基于TDR的多参数耕地污染测量仪研究

摘要：以电磁波时域反射（TDR）为理论基础，对已有的地质体参数原位检测仪进行升级改造，使其更加适用于耕地土壤环境，研究基于TDR理论的多参数测试仪，着重阐述了复合式探头的研制、仪器前端机的开发、高速数据采集与处理模块以及数据通信模块的设计与实现，从而对污染耕地的水、热、电及基础化学参数进行测量，为准确地评估耕地的污染情况打下基础。

关键词：耕地污染；电阻率检测；测量仪

中图分类号：S237 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）10-2652-04

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.10.051

Abstract：Using advanced design concept， achieved a number of new technological breakthroughs， developed more parameters in situ monitoring and data transmission system with the advanced level. On this basis， combining with the characteristics of multiple factors joint action in soil pollution evaluation， constructed soil information fusion model. Measuring the polluted soil property data， applied data fusion algorithm to the specific processing， thus extracted the valuable soil pollution index in a large number of discrete data.

Key words：cultivated land pollution； resistivity testing； measuring instrument

随着中国经济的发展，尤其是重工业的发展，使得环境所受到的影响持续加剧，而几乎所有的污染成分最终会返回至土壤里，农业耕地污染是当前十分严峻的问题。由于受环境元素的复杂性、变异性及元素间相互作用、相互制约等诸多因素的影响，对耕地污染的界定和污染程度的评估存在定性和定量等方面的困难，使得对污染耕地的治理缺乏可靠的科学依据[1，2]。通过相对简易的方法对污染耕地的范围以及污染程度进行确定与评估，是当前的研究热点。近年来，研究者通过引入土壤电阻率法，对土体的污染范围和扩散规律进行检测和推定，并取得一些成果[3，4]。土壤电阻率是多因素综合作用的复杂过程，单独考量电阻率来评估耕地的污染是不科学的，必须综合考虑土壤的各类参数。冯苍旭[5]提出了地质体多参数原位自动监测的测量方法，陈伟[6]以TDR理论为依据研制了土壤多参数联合监测仪器。测量得到的数据可以通过融合技术，分析各参数之间的关联性，更加准确地评估污染区的污染情况[7]。本研究在此基础上，引入电磁波时域反射理论，对现有的地质体参数原位检测仪进行改进和优化，使其更加适用于耕地土壤环境的特点，实现对污染耕地的水、热、电参数准确简便测量，从而为下一步数据融合及污染评估打下基础。

1 测量原理分析

耕地污染相关的参数有许多种，其中较为主要的包括：①耕地土壤的水属性，相关的参数由土壤中的水微流速、含水率等；②耕地土壤的热属性，相关参数为土壤温度和热导率；③耕地土壤的电属性，主要参数即为土壤的电阻率。已经证实以上的所有属性均能够体现出耕地污染的分布情况与严重程度[6]。在耕地污染评估时，如果仅仅以电阻率对耕地受污染程度和范围进行评估，其准确率尚显不足。对耕地土壤样本的多个参数（水属性、热属性、电属性）进行综合评价，并分析诸多参数互相的影响与联系，进而形成基于多参数融合的耕地污染评估模型。

TDR（电磁波时域反射理论）发射源所发出的电磁脉冲传输至土壤里并继续向前传播，而传播的过程所反馈的一些数值可以较为精确地体现出土壤的电阻率。耕地土壤均拥有特定的电阻率，这是其独特的性质，而电阻率的具体数值则与其内部的多个因素相关。基于TDR原理的采集卡捕捉并分析处理反射波，最终得到测量对象的电阻率，并将该值存储至存储单元中。温感单元能够准确获取测量目标的土温数据，将该值视为测量目标的实时温度。污染耕地热导率的测量是通过获取热脉冲发出并持续一定时间的温度数据，计算温度参数相对于时间参数的线性回归，最终获取测量的热导率数据，结合含水率与热导率的关系获取含水率数据。在已经获取了污染耕地热导率与含水率的前提下，通过测量探针之间的温度差就能最终获取污染耕地的微流速数据[5]。

2 仪器结构与工作流程

测量仪应能够对土壤以下主要参数进行测量，包括有：土壤含水的微流速、含水率、实时温度、热导率、电阻率。监测仪器主要由电源、信号源、信号接收装置、模拟数字转换装置以及存储和控制设备等电路共同构成，其中信号源产生测量土壤参数所需的脉冲波。信号接收装置不但含有反射波的接受器件，也含有温度数据和时间的检测器件。为了减少系统功耗和增强使用灵活性，通过8052单片机来实现测量、模数转换以及自控，从而使系统的体积尽可能降低，增强其易用性。存储和控制装置则含有定时功能与测量功能，借助DS12887实现系统的定时功能，具体的测量与控制通过中央处理单元加外部控制模块共同构成。前端设备以232接口和外部电脑终端进行通信，同时也支持以GPRS无线传输的方式进行数据传递。图1为其组成结构。

