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土壤传感器系列:TDR200土壤水分与电导率测量系统介绍
发布时间:2021-05-08 浏览次数:690 来源:欧美大地
欧美大地代理品牌Campbell Scientific为土壤状况监测提供了多种传感器选项。之前的文章介绍了CS650/655系列传感器,本次主题是TDR200土壤水分与电导率测量系统


TDR200时域反射主机
 
测量原理与方法
TDR200系统同样是基于测量土壤介电常数来推算土壤体积含水量。TDR200通过内部信号发生电路产生一个高速阶跃脉冲加载到探针波导上,同时波形采样电路对反射回来的信号波形进行采样、数字化等,最终通过波形分析确定信号传输时间并计算土壤介电常数和土壤体积含水量。
 

TDR系统在不同介质中测得的波形
 
上图展示了TDR探针在空气、干砂、饱和砂土和水中的波形,介质介电常数越大,信号传输时间(∆t)越长,抑或探针表现出来的表征长度(La)越长。∆t则可表示为TDR信号在探针上往返一次的行程(2L)与电磁波传输速度(c/√ε)之比,结合La=c∆t/2得出介电常数(ε)为探针表征长度与物理长度之比的平方,其中La为TDR200内部固件通过波形分析确定。确定介电常数后,根据Topp公式或者自定义模型即可计算出土壤体积含水量。此外,TDR200还可以通过返回信号的损耗程度来计算介质的体积电导率。
 
 
TDR探头选择
Campbell Scientific提供了30、15和7.5 cm三种探针长度的TDR探头,具体探头型号如下表所示。与CS650/655一样,较短的探针长度对应探头测量体积电导率的上限更大,但较长的探针长度传感器所测量的土壤体积更大。同一探针长度下有两种线缆类型的探头可供选择,其中 CS610/635/645采用了更低损耗的电缆,因此支持的电缆长度更长。
 
不同TDR探头的参数差异
 
TDR测量系统
TDR测量系统由TDR200主机、SDM8X50同轴多路器、数据采集器等设备构成,设备之间通过Campbell内部的SDM协议通讯。在最终使用数据采集器进行长期监测之前,可以在PC端使用Campbell Scientific免费的PC-TDR软件(PC通过USB直连TDR200)对TDR进行测量参数配置,具体包括SDM地址、噪声抑制频率、采样波形点数、波形平滑参数、波形分析算法、TDR探头参数等。在设置好上述参数后,即可尝试测量并观察TDR波形以及测量结果是否正常,最终通过PC-TDR自动生成包含所有上述预设参数的数据采集器程序。
 

TDR200数据采集系统
 
其他应用
除土壤水分测量之外,TDR系统还常用于边坡稳定性监测。此时,TDR200接入的不再是水分探头,而是以同轴电缆作为传感单元。实际应用时,同轴电缆需要预先埋入待测边坡中。当边坡在某一深度发生滑移时,会导致同轴电缆产生拉伸或者剪切变形,在TDR波形上将表现为电磁波信号在该处发生反射,通过确定信号的反射时间,结合电磁波在同轴电缆中的传输速度(由线缆波速比决定)即可确定滑移位置。
点击查看→案例分享 | TDR系统在加利福尼亚沿海边坡监测项目中的应用

 
Source:Campbell Scientific
 
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