TDR技术测量介电常数

TDR技术测量介电常数

介电常数又称电容率或相对电容率，表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据，常用ε表示。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数（permittivity），又称诱电率，与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。

在工业上，利用介电常数原理的介电材料是电的绝缘材料，主要用于制造电容器。还有纸质介电材料，塑料薄膜介电材料，陶瓷质介电材料，CCTO材料等。这些都是是电子、电力工业中常用的元器件，用途十分广泛。

目前测量介电常数的方法主要有集中电路法、传输线法、谐振法、自由空间波法等等。其中，传输线法、集中电路法、谐振法等属于实验室测量方法，测量通常是在实验室中进行，要求具有相应的样品采集技术。另外对于已知介电常数材料发泡后的介电常数通常用经验公式得到的。

这些介电常数的测量技术已经被应用于生产生活的各个方面，但是其对测试材料种类以及介电常数和损耗的数值范围有明确规定，使得各种标准能够应用的范围不是很广泛。而就测量方法而言，几种主要的测量方法各有利弊。集中电路法适用于低频情况。传输线法频率覆盖范围较广，适用于介电常数较大的材料，其多数方法对于高损和薄膜等材料不太适用，方法简单准确。谐振法只能在有限频率点下进行测量，适用于低损材料，方法简单准确、单模性好。自由空间法准确性相对较差，但是可以实现实地测量。六端口网络法精度高，六端口网络造价低廉，频率覆盖范围广，更适用于以后多种多样的测量情况的需要，但是没有具体的标准可以参考。

在农业及水土保持研究领域里，土壤水分是土壤的重要组成部分。现在普遍使用TDR时域反射法进行测量，测量土壤水分的同时还可以在野外直接测量介电常数。

TRIME系列土壤水分测量系统基于TDR（Time domain Reflectometry with Intelligent MicroElements）时域反射技术。用以直接测量土壤或其他介质的介电常数，介电常数又与土壤水分含量的多少有密切关系，土壤含水量即可通过模拟电压输出被读数系统计算并显示出来。测量时，金属波导体被用来传输TDR信号，TRIME工作时产生一个1GHz的高频电磁波，电磁波沿着波导体传输，并在探头周围产生一个电磁场。信号传输到波导体的末端后又反射回发射源。传输时间在10ps-2ns间。IMKO发明了这种专利测量技术，使得仪器可以检测到小至3ps的时间信号。建立了时间采样的方法。从而使得土壤水分的测量变得更为准确和方便。也成为了高精度测量介电常数的一种新方法。

TRIME采用的TDR技术与微波测量水分的技术如上图所示，两者都通过测量被测物的介电常数测量含水量。图中蓝线代表介电常数的实部（含水量），红线代表介电常数虚部（干扰信号），TRIME-TDR采用的电磁波频率是600MHz - 1GHz，此时介电常数的实部最大，虚部也就是干扰因素最小，微波技术采用的频率是介电常数下降最大、虚部升高时的阶段，这也就从原理上说明了TRIME的测量精度要远高于微波技术，是最理想的测量手段。

TRIME系列的各产品均可以选择4号标准曲线进行介电常数的测量，使用起来也非常方便。

TRIME-PICO64土壤水分传感器的校正曲线，可测介电常数

TRIME-PICO32土壤水分传感器的校正曲线，可测介电常数

TRIME系统内置的标准曲线，其中4号曲线用于测量介电常数

   下图是TRIME表层及剖面土壤水分测量系统。可方便、快速地测量土壤表层含水量及深层土壤含水量及介电常数。最深可达3米剖面数据的测量。更深层的测量也可以进行定制。传感器可以和读数表联合使用直接读取数据，也可以通过蓝牙和手机通讯一起使用。

TRIME表层及剖面土壤水分测量系统

    下图是PICO-Profile土壤水分廓线监测系统。系统主要传感器为T3PN44土壤水分传感器，采用TDR时域反射原理，可连续无损的测定土壤含水量，介电常数等参数，专为土壤不同层次的长期固定测量而设计。多种安装方式（水平安装或垂直安装）。数据可以实时传至ENVIdata 数据管理平台，方便用户可以随时监控野外站点系统的运行情况以及对数据的监控。

ICO-Profile土壤水分廓线监测系统

    综上所述，TRIME系列产品可以在快速，原位，精准的测量土壤水分含量的同时，测量介电常数，使用也非常方便。已经成为新一代介电常数测量最精准的方法之一。