4.1  P-TDR传感器探头的基本结构

传统的TDR仪器采用窄上升沿阶跃信号作为测试信号，使用高速采样示波器将反射回波记录下来，从TDR波形上就可以分辨出信号传播路径上多个阻抗不连续点各自产生的反射信号，从而可以分析各反射点和反射点之间的传输线的特性。P-TDR土壤水分和电导率测试仪采用单一频率的正弦电压作为测试信号，且使用相位检测器来测量信号在探头上传播的时间，不对反射信号的波形采样，所以它不具备这样的能力。

当P-TDR的探头插入土壤中时，其阻抗不仅与探头本身的结构和尺寸有关，还与土壤的表观介电常数有关，而土壤的表观介电常数随土壤含水量的变化而变化，所以当土壤含水量发生变化或探头从一种土壤移到另一种土壤中时，其阻抗就会发生变化。而与探头相连的同轴电缆的特征阻抗是固定的。所以，不管探头如何精心和复杂的设计，总是有某些情况下探头与同轴电缆的阻抗不匹配导致测试信号会在它们的连接处发生反射。一方面传统TDR仪器所使用的探头不能直接用于P-TDR土壤水分测试仪，必须对其结构进行改造；另一方面测试信号在探头首端的反射并不能完全被消除，而只能尽量将其降低。

在传统的TDR系统通常采用的平行三棒式探头的基础上加以改进，在三根不锈钢探针棒上以及探针棒的头部（末端）都覆盖了厚度为1mm的PVC绝缘涂层，以减小因土壤含水量的变化引起的探头阻抗变化的范围。另外，绝缘涂层还能降低土壤电导率对相位测量的影响。在探头与同轴电缆的连接处也作了精心的设计，使得阻抗不连续部位的范围大大缩小，从而进一步提高土壤含水量测量的精度。

这里还针对研制的多种其他型式的探头进行了对比实验，如图4-1和图4-2所示是其中两种具有代表性的探头实物，如图4-3所示为平行三棒式带绝缘涂层探头的内部结构。

图4-1 平行三棒式无绝缘涂层探头实物图(https://www.daowen.com)

图4-2 平行三棒式带绝缘涂层探头实物图

如图4-3所示，探头的测试部分为三根平行金属棒，长L=150mm，直径d=4mm，相邻两棒间距为D/2=20mm，每根棒上覆盖了厚度为δ=1mm的PVC绝缘层。金属棒伸入到探头壳体内，使用螺钉将其与同轴电缆连接，中间的金属棒与同轴电缆的内导体相连，两侧的金属棒与同轴电缆的外导体相连。

下面我们先研究探头首端的反射信号与探头末端的反射信号叠加后对其相位和幅值的影响，然后研究其特征阻抗模型，最后对各种探头的实测性能作对比研究。

图4-3 平行三棒式带绝缘涂层探头的内部结构图