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为什么时域反射技术(TDR)测量土壤水分可以不需要“率定”?

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答:真正的时域反射法技术测量土壤水分,所依据的相对介电常数的实部以及实现测量的方法受电导率的影响较小!!!


1.      时域反射法原理

    时域反射法(Time Domain Reflectometry ,TDR)技术测量土壤水分与频域法不同,它是通过测定土壤的相对介电常数实部来实现测量,主要依赖于以下两个重要的物理学结论:

1.1       水的相对介电常数实部在一定频率范围内相对稳定

     相对介电常数的实部是描述物质对于电磁能量的存储能力和极化能力,不同频率的电磁场作用下会激发不同性质的极化,从而造成该物质介电常数实部的不同衰变,分别称为α衰变(空间极化)、β衰变(转向极化)、γ衰变(离子极化)及δ衰变(电子极化)。

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水的电磁极化介电频谱


      图1是电磁场作用于水的介电频谱图,可见当施加的电磁波频率在1MHz~2GHz的范围内,水处于分子的空间极化和转向极化之间,其介电常数实部相对稳定。

1.2  在高频电磁场的作用下,土壤相对介电常数的实部近似等于其表观介电常数

     电磁波在介质中传输满足下列公式:

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         式中v为电磁波在该介质中的传播速度,c为光速,k'为介质相对介电常数的实部,而tanδ={ε''+(σDC/ωε0)}/ε'被称为损耗因子,其中ω=2πf为角频率,f为电磁波的频率,σDC是介质的直流电导率,ε''是介质相对介电常数的虚部。

         土壤基本属于同向线性均匀媒质,其满足:ε''≪ε',且当电磁波的频率足够高时,有σDC/ωε0ε'≪1,因而:

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        通常对于介电材料,将Ka=(c/v)2 定义为它的表观介电常数。因此,所谓时域反射法原理可以描述为:在足够高频率的电磁场作用下,物质相对介电常数的实部近似等于其表观介电常数。


2.时域反射法测量土壤水分的工作原理

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2  TDR测量土壤水分原理图

      一个测量土壤水分的TDR系统如图2所示,信号发生器产生的一组高频电磁波信号沿同轴电缆传输至埋置于所测土壤中的探针(波导),由于阻抗的改变而产生反射,部分信号沿原途返回由信号采集器采集,往返行程时间为t0;其余信号继续前行,到达探针末端,其形成的开路产生全反射,反射信号回传至采集器被记录,往返行程时间为t1,由此可知:v=2L⁄∆t,从而Ka=((c∙∆t)/2L)2

       由此可见,时域反射技术测量土壤水分的关键在于对电磁波沿探针传输时间的精确测量。由于电磁波在真空中的传输速度为3×108米/秒,而探针的长度仅为数十厘米,因此对时间测量技术的要求极高,精度需要达到10-12秒(皮秒),也即千亿分之一秒,这也是时域反射技术实现的关键技术瓶颈。

3. 测量土壤水分可采用单一的预设公式

    由于时域反射技术测量依据的介电常数实部相对稳定,因而得以使用单一的公式。1980年,加拿大学者G.C.TOPP在大量实验数据的基础上,拟合得到描述体积含水率与表观介电常数之间关系的经验公式:

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      该公式被称为TOPP公式,是目前最有效也是应用最广泛的公式之一。我们经过大量的实验和野外实际应用对比证明,对于体积含水率低于40%,干容重1.2~1.6之间的耕作土地,TOPP公式能够满足测量绝对误差在±2%之间的测量精度要求。



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