SFCW-TDR土壤水分监测技术

任务来源：

技术领域：水土保持

技术来源：该项自主研发的SFCW-TDR技术，具有独立知识产权，目前已形成系列化的土壤水分监测设备。

技术原理

TDR原理应用于土壤水分的监测是基于电磁学中介电常数的理论，具有能量的电磁脉冲信号沿着同轴线或平行线传播，传播速度v依赖于与波导传输线相接触和包围着的介质材料的表观介电常数Ka：Ka=（c/v）2（c为光速）。每种物质有着其固有的介电常数，组成土壤的成分主要有空气、矿物质、有机颗粒以及土壤吸入的水分等。由于水的介电常数为80，远大于其他空气（1）与矿物质、有机颗粒（2～4）等介电常数，因此，当带有能量的微波脉冲沿着埋在土壤中的传输线传播时，其传播速度主要由土壤中水分含量所决定。这一经验估算公式建立了土壤体积含水率与介电常数的关系，这也使得利用TDR技术实现土壤中水分含量测定的核心主要在于对土壤中电磁波传输时间的测量。步进频率连续波体制时域反射（SFCW-TDR）技术，沿用TDR原理，在国际上首次采用步进频率连续波，通过数字化的时域频域转换技术，实现对电磁波传输时间的精确测量。

技术特色

（1）通用性强，对于大多数不同类型土壤，可使用仪器提供的预埋公式进行测量，无须进行提前率定。（2）精度高，SFCW-TDR土壤水分监测仪器的分辨率高达12ps（10～12s），且采用的窄带带通模式有效地抑制接收信号中的噪音，进而提高了接收机的灵敏度。（3）适用性广，提高了对盐碱地、过度施用化肥以及岩土工程中的化学加固土等高电导率土壤的适用范围。（4）数字化信息丰富，能为高端有需求客户提供在不同频率下所测土壤的大量时域、频域信息特征。

技术指标

（1）测量量程：0～60%体积含水率；0～40%质量含水率。（2）测量精度：田间可耕作土壤误差低于±2%。（3）测量原理：时域反射法（TDR）。（4）操作温度：-10～+55℃。（5）测量方式：频域频率步进体系。（6）存储温度：-45～+85℃。

应用范围及前景

适用于田间及实验室土壤水分的各项检测，实验室标准土样制备的仪器检测方法，墒情监测点检测及率定的工具，在旱情（墒情）监测、水土保持监测、岩土工程以及科研等领域得到广泛应用。已推广应用工程实例4个，推广应用（销售）38套，该技术产品已推广应用于山东省、陕西省、甘肃省、辽宁省、河南省、吉林省、天津市等全国各地，基于SFCW-TDR土壤水分监测技术的土壤墒情监测设备在土壤墒情监测领域有着重点推广的价值。典型应用案例：案例1：2018年11月，吉林省墒情监测中心应用SOILTOP-200土壤水分测定仪14台，在未经率定的前提下，准确测量土壤体积含水率，设备自安装至今，运行良好，满足测量要求。案例2：2017年11月，辽宁省朝阳水文局采购SOILTOP-200土壤水分测定仪9套，用于当地5处墒情站的监测，测量同时进行人工法比测，绝对误差均在±2%以内，完全满足当地实际的测量需求。在2018年、2019年，辽宁省朝阳水文局采购7套“在线式”SOILTOP-300土壤墒情智能监测仪，实现了朝阳市水文站实际冻土的监测情况。案例3：2019年7月，辽宁省锦州水文局采购SOILTOP-300土壤墒情智能监测仪用于当地墒情站的墒情监测，每个墒情点设置不同深度10cm、20cm、40cm监测点，实现了水文站墒情监测数据的精准测量。案例4：2018年8月，黄河水土保持西峰治理监督局购SOILTOP-200土壤水分测定仪2台。埋设固定监测点33个，选用移动便携式监测设备，每隔10d对监测点5个不同土层进行常规测量，监测结果在未经率定的前提下，均满足各墒情监测站点的精度要求，实现了当地“固定监测点-移动式测量”的监测方案。

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