專利名稱：一種時(shí)域反射土壤水分測試儀及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及時(shí)域反射儀技術(shù)，特別是涉及一種基于相位檢測原理的時(shí)域反射土壤水分測試儀和測量方法。

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，體積含水量測量誤差一般在2％以內(nèi)；2)測量結(jié)果受土壤類型影響較小，一般不需要對特定的土壤進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)定；3)無輻射，對土壤破壞性?。?)探針的幾何結(jié)構(gòu)對測量結(jié)果的影響較?。?)與數(shù)據(jù)記錄儀配合可進(jìn)行長期自動監(jiān)測。國外應(yīng)用TDR儀還在監(jiān)測山體滑坡、垃圾填埋、江河和水庫堤壩安全等方面發(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)和儲藏業(yè)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。
TDR通過測量土壤含水量變化引起的電磁波信號在TDR探頭上傳播速度的變化來測量土壤水分，當(dāng)探頭長度一定時(shí)，就轉(zhuǎn)化為對信號傳播時(shí)間的測量。土壤含水量變化引起的電磁波信號傳播時(shí)間變化量很小，以通常使用的15cm長探頭為例，當(dāng)探頭置于空氣中和水中時(shí)，電磁波信號在探頭上傳播一個(gè)來回的時(shí)間分別約為1ns和9ns，而當(dāng)探頭插入土壤中時(shí)，電磁波信號傳播的時(shí)間介于這二者之間。也就是說土壤含水量變化引起的電磁波信號傳播時(shí)間的變化不超過8ns，為了達(dá)到一定的土壤水分測量精度，就要求TDR對時(shí)間測量的分辨率達(dá)到0.1ns(即10-10s)，這對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)到一定的測量精度，通常要求TDR系統(tǒng)的測試信號的上升沿時(shí)間小于200ps，這就對其信號發(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)國家掌握了設(shè)計(jì)制造TDR土壤水分和電導(dǎo)率測試儀所需的高速采樣示波器、窄上升沿階躍信號發(fā)生器、高頻高精度時(shí)間基準(zhǔn)等技術(shù)。而這些國家對我國采取嚴(yán)格的技術(shù)出口限制措施，使我國無法獲得必需的尖端電子部件和芯片，因此我國還不能制造傳統(tǒng)的TDR土壤水分測試儀。我國生產(chǎn)和科研單位使用的TDR儀主要從美國和加拿大等國進(jìn)口，單機(jī)價(jià)格約一萬美元，成套設(shè)備價(jià)格為幾萬美元，由于我國尚無此產(chǎn)品，進(jìn)口價(jià)格比生產(chǎn)國本地價(jià)格高出很多。因廠家在國外，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)測的連續(xù)性。所以，研制開發(fā)擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的TDR土壤水分電導(dǎo)率測試儀和測量方法，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的工具，它通過將發(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圍介質(zhì)的介電特性影響。1969年Fellner-Feldegg首次將TDR技術(shù)用于測定介質(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)的測定。
TDR是通過測定電磁波沿插入土壤的探針傳播時(shí)間來確定土壤介電常數(shù)ε，進(jìn)而根據(jù)土壤含水量θ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，但研究表明對某些特別的土壤進(jìn)行測量時(shí)仍需要單獨(dú)標(biāo)定。對于有很大表面積的介質(zhì)，由于吸附了較多的束縛水，會嚴(yán)重影響TDR的測量結(jié)果，尤其是粘粒含量超過40％的土壤、膨脹性土壤、有機(jī)質(zhì)含量超過10％的有機(jī)土壤等。另外，TDR的測量結(jié)果還在某種程度上取決于土壤的容重ρb，容重不同會引起土壤介電常數(shù)的顯著變化。容重很大時(shí)(ρb＞1.7g/cm3)TDR的測量結(jié)果偏高，而容重很小時(shí)(ρb＜1.0g/cm3)TDR測量結(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圍，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使得TDR測量結(jié)果偏低；反之如果這些空隙中充滿水則使得測量結(jié)果偏高。
TDR測定土壤含水量的精確性依賴于主機(jī)對時(shí)間的識別精度、探針的質(zhì)量和類型、所用同軸電纜的長度、以及所測定土壤的各種性質(zhì)的影響，可歸結(jié)于兩個(gè)關(guān)鍵因素土壤介電常數(shù)的測定準(zhǔn)確度以及θ-ε標(biāo)定公式。在實(shí)際應(yīng)用中，對不同的土壤，如何選擇適宜的θ-ε標(biāo)定公式，是提高TDR測定精度的一個(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)地等因素都會影響TDR測定含水量的精度。
從上世紀(jì)八十年代初開始，各國科學(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，但對質(zhì)地較細(xì)的土壤，精度仍較差。另外，對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)。
國內(nèi)的有關(guān)研究工作主要集中在TDR土壤水分測量的應(yīng)用方法研究。如TDR探針兩種埋設(shè)方式下土壤水分的測定及其比較，土壤容重、溫度和電導(dǎo)率對TDR測定土壤水分精度的影響，以及對某些特殊類型土壤的標(biāo)定研究。我國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θ-ε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土壤水分測試儀一般由階躍信號發(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50Ω的同軸傳輸線(50Ωcoaxial 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，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。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)來測量顯示。傳輸時(shí)間可表示為 t＝2Lε0.5/c t——兩次反射之間的時(shí)間(s)； L——探頭的長度(m)； ε——介質(zhì)(土壤)的介電常數(shù)； c——電磁波在真空中的傳播速度(3×108m/s)； 由此可得出介質(zhì)的介電常數(shù)ε ε＝[ct/(2L)]2 式中(ct/2)稱為探頭的“表觀”長度。令La＝ct/2則 ε＝(La/L)2 如果土壤是完全干燥的，那么ε將會是2到4；如果土壤體積的25％是水，那么ε將近11-12。
時(shí)域反射法測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TDR測量土壤含水量的測量敏感區(qū)域、土質(zhì)對測量結(jié)果的影響、TDR探頭幾何結(jié)構(gòu)對測量結(jié)果的影響、被測土壤中石塊、氣隙等雜物對測量結(jié)果的影響、用TDR來檢測植物生長需水狀況及與其他土壤水分快速測量方法的比較等方面做了大量的研究。
通過大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究證明了基于TDR方法的土壤水分測試儀能夠滿足快速測量的實(shí)時(shí)性要求，可是對土壤這種復(fù)雜的多孔介質(zhì)對象，雖然含水量θ的變化能夠顯著地導(dǎo)致介電常數(shù)ε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)ε引起的入射-反射時(shí)間差ΔT卻僅僅是10-9秒數(shù)量級。若要對如此短的滯后時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確測量，從無線電測量技術(shù)的角度來看難度極大，基于傳統(tǒng)方法TDR土壤水分測試儀器成本相應(yīng)很高。例如，目前由美國進(jìn)口的“Trase”TDR土壤水分測量系統(tǒng)，其售價(jià)高達(dá)1萬美金。TDR土壤水分測試儀器的昂貴身價(jià)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(shí)時(shí)監(jiān)測與節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)中。


