1.3.2  TDR传感器探头研究进展

TDR土壤水分测试仪的测量范围、精度和空间分辨率还与探针的结构有关。TDR土壤水分探针一般有二棒、三棒和四棒式或分段式等，由铜或不锈钢材料制成。大多数TDR探针长度大于15cm，因为太短的探针由于电磁波沿探针传播的时间短，引起的测定误差将加大。1995年Hook和Livingston设计了一种新的探针，使用了遥控开关的二极管和差分波形识别技术。他们还用75Ω同轴电缆代替通常的50Ω同轴电缆作为传输线进行测试结果表明使用75Ω同轴电缆不仅能减低成本，而且土壤水分测量效果还好于50Ω同轴电缆。

TDR探针周围电磁场的分布，主要取决于探针的设计，因此，很多文献都对不同应用场合的TDR探头的结构和设计方法进行了讨论。1985年Topp和Davies根据经验指出TDR所测量的土壤基本上是在探针周围的一个圆柱形空间内，该圆柱体的直径大约是探针间距的1.4倍。1989年Zegelin等人给出了一个近似解析表达式用来描述双棒式探针周围的电压分布。1992年Knight提出了一种计算探针周围电势分布的数学模型，研究表明，电势主要分布在探针周围很小的体积内。以间距32mm直径3mm的双棒式探针为例，10%的电势分布在离探针1mm的空间内，50%的电势分布在离探针6mm的空间内。(https://www.daowen.com)

Campbell和Heimovaara使用一种七针式探头模仿同轴电缆来测试土壤和液体的介电常数。双棒式探针对土壤的扰动较小，但由于它的非平衡结构，导致信号产生较大的噪声和损耗，这个问题可以通过在探头与同轴电缆的连接处串联一个平衡变压器来解决。三棒以上的探针不会造成信号的不平衡，但代价是对土壤的扰动较大。Robinson和Friedman提出了一种双平行板波导探头，虽然没有在土壤水分测量中被广泛采用，但这种探头有一个特点是可以在两个极板间产生均匀的电磁场。在多棒式探针结构中，中心探针附近的电磁场强度较大，使得这部分土壤的介电常数在测量结果中占有很大的权重。Ferre等人发现双棒式探针比三棒式探针有更大的采样空间，而探针上的绝缘涂层会使采样空间变小。如果探针在土壤中反复插拔使得土壤中产生空隙，也会导致测量误差变大。

通常，土壤含水量在沿探针的轴线方向的影响被认为是一致的，如果水沿探头均匀分布或者分层分布，TDR传感器探头测得的平均含水量是一样的。Chan和Knight的研究对此提出了不同的看法，他们的分析基于电磁波波长λ与土层厚度t之比λ/t。如果λ/t＞10则多层土壤的介电常数是每层土壤的介电常数的算数平均；如果λ/t＜1则是几何平均。当1＜λ/t＜10时，电磁波会产生散射效应，电磁波在不同土层间传播时方向会发生变化，这会对测量的结果产生较大的影响。

TDR传感器探头的测量可以通过使用计算机或专用的数据采集器实现自动化。测试时即可分析TDR波形从而计算土壤含水量，也可以将TDR波形记录下来以后分析。每一个探头的测量时间只需要几分钟，因此可以通过一个多路复用器连接8个或更多探头，而多个复用器也可以串联在一起与仪器相连，这样就可以实现大面积的土壤水分空间分布测量。