鳳凰號火星探測器
整理/毅
審校/介東&楊全
2008年5月25日,美國NASA鳳凰號火星探測器成功登陸火星表面,利用一個機械勺臂采集火星表面的土壤樣品。在機械勺臂的關節處,裝備有一款由METER公司(原Decagon)研發的特制傳感器TECP,用于測量樣品的熱導率、熱擴散率、電導率以及樣品的關鍵參數——介電常數。因為介電常數可直接和樣品的水分含量建立聯系。

NASA鳳凰號火星探測器

火星探測器的機械采樣臂

特制傳感器TECP

NASA為什么要采用METER研發的電容式土壤水分含量傳感器呢?原因有很多,其中一個重要原因就是,和下文中提到的時域反射測量技術TDR對比來看,電容式測量技術在保證測量準確可靠的同時,功耗更低。

那這兩種技術究竟是如何實現測量的?下面,我們就來談談。

首先,明確一點,無論是電容式測量技術,還是時域反射測量技術TDR都是通過測量樣品的介電常數來推算樣品的體積含水量的。

電容式測量技術或稱FDR(Frequency Domain Reflectometry)

這種類型的傳感器由雙叉構成,如EC-5。測量時,雙叉傳感器插入待測土體,和待測土體構成一個電容,如下圖。

傳感器被施加一定的激發電壓Vf后,可將雙叉和其周圍的土體形成的電容初始電壓Vi,激發到V,從Vi到V所經歷的時間用t表示。

這幾者的關系如下:

(1)
其中,R是串聯電阻,C是電容。
如果串聯阻值R和等式左邊的電壓比率是常數,那電容的充電時間t就和只和電容C的大小有關。

(2)
那電容C由那些因素決定呢?

C和傳感器兩個叉子的面積A以及兩者之間的間距S有關,對于特定類型的傳感器來說,這兩個值都是常數。除此之外,C只和待測樣品的介電常數K有關。
 
(3)

把公式(3)帶入公式(2),就建立了電容的充電時間t和介電常數K之間的線性方程。

因此,當電容的充電時間t確定之后,就可推算出待測土壤介電常數K,進而得到樣品的體積含水量。                      

時域反射測量技術TDR(Time Domain Reflectometers)
通過發射一定頻率的電磁波,通常是500Mhz到1GHz,測量其沿著導線傳播所耗費的時間t,來確定土壤的介電常數K。

幾者的關系可用下面的公式表示,

其中,C是光速(3×108m/s),L是傳感器的長度,整理上述方程后,可得
 

為了精確測量,TDR傳感器的長度通常會比電容式的更長。因此,在插入土體時會相對困難,與土體的緊密接觸也就更不容易保障。從理論上講,TDR對土壤和環境條件的改變不敏感。但是,解釋TDR的測量結果并不容易,例如,如果土壤鹽分含量高,會衰弱其反射波形;溫度也會改變其測量端點(Endpoint)。

小結
目前,這兩種類型的測量技術都得到了廣泛認可。和時域反射測量技術TDR對比來看,電容式測量技術/FDR功耗更低,傳感器長度也更短(便于安裝)。兩種測量技術都依賴于傳感器和待測土體的充分接觸。因此,好的安裝方法是保證測定準確的關鍵。

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