前端机把从测量目标中获取的具体信息存储进RAM中，同时在定时芯片中写入下1个数据获取的时间点，结合程序中的相关事件与参数触发监测的具体流程。该功能涵盖了测量脉冲的产生以及各类参数的测量，因此其作用十分关键。图2所示为其具体的工作流程。

3 关键部件的设计与实现

3.1 复合式探头的研制

3.1.1 热脉冲传感器 基于物理学的热传导理论，复合式探头由3根探针构成[5，6]。其中，位置在中央的探针充当脉冲发生单元，而两侧的探针配置了温度传感单元，能够实时获取被侧目标的温度与温差数据。在具体的实现中，以不锈钢管作为探针的组成材料。在探针之内设置加热丝以及温感单元，这些部件都会影响到探针的直径尺寸。而其直径直接与其长度相关，因此对于探针的要求是其长度与直径的比值必须超过30。探针的内径与外径分别为2.5和3.5 mm，管壁厚0.5 mm。

热脉冲传感器在测量中需要完成：热脉冲的产生、温度及温差值的获取等，因此温感单元是必要的部件之一。本研究选取基于PN的温感单元，优点是输出信号的强度与灵敏度均比较好。为了保证测量精度，在温感单元的设计上，除正向电压外，还增设了10 μA正向恒流。

3.1.2 TDR探头的设计与实现 探头使用的是标准同轴电缆。同轴电缆的作用首先是进行信号的传导，其次是作为探头。同轴电缆的最中央部分是金属芯线作为正极；第二层至第四层依次为介电体、屏蔽层、保护层，其中将屏蔽层作为负极。因为是对耕地的电阻率进行测量，所以利用同轴电缆的正负极作为探针。考虑到测量仪的探针与TDR探针无论是构成还是材料均比较接近，将二者组合成复合式探头。时域反射理论所研发的探针专门测量耕地中的反射波，假若其探针的长度不足，就不能够在电磁波时间差的测量上达到所需的精度；但是如果探针长度过大，又会因为电阻率效应而导致信号大幅衰减。综合考虑后，图3所示为最终确定的探头结构。

由图3可知，探头上的探针是3个不锈钢器件构成的，探头探针的内径与外径分别为3.5和2.5 mm，管壁厚0.5 mm。其中，位居中央的探针和同轴电缆正极相互连接，其余的则和其负极连接。

3.2 仪器前端机的开发

仪器前端机由6个单元构成：电源供给单元、晶振时钟单元、中央处理单元、数据采集单元、控制单元、通信单元。在实际测量中，需要获取4个参量值，所有的数据共用采集单元，单元的采集速度较慢，优势是精度能够达到较高的值，中央处理单元选用8052单片机。该单元内置了模数转换等功能，系统的性能和集成度均较优异。基于8052单片机的中央处理单元而开发的热脉冲采集单元如图4所示。

3.2.1 热脉冲测量单元 主要测量目标的实时温度、温差以及时间，其中通过内置的定时单元进行时间的测量。具体的实现是基于8052单片机，通过其多路控制寄存单元的选择，对信号放大倍数进行控制，如果放大倍率是32，则测量温度参量值；放大倍率是128，则测量温差值。

3.2.2 热脉冲控制单元 该单元的核心是8052单片机，文献[5]所开发的系统采用了MSC1210单片机，考虑到MSC1210管脚的名称和功能与传统的8052单片机是一样的，但MSC1210添加了一些管脚用来支持其特定的功能，而该系统目前不涉及这些功能，出于成本原因，最终选取了8052单片机。单元的主要组成部分是定时单元、通信单元以及热脉冲发生器。图5所示为热脉冲控制模块的流程。

其中，利用DS12887时钟芯片实现定时电路，该芯片内部自带晶体振荡器及锂电池，除具有时钟功能外，它还具有114字节的通用RAM，并与广泛应用的DS1287、MC146818B脚对脚兼容。在振荡器的选择上，最终选用了工作频率为12 MHz，如果振荡器出现微弱的误差，则以软件调节的方式（数字微调单元）对振荡单元进行调整，通过这样的调整可以在一定程度上避免因为芯片电阻存在的离散性而导致仪器的精度受到较大的影响。

3.2.3 TDR高速数据采集与处理模块 在基于时域反射原理的测试进程里，只有控制发射源的上升斜率足够大，才能更加准确地获取接收信号，必须保证发射信号能够在短时间内上升至一个较高的值，所以发射脉冲前沿应该比较陡峭。在研制脉冲发生单元的时候，全部采取了快速器件，用以实现信号发射源。经过比较，在发射信号单元里，采用的是UC3845振荡芯片，结合设备的需求，与文献[5]所开发的系统相比，该芯片降低了启动电流，提高了最大工作频率，完全满足需求。因为在发射测试脉冲的时候，能够提供能量，这样可以激励出比较理想的时域反射信号，所以应该提升测试信号的激励水平。在该器件的设计里，引入的是并联模式，选用了四路信号进行并联处理，因此由于并联的效果，输出脉冲驱动力为单路的4倍，从而显著增加了器件的承载力。