發(fā)明內(nèi)容
針對傳統(tǒng)時(shí)域反射土壤水分測試方法(TDR)實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度大、系統(tǒng)成本高的問題，本發(fā)明的目的是提供一種新的基于相位檢測的時(shí)域發(fā)射土壤水分測試儀，尤其是提供一種使用單一頻率的正弦信號代替階躍信號、使用相位檢測器將入射信號和反射信號的相位差轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓信號、而不采用傳統(tǒng)TDR技術(shù)的快速階躍信號發(fā)生器和高頻采樣示波器技術(shù)的時(shí)域發(fā)射土壤水分測試儀。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種時(shí)域反射土壤水分測試儀，其特征在于，包括 高頻正弦電壓信號源，用來產(chǎn)生單一頻率的正弦電壓信號； 信號分配器，與所述高頻正弦電壓信號源相連，將其產(chǎn)生的正弦電壓信號分為兩路； 環(huán)形器，與所述信號分配器相連，用于對接收到的不同傳播方向的信號進(jìn)行分離并輸出； 探頭，經(jīng)同軸電纜與所述環(huán)形器相連，接收來自環(huán)形器輸出的信號作為測試信號； 相位檢測器，經(jīng)延時(shí)電纜與所述信號分配器相連，接收來自信號分配器分配的入射信號；并與所述環(huán)形器相連，通過環(huán)形器接收所述探頭末端反射回的反射信號；并將入射信號與反射信號的相位差轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓信號。
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)為開路。
另外，本發(fā)明還涉及一種時(shí)域反射土壤水分測量方法，其特征在于，所述測量方法包括以下步驟 高頻正弦電壓信號源產(chǎn)生的單一頻率的正弦電壓信號，輸送至信號分配器； 信號分配器將接收到的正弦電壓信號分為兩路一路入射信號經(jīng)過延時(shí)電纜延遲后到達(dá)相位檢測器作為參考信號；另一路入射信號通過環(huán)形器后沿同軸電纜傳送到探頭作為測試信號； 測試信號在探頭的末端發(fā)生反射，反射回的測試信號經(jīng)同軸電纜和環(huán)形器后到達(dá)相位檢測器； 相位檢測器將接收到的參考信號和測試信號的相位差轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓信號； 通過測量直流電壓信號得到入射信號和反射回的測試信號在探頭上傳播的時(shí)間，通過進(jìn)一步標(biāo)定得到被測土壤含水量。
其中，所述另一路入射信號通過環(huán)形器后沿同軸電纜傳送到探頭之前，經(jīng)阻抗變換器件處理實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。
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發(fā)生器、環(huán)形器、相位檢測器。不僅在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)，而且價(jià)格大大低于國外產(chǎn)品，易于在國內(nèi)推廣應(yīng)用，通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，該儀器達(dá)到傳統(tǒng)TDR土壤水分測試儀的水平。



