定,而表层土壤的含水量波动较大呈现明显的下降趋势,最大植出现在每日下午,最小值出现在上午。

(3)常规烘千法与TDR、FDR自动土壤监测仪获得的土壤各层深度对比数据图可以看到两种仪器均可反映土壤水分的变化,TDR、FDR仪器值较实际值偏高,TDR仪器的探测值在10cm层相位有些误差,TDR与烘干法的相关系数为0.614,FDR与烘干法的相关系数为0.751;但是从总的的性能对比FDR明显优于TDR土壤水分自动监测仪。通过对TDR法与烘干法的相关分析计算,得出x,y之间的相关转换关系式:y=0.9740x-0.2902,相关系数r=0904,均方误Sy=2.4,x、y线性关系显著。各土层深度绝对误差为0.02~6.13,相对误差为0-0.25

从研究结果来看,烘干法和TDR法的结果之间虽然存在着一定的差异,但仪器因素和标定因素在大多数情况下所5来的误差占总误差的比例很小。TDR法结果更符合实际情况。这是由于TDR法是用环刀在探头附近采样,所取样本未经扰动故其结果更接近实际。国内外大量研究资料也表明③,使用TDR法测定土壤水分,其值会受到土壤种类、电导率、容重等多种因素的制约。这与本研究在利用TDR测定土壤含水量时所得结果与实际情况是相符的。在测定时应采取一定的措施来减小由于土壤质地不均匀或土壤湿度的空间变异所造成的误差。3结论

由分析结果表明:使用TDR法测量土壤含水量与烘干法相比具有相同的变化趋势,其结果十分接近烘干值,可准确地反映土壤含水量的动态变化。两者的相关系数r达到0904,均方误Sy为24,x、y呈显著的相关性。

TDR法和烘干法相比也存在一定的误差,但仪器因素和标定因素在大多数情况下所带来的误差占总误差的比例很小,TDR法结果更符合实际情况。用TDR法测量土壤含水量与烘干法是同样可靠的。它具有简便、测定速度快、精度高、无反射性和适于长期定位观测等优点,适合在野外测定中使用。

TDR的应用前景

TDR( Time Domain Reflectometry)法是利用电磁波在不同介质中的传播速度的差异来测定士壤含水率,TDR理论模型早在1939年就已建立,最初用于电信业查找电缆断点,用于土壤含水量的监测,是由加拿大科学家Topp等人印于1980年首次提出并于1985年用于农田水分测定1与传统土壤水分测定法比较,具有不破坏样本、快速、简单、准确、可连续测定等优点,并且可以实现数据自动果集,因此,DR很快被人们所接受,许多学者对使一用TDR所做的室内外土壤含水量测试进行了大量的 道近20年来,TDR技术通过不断改进,在土壤水分测定方面取得了巨大进展,现在已具有能适应不同环境条件的形状各异的各式各样的TDR探头有能时进行多点测定的TDR测定系统,也有便携式的小型TDR装置,并实现了商业化。经过对测定装置的改进,特别是电子技术的发展和结果分析理论的提高,通过分析电磁波在土壤中的衰减分方面也得到了迅速发展,达到了比较满意的效果,来测定土壤电导率(EC)值,使TDR在测定土壤盐实现了TDR同时测定土壤水分和盐分的目标。这项测定技术于20世纪90年代末期引入我国,近几统年正在被来越广泛地用。

参考文献

[1]周凌云,陈志雄,李卫民.TDR法测定土壤含水量的标定研究[J].土壤学 ,2003(01):59-64.

2]陈志雄, Vauclin Michel封丘地区土壤水分平衡研究Ⅱ中子探管

法测定土壤含水量的误差分析土壤学 ,1990,73:391-401.

3]周凌云,陈志雄,李卫民TDR法测定土壤含水量的标定研究团土壤学 ,2003(1):59-64

[4]李笑吟,毕华兴,刁锐民,等TRME-TDR土壤水分测定系统的原

理及其在黄土高原土壤水分监测中的应用团中国水土保持科学2005,3(1):112-115

[5]陈家宙,陈明亮,何圆球各具特色的当代土壤水分测量技术湖

北农业科学,2001(3):25-28