土壤水分测量技术与墒情监测系统研究_农业科学

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前言

写作背景在现代农业中，准确有效地测量土壤含水量是推行精量灌溉技术、提高水资源利用率的基础。而对一定范围内的土壤墒情（旱情）进行实时监测和预测预报，并依此制定区

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第1章土壤水分测量与墒情监测

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1.1 土壤水分测量与墒情监测的意义

土壤水作为水资源的重要组成部分，是一切陆生植物赖以生存的基础。水不仅是一切生命的重要组成物质，而且土壤中许多物理、化学和生物过程常常需要在一定的水分条件下才能进

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1.2 土壤水分测量与墒情监测的方法

土壤是一种典型的多孔介质，通常将其看作是由固态的土壤颗粒、液态的土壤水和气态的空气组成的三相混合物。土壤含水量（土壤水分）是土壤中液相体积或质量相对于土壤的一些

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1.2.1 烘干法

烘干法是通过湿土称重、干燥脱水、然后再干土称重来测定土样的质量含水量。烘干的经典办法是将土样放到105℃的恒温箱中烘24h（小时）。这种方法能去除颗粒间的大部分

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1.2.2 张力计法

张力计式土壤水分传感器是一种广泛成功地用于某些土壤的水分测量的传感器。这种仪表有个多孔瓷头，它通过充水的管子与真空表连接，该装置插入土壤的钻孔中，多孔瓷头与土壤

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1.2.3 中子仪法

中子仪主要包括探头和计数器两部分。中子仪的探头由一个压缩的放射源和检测器构成，可以在土壤中预先埋设的管中移动到不同的土壤深度，如图1-1所示。图1-1 中子

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1.2.4 FD法

荷兰Wageningen农业大学学者Hilhorst通过大量的研究，在1992年提出了频域分解（Frequency domain Decomposition，F

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1.2.5 TDR法

TDR法是Feidegg等人在1969年关于多种液体介电特性的研究的基础上发展起来的。Topp和Davis于1975年首次将其用于土壤水分测量的研究。TDR土壤

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1.3 TDR及其在土壤水分测量中的应用

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1.3.1 TDR技术研究现状

TDR技术早期主要作为有线电缆故障检测的工具，它通过将发射阶跃波形与反射回波波形同时显示，判断线路故障的性质及故障点的位置。在实际应用中发现，电磁波沿电缆的传播

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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

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1.3.3 TDR仪器研制进展

在采用TDR仪器进行土壤特性研究的初期，有很长一段时间，TDR仪器的使用主要集中在美国Tekronix公司的电缆测试仪1502B和1502C上。该类产品的主要特

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第2章 TDR土壤水分测量技术的理论基础

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2.1 麦克斯韦方程

大多数土壤水分和电导率的介电测量方法都是基于电磁场与介质的交互作用机制而提出的。电磁场对介质的作用包括介质的电极化和磁化。介质的电极化、磁化及其导电性又反过来影

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2.2 电介质的极化与土壤表观介电常数

导体（如金属、电解质溶液）中含有大量能运动的电荷，在电场作用下，它们将沿电场力的方向做定向运动，形成传导电流，这些电荷称为自由电荷。在电介质中，原子、分子或者离

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2.2.1 电介质的介电常数

由于极化作用，电介质表面形成了符号相反的感应电荷。此感应的束缚电荷在介质内将形成一个与外电场方向相反的电场，使外电场受到削弱。显然，介质的极化能力越强，其形成的

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2.2.2 介质极化的不同微观机制

电介质的极化现象，归根结底是电介质中的微观荷电粒子在电场的作用下，其电荷分布发生变化而导致的一种宏观统计平均效应。按照微观机制，可归纳为以下几种基本形式：电子位

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2.2.3 交变电场下的介质极化

通过对介质极化类型的分析可知，不同的极化形式，其极化建立的时间是各不相同的。由于电子位移极化建立的时间极短，可以与可见光的变化周期相比拟，因此在远低于光频的无线

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2.3 土壤介电特性

土壤的宏观电磁特性可用三个基本参数来描述：介电常数ε、磁导率μ和直流电导率σ。在固定的电磁场条件下土壤电磁特性与频率的关系可用复数介电常数和复数磁导率来表示：

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2.3.1 土壤磁导率

根据物质磁导率的大小可将其分为3类：顺磁材料、逆磁材料和导磁材料，部分常见物质的磁导率大小见表2-2。一般农业土壤的主要成分中不含有导磁材料，所以从电磁波传播的

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2.3.2 土壤电导率

在电导率为σ的介质中，传导电流密度与电场强度的关系为计算电导率的麦克斯韦方程[式（2-1）]为与式（2-12）比较，可定义等效复介电常数为与土壤中的

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2.3.3 土壤介电常数

在低频（小于1MHz）电场作用下，土壤的介电特性由固相成分和液相成分以及它们之间的交互影响过程决定，这时等效虚介电常数κ″eff主要由传导损耗即σ决定。当外电场

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2.4 土壤水分探头的电参量模型

TDR土壤水分探针插入土壤中，阶跃测试信号以电磁波的形式沿探针传播，信号电压电流之间的关系以及电磁波传播的速度不仅与探针的结构有关，还很大程度上取决于土壤介电常

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1.双平行探针的集总元件电路模型

传输线理论和电路理论之间的关键差别是尺寸。电路分析假定网络的物理尺度比电波长小的多，而传输线的尺度则可能为一个波长的几分之一或者几个波长。因此传输线是分布参量网

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2.传输线上的波传播

式（2-41）和（2-42）可以联立求解得到关于V（z）和I（z）的波方程：其中 γ为复传播常数，它是频率的函数。式（2-43）和（2-44）的行波解可

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3.无耗传输线

一般传输线的上述解包含了损耗的影响，而且我们看到其传播参数和特征阻抗都是复数。然而在很多实际情形中，传输线的损耗还是很小的，因而可以忽略，这使上述结果得以简化。

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2.5 波在探针上的传播和反射

如图2-3所示为一个端接任意负载阻抗ZL的无耗传输线，以此为例说明TDR探针末端的波反射。图2-3 端接负载的传输线电路示意图假定有形式为V0+e-jβz

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第3章基于相位检测原理的P-TDR系统

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《土壤水分测量技术与墒情监测系统研究》简介

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