圖1是本發(fā)明背景技術(shù)中的TDR原理圖；； 圖2是本發(fā)明時(shí)域反射土壤水分測試儀中高頻電路示意圖； 圖3是本發(fā)明時(shí)域反射土壤水分測試儀中高頻正弦電壓信號源示意圖； 圖4a是本發(fā)明時(shí)域反射土壤水分測試儀中環(huán)形器的信號流示意圖； 圖4b是本發(fā)明時(shí)域反射土壤水分測試儀中環(huán)形器的幾何結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本發(fā)明時(shí)域反射土壤水分測試儀中相位檢測器原理示意圖。
其中，1階躍信號發(fā)生器；2同步發(fā)生器；3RS-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)施例方式 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明提供的時(shí)域反射土壤水分測試儀中，高頻正弦電壓信號源產(chǎn)生的單一頻率的正弦電壓信號，被信號分配器分成兩路一路經(jīng)過延時(shí)電纜延遲一段時(shí)間后到達(dá)相位檢測器作為參考信號；另一路通過環(huán)形器后沿同軸電纜傳播到探頭作為測試信號。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。由于探頭的末端開路，測試信號在此發(fā)生反射，反射信號與入射信號疊加在一起，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分離開來并從不同的端口輸出。所以反射信號通過環(huán)形器后將到達(dá)相位檢測器，而不是返回到信號分配器。
如圖2所示，為本發(fā)明的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信號源的輸信號為
其中，u0、A0、ω和

分別為源信號的瞬時(shí)電壓、幅度、角頻率和初相位。
沿不同路徑傳播到相位檢測器的測試信號ut和參考信號ur，它們的傳播時(shí)間分別為tt和tr，其相位比源信號分別落后ωtt和ωtr，則在t時(shí)刻它們的瞬時(shí)電壓分別為

其中，ut、At、和tt分別為測試信號的瞬時(shí)電壓、幅度和從信號源到相位檢測器的傳播時(shí)間；ur、Ar、和tr分別為參考信號的瞬時(shí)電壓、幅度和從信號源到相位檢測器的傳播時(shí)間。
因此相位檢測器的兩個(gè)輸入信號的相位差為
測試信號的傳播時(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tc，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，它與探針周圍土壤的含水量有關(guān)；而前者則僅與儀器本身有關(guān)。
式(4)可改寫為