基于时域反射原理的测试对采样元件的高频参数要求比较高，器件的反射单元所拥有的输入阻抗必须与探头和信号源实现匹配。

在实地测量时，应该尽力提升模数转换单元对被测目标进行采样的频度，从而能够准确获取时域反射信号，本研究引入的是等效采样模式，虽然被测数据属于不一样的周期，但是对这些数据重新组合后，就能够得到和时域反射信号等效的信息，从而实现对电阻率的测量。根据数据总线传输的原理，把采样单元中所采集到的信息输入至中央处理单元，调用相关的模块实施数据的采集和处理。图6所示为具体原理。

该仪器采取的是等效采样的方法，这也是实现电阻率测量的核心技术之一。在实时采样的过程中，以相同的时间间隔进行采样。

3.2.4 TDR高速数据采集与处理模块 设置的数据通信模式支持2类情况：第一类情况是系统与电脑直连的方式进行信息交互，文献[6]采用了MAX3221芯片实现电平的转换，如果不外接电容，价格偏贵。因此，本研究选取了ICL232将RS232电平（D9接口）转换为TTL电平（单片机UART接口），其兼容性好，经济适用。第二类情况是以移动通信GPRS网进行通信，从而实现测量目标现场的信息通过无线网络传输至内中心站。

3.3 数据通信模块

采用GPRS远程数据传输机制来支持测量仪和远程信息中心站之间的连接，GPRS通信体制能够兼容多种网络，包括TCP/IP网络和X.25等。本研究最终选取了基于TCP/IP的协议来实现远程数据通信，图7所示为远程数据通信结构。

由图7可知，测量设备作为客户端，中心站则作为主机端。测量仪的信号在GPRS网络的支持下实现与中心站之间的通信。测量仪与中心站之间的信息交互具体流程为：在TCP的对象中设置两个对象，一是TcpListener，二是TcpClient，以上2个对象能够支持用户的信息以数据流的形式进行网络传输。所以，中心站端定义TcpListener，通过IP与端口号进行初始化操作，而客户端则定义TcpClient，以支持双方发送和接收数据。下面分别从中心站和客户端两方面阐述通信流程的实现。

中心站端通信流程：

1）构建TcpListener，在函数头文件中调用传输数据所需的线程函数。

2）以Socket函数的绑定功能将中心站的IP与传输数据所用端口号进行绑定，同时以listen函数监听数据通信。

3）以Accept函数来接收客户端连接请求信息，对请求信息进行响应，连接成功后创建用于数据发送的receive函数以及用于数据接收的send函数。

4）以fork函数存取来自客户端的数据信息，在此函数的支持下把数据信息存储到数据库。

5）在传输结束之后，以CloseListen函数关闭步骤（2）的监听函数。

客户端通信流程：

1）构建TcpClient，在函数头文件中调用传输数据所需的线程函数。

2）向服务端发出网络连接的请求信号，接收到中心站端的确认信号后创建socket，同时以connect函数进行中心站连接。

3）创建用于数据发送的receive函数以及用于数据接收的send函数。

4）在传输结束之后，以CloseClient函数关闭Socket。

4 小结

本研究对已有的地质体参数原位检测仪进行升级改造，以固体的热传导方程和电磁波时域反射理论（TDR）为理论基础，设计的仪器可对污染耕地的含水率、孔隙率、温度、热导率、电阻率参数进行现场原位高精度测量。本研究所设计的测量仪获取的各类土壤参数数据，在经过数据融合处理之后，能够对耕地的污染情况进行评估，因此具有较好的应用前景。

参考文献：

[1] MULHARE M J，THERRIEN P J. Comparison of field and laboratory methods for the characterization of contaminated soils[A]. Geotech Spec Publ.n 46/1 1995 Proceedings of the Specialty Conference on Geotechnical Practice in Waste Disposal. Part 1（of 2）[C].New Orleans， USA：Geoenvironment，2014.16-27.

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[3] 傅世法，赵玉林.污染土地基岩土工程勘察实例[J].勘察科学技术，2011（6）：22-28.

[4] 徐永利，王雪莉.宝鸡某场地污染土的分析评价[J].陕西地质，1996（2）：99-104.

[5] 冯苍旭.地质体多参数原位自动监测与数据传输系统研究[D].北京：中国地质大学（北京），2010.

[6] 陈 伟.TDR探头设计及含水量和干密度的联合监测技术[D].杭州：浙江大学，2013.

[7] 谭振江.多传感器光测系统数据融合技术的应用研究[D].北京：中国科学院，2013.