基于频率步进原理的TDR在土体含水量和电导率测试应用的研究

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土体的体积含水量和电导率在工程实际中是十分重要的物理参数。时域反射技术(TDR)可高精度地测定土体的体积含水量和电导率,在工程中应用较为普及。但是目前TDR测试设备均是从国外进口,核心延迟线技术仍然被国外封锁。本文与天津特利普尔科技有限公司合作开展了基于频率步进原理的国产新型TDR技术研究,利用该TDR进行了土体含水量和电导率测试试验,对比分析了测试结果的准确性。主要成果如下:介绍基于频率步进原理的新型TDR测试系统。其原理为信号源发射2048组电磁波激励信号,信号起始频率为1MHz终止频率为1.8GHz,其频率均匀步进上升。扫频响应测量,采用离散傅里叶逆变换的方式将频域信号转化成时域信号时域信号,根据时域信号获得电磁波所经过介质的介电信息。结果表明:新型TDR测试系统可以输出高精度的信号处理结果,而且可以实现对信号源的控制。土体含水量和电导率可以采用新型TDR测试系统进行测量。提出探针阻抗转换器测试盲点的概念,深化探针局部设计。基于信号的稳定性以及可操作性,对比了不同构造、材料和尺寸的探针构造,以及不同阻抗的阻抗转换器的信号精度。结果表明:三针式探针可以保证信号的稳定,适合现场操作;探针采用不锈钢材料,阻抗转换器采用聚四氟乙烯,更符合经济性原则;探针长度为20cm,可使含水量测试误差控制在1%之内;探针直径d=0.4cm,间距s=2.5cm可使电场能量均匀分布,避免趋肤效应;阻抗转换器的阻抗为30Ω时,可以避免工程实际中所有含水量的土体出现测试盲点。验证新型TDR测试介质介电常数和体积含水量的准确度和稳定性。设置空气、水和土体的多组试验,研究新型TDR测试介电常数的可行性;对比新型TDR与现有其他测试系统测试结果,研究新型TDR的稳定性。结果表明:新型TDR不仅测试介电常数和体积含水量结果准确,绝对误差可控制在2%以下,而且与其他测试系统相比,新型TDR测试介电常数结果稳定,与理论值更一致。提出新型TDR测试介质电导率计算模型并修正。设置液体的多组试验,参照电导率仪结果修正液体的电导率计算模型。设置土的多组试验,参照LCR数字电桥结果修正不同土体的电导率模型。结果表明:新型TDR测试介质电导率精确度很高,其中液体电导率误差控制在3%以下,土体电导率误差控制在5%以下。
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