上式中tc、tr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度，一旦儀器的物理結(jié)構(gòu)確定下來，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(這樣tp就等于0)，通過測量相位差并根據(jù)式9就可以確定(tc-tr)的大小，將其作為參數(shù)保存到P-TDR儀器的存儲器中。再將不銹鋼棒附著到探頭上并插入土壤中，根據(jù)測得的相位差和測試信號的頻率就可以由式(7)計(jì)算出信號沿探針傳播的時(shí)間。
圖3所示為高頻正弦電壓信號源的原理框圖，其核心是鎖相環(huán)(PLL，圖中虛線框內(nèi)部分)和壓控振蕩器(VCO)。
因?yàn)镻-TDR的時(shí)間測量精度與測試信號的頻率穩(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fR＝20MHz的方波信號，經(jīng)R計(jì)數(shù)器分頻后頻率變?yōu)閒1輸入到鑒頻鑒相器。R計(jì)數(shù)器的分頻系數(shù)由撥碼開關(guān)設(shè)定為8192，所以有 壓控振蕩器產(chǎn)生頻率為fV的信號經(jīng)過預(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 鑒頻鑒相器對兩個(gè)輸入信號的頻率f1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，而電荷泵對電壓脈沖進(jìn)行積分得到直流電壓Vc，該電壓經(jīng)過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)f1＞f2時(shí)，鑒頻器輸出正的電壓脈沖，電荷泵對正電壓脈沖積分使得其輸出電壓Vc升高，壓控振蕩器的輸出fV變大，導(dǎo)致f2也變大；當(dāng)f1＜f2時(shí)，鑒頻器輸出負(fù)的電壓脈沖，電荷泵對負(fù)電壓脈沖積分使得其輸出電壓Vc降低，壓控振蕩器的輸出fV變小，導(dǎo)致f2也變小。這樣的反饋過程經(jīng)過反復(fù)調(diào)整直到f1＝f2。
當(dāng)f1＝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fV不再變化，f2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)過一個(gè)重新鎖定的過程。
在“鎖定”狀態(tài)時(shí)有f1＝f2，根據(jù)式(8)和式(9)可得 即 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的最小變化步長為0.15625MHz。
環(huán)形器是三端口器件，經(jīng)過它的電磁波信號可以從端口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，測試信號從環(huán)形器的端口1輸入，從端口2輸出，經(jīng)過同軸電纜達(dá)到探頭，在探頭的末端被反射回來；反射信號從環(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)，所以這里不會產(chǎn)生反射，也就沒有信號會從環(huán)形器的端口3輸入。
反射信號與入射信號在探頭和同軸電纜上是疊加在一起的，但通過環(huán)形器后就被分離出來了，在這里環(huán)形器還起到了將反射信號與信號源進(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)線與中央圓盤的周緣相連，每兩條相隔120°，構(gòu)成環(huán)形體的三個(gè)端口，恒磁偏置場施加在接地平面的法線方向。
相位檢測器的功能主要是將輸入的測試信號與參考信號二者之間的相位差轉(zhuǎn)換成與之相關(guān)的直流信號，以便用AD轉(zhuǎn)換器將其數(shù)字化后供微處理器計(jì)算測試信號在探頭上傳播的時(shí)間。這里測試信號與參考信號為同頻率的正弦電壓信號，它們的相位不一樣。
P-TDR中使用的相位檢測器其工作原理可用圖5來進(jìn)行說明，其中

代表的是模擬乘法器，其輸出信號是兩個(gè)輸入信號的乘積。
假設(shè)輸入信號u1、u2分別為

其中ω為信號角頻率，U1、U2和

分別是兩個(gè)信號的幅值和初相位。則它們的的乘積為

上式中用到了三角公式cosxcosy＝[cos(x-y)+cos(x+y)]/2。
式(14)中第一項(xiàng)為直流分量，其大小與u1、u2的幅值和相位差有關(guān)；第二項(xiàng)為二次諧波信號。使用低通濾波器對乘法器的輸出進(jìn)行濾波后可得直流電壓V1，即
這里V1雖然與兩個(gè)信號的相位差有關(guān)，但也與它們的幅值有關(guān)，當(dāng)相位不變而信號幅值變化時(shí)，V1也會發(fā)生改變，這就給直接從V1得到相位差

帶來了困難。為了解決這一問題，可以使用移相器將信號u1的相位改變90°變?yōu)閡′1后再與u2一起送入第二個(gè)乘法器，可知


上式中用到了三角公式sin x cosy＝[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。使用低通濾波器對第二個(gè)乘法器的輸出進(jìn)行濾波后可得直流電壓V2，即
式(18)除以式(15)可得

