摘 要 TDR是一种对反射波进行分析的遥控测量技术，在遥控位置掌握被测量物件的状况。TDR时域反射技术是测量传输线特性阻抗的主要工具。基于此，选用时域反射（TDR）技术测量土壤水分，设计了TDR土壤水分测量系统，通过测试分析证明本设计能够实时监测水分数据，整体工作状况高速时效无故障。
关键词 TDR；土壤水分；检测数据
中图分类号：TP2 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.11.098
1 TDR土壤水分测量系统设计
TDR土壤水分传感器分为主体和探测单元两个主要部分，其中相位比较器组成、射频信号发生器、三端口环形器、射频信号分路器、同轴电缆、相位比较器组成）构成了TDR土壤传感器的主体部分[1]。
信号发生器通过有源晶振（100 Hz）来发出一个单一频率的正弦电压信号；射与信号发生器相连的频道信号分配器该正弦电压信号分成2个；环形器共分为3个端口，分别与相位比较器、信号分配器、探测单元相连。
相位比较器和信号发生器的另一端通过电缆延迟连接，接收信号发生器的信号，与环形器相连一端接收被探测单元的返回信号，并比较发送信号和返回来信号两者的相位，并将差值转换为可以测量的直流电压信号。环形器与探测单元部分相连，用于接收信号与分离信号；探测单元通过同轴电缆与环形器相连，利用环形器传送的电压信号当成一个参考的信号[2]。
1.1 TDR土壤水分传感器电路设计
TDR土壤水分传感器电路主要包括7部分，分别是电源、信号源、信号分配器、环形器、同轴电缆、相位比较器等。
射频信号源采用的是一个频率为100 MHz高频正弦电压信号源，射频信号源通过发出正弦电压信号，来为整个系统提供持续稳定的可测信号。
射频信号分路器的主要作用是将信号源发出的信号分成两个不同的传输路径，这两个传输路径分别是将信号发送到环形器中，通过延时电缆将正弦电压信号发送到相位比较器中。
环形器是具有很多端口的器件，其组成材料为微波铁氧体，信号在环形器里的传输特点为单向传输。当电压信号通过信号分配器后，需要利用环形器来分离发送的入射信号和经过探测单元反射回来的信号。本课题采用三端口环形器。
环形器的两边，一边是通过检测单元被反射回来的信号，另一边是由延时电缆传输过来的原始信号，两种信号分别于相位差检测器的输入端相衔接，最终测得对应的电压值，运用电压值来表明土壤的含水量。在相位测量时，本课题使用的ADI公司的AD8302芯片是第一款可以使用在RF/IF幅值以及相位检测单一的集成化芯片，可以检测两个信号间的相位以及幅值频率能够达到2.7 GHz。它特点是需要的外部元件少，对于相位测量、幅值测量是一个完整包含接受、传输、程序的完全集成。AD8302包含一对密集匹配的解调对数放大器，每一个都有着60 dB的检测范围，透过收集他们的输出差值，检测两个输入信号间的幅值比或者增益是能够使用的，其工作原理如图1所示。
1.2 TDR土壤水分传感器探测单元设计
TDR探头包含平板式、两针式、三针式以及多针式等，种类繁多。结合不同探头的特點，四针式探头是各类探头中具有比较突出的优点。对土的抗干扰性能较好，更接近于同轴电缆的结构。检测信号信噪比高，检测信号易于分析。为此，本实验选用了四针探针。
1.3 TDR土壤水分传感器信号处理
原始信号和通过检测单元反射信号通过AD8302的传输，并最终检测到的模拟信号转换为数字信号，由单片机ATmega8L完成。土壤水分传感器的信号通过信号中获得，模拟信号的变化电路的数字信号由将ATmega8L单片机AD（如图2所示）来完成，把土壤含水量的模拟信号转变成数字信号信息。
1.4 TDR土壤水分无线组网传输
TDR土壤水分传感器信号传输有许多选取的方法，整体上包含有线传输方式以及无线传送方法两大类。本文选用ZigBee技术对TDR土壤水分传感进行信号的传输。基于TDR技术的土壤水分信号传输基本原理如图3所示。
实时采集的土壤水分测试数据通过MCU数字化处理后传输到Zigbee模块。Zigbee模块接收数据后再通过发送端将数据通过RS232串口协议传输到PC机。本文选用星型无线网络拓扑结构并配置其初始条件。
2 TDR土壤水分测量系统测试与分析
2.1 水分标定测试
采用烘干法对土壤水分进行标定，并通过数据进行拟合。
Y=18.591X 3-38.2437X 2+36.2991X-1.2353 （1）
式（1）中，X、Y分别表示电压值与含水量。
选取多组2小时测量数据，并将其标定值与测试值进行比较，经过式（1）拟合后的结果分别如表1、图4所示。
由此可知，测试数据很好地拟合在拟合曲线附近，平均误差小于3%，符合预期设计期望值。
2.2 无线组网Zigbee传输测试
1个Zigbee接收端与2个Zigbee发送端组成星型无线网络结构。MCU将实测模拟信号通过模数转换后发送到Zigbee模块，Zigbee模块通过RS232串口协议将数据信息通过发送端发送到上位机，并在上位机显示器实时显示测试数据。
经过多次实验，本文设计的TDR土壤水分测量系统能够实时监测水分数据，并快速传输到上位机，整体工作状况高速时效无故障。
3 结语
深入探讨了TDR传感的基本原理和在土壤中的传感原理，设计了TDR土壤水分测量系统。通过测试分析证明本设计能够实时监测水分数据，整体工作状况高速时效无故障。将来，重点研究怎样优化数据的传送方法，减小传送的信息量，提升传输信息的准确性以及达成云数据共享。
参考文献：
[1]姜明梁，方嫦青，马道坤.基于TDR的土壤水分传感器设计与试验[J].农机化研究，2017（8）：147-153.
[2]陆明，刘惠斌，王晨光，等.新型TDR土壤水分测定仪SOILTOP-200的开发及应用[J].水利化信息，2017（2）：31-37.
（责任编辑：刘昀）