根據(jù)式(20)以及V1和V2的正負(fù)號就可以計(jì)算出相位差

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)，從而可測量出任意范圍的相位差。
需要說明的是，相位檢測器的輸出僅僅是直流電壓信號V1和V2，根據(jù)V1和V2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)的階躍電壓信號，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，通過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，目前國內(nèi)還不具備開發(fā)具有實(shí)用價(jià)值的傳統(tǒng)TDR土壤水分測量系統(tǒng)的條件。本發(fā)明提供了一種新的基于相位檢測原理的時(shí)域反射(P-TDR)土壤水分測試儀及測量方法，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)正弦信號發(fā)生器、環(huán)形器、相位檢測器。不僅在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)，而且價(jià)格大大低于國外產(chǎn)品，易于在國內(nèi)推廣應(yīng)用，通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，該儀器達(dá)到傳統(tǒng)TDR土壤水分測試儀的水平。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(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)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種時(shí)域反射土壤水分測試儀，其特征在于，包括
高頻正弦電壓信號源，用來產(chǎn)生單一頻率的正弦電壓信號；
信號分配器，與所述高頻正弦電壓信號源相連，將其產(chǎn)生的正弦電壓信號分為兩路；
環(huán)形器，與所述信號分配器相連，用于對接收到的不同傳播方向的信號進(jìn)行分離并輸出；
探頭，經(jīng)同軸電纜與所述環(huán)形器相連，接收來自環(huán)形器輸出的信號作為測試信號；
相位檢測器，經(jīng)延時(shí)電纜與所述信號分配器相連，接收來自信號分配器分配的入射信號；并與所述環(huán)形器相連，通過環(huán)形器接收所述探頭末端反射回的反射信號；并將入射信號與反射信號的相位差轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓信號。
2.如權(quán)利要求1所述的時(shí)域反射土壤水分測試儀，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所述的時(shí)域反射土壤水分測試儀，其特征在于，所述探頭的末端設(shè)為開路。
4.一種時(shí)域反射土壤水分測量方法，其特征在于，所述測量方法包括以下步驟
高頻正弦電壓信號源產(chǎn)生的單一頻率的正弦電壓信號，輸送至信號分配器；
信號分配器將接收到的正弦電壓信號分為兩路一路入射信號經(jīng)過延時(shí)電纜延遲后到達(dá)相位檢測器作為參考信號；另一路入射信號通過環(huán)形器后沿同軸電纜傳送到探頭作為測試信號；
測試信號在探頭的末端發(fā)生反射，反射回的測試信號經(jīng)同軸電纜和環(huán)形器后到達(dá)相位檢測器；
相位檢測器將接收到的參考信號和測試信號的相位差轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓信號；
通過測量直流電壓信號得到入射信號和反射回的測試信號在探頭上傳播的時(shí)間，通過進(jìn)一步標(biāo)定得到被測土壤含水量。
5.如權(quán)利要求4所述的時(shí)域反射土壤水分測量方法，其特征在于，所述另一路入射信號通過環(huán)形器后沿同軸電纜傳送到探頭之前，經(jīng)阻抗變換器件處理實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種時(shí)域反射土壤水分測試儀和測量方法，使用高頻正弦電壓信號源產(chǎn)生的單一頻率的正弦電壓信號，由信號分配器分為兩路信號，一路經(jīng)環(huán)形器通過同軸電纜傳送至探頭，另一路經(jīng)延時(shí)電纜傳送至相位檢測器，探頭處的測試信號經(jīng)反射后經(jīng)由同軸電纜返回環(huán)形器，環(huán)形器將反射信號與入射信號分離開，反射信號傳送至相位檢測器，相位檢測器將入射信號和反射信號的相位差轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓信號，從而檢測待測土壤水分含量。本發(fā)明在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)，而且價(jià)格大大低于國外產(chǎn)品，易于在國內(nèi)推廣應(yīng)用，通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，該儀器達(dá)到傳統(tǒng)TDR土壤水分測試儀的水平。
文檔編號G01N22/00GK101762612SQ20101003451
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者王一鳴, 龔元石, 王克棟, 張方賢, 李子忠, 楊衛(wèi)中, 馮磊, 董喬雪 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)