第二章 文獻回顧
2.3 TDR含砂濃度量測技術及其發展演繹
2.3.2 TDR泥砂濃度感測器設計回顧
張育嘉(2006) 為提昇介電度量測精度，藉由系統參數與介電度 理論量測靈敏度之關係來區分影響因素，系統參數包括感測器幾何參 數及傳輸延長線之電阻，感測器幾何參數包括感測器長度(L)及幾何 阻抗(Zp)，而量測靈敏度則是單位元物理變化量所造成之量測量變 化，亦即量測量對於物理量的偏微分。由於視介電常數(εa)之計算來 自於電磁波於感測器內走時分析而得，因此將視介電常數之量測靈敏 度 Ska 定 義 為 電 磁 波 走 時 對 其 視 介 電 常 數 之 微 分 ， 由 於 走 時
c L
TR =2 εa / ，將此結果帶入上述視介電常數靈敏度參數中可得下列
式子
(2) 絕緣或未絕緣(coating or uncoating)：
導電度與介電度分別控制反射訊號之衰減與走時，當介電度維持
感測器受量測物體導電度影響程度顯著。Cereti et al.(2003)曾嘗試以 TDR 短路方式提昇介電度量測之準確性，另外 Lin and Tang (2005) 也 利用短路方式進行TDR 伸張計感測器研發。
張育嘉(2006)利用此感測器配合參考線分析方法進行含砂濃度室 內實驗，量測到的最大誤差為14825 ppm，其分析方法將於下小節詳 述之。
由於感測器量測準確度與感測器型式與探針有關，鐘志忠(2008) 針對感測器外部型式與探針部分進行數值模擬及討論，所使用軟體為 Ansoft HFSS® 電磁場有限元素分析軟體，以有限元素數值模擬方 式，藉以分析不同探針形式之感測器其 3D電磁場分佈情形。Ansoft HFSS® 電磁場有限元素分析軟體其操作介面如同圖
2. 23所示，藉由
元件構成方式，可針對研究需求進行感測器模型建置。圖2. 24則為
感測器探頭部分元件組合模型示意，藉由模型建立與邊界設定，便可 進行3D電磁場模擬動作。圖 2. 25以及圖 2. 26分別為兩根探針形式以
及三根探針形式感測器，模擬於探頭部分進入水中之電磁場能量分佈結果。圖
2. 25右方模擬感測器探頭部分若無金屬外罩，由於兩根探
針形式為非對稱結構，則會因邊緣效應造成電磁場外洩，反之加上金 屬外罩，則可隔絕洩漏電磁場(圖 2. 25左) ；三根探針形式屬於對稱 結構，探頭部分電磁場外洩效應較低(圖 2. 26左)，但加上金屬外罩效
果較佳(圖 2. 26右)。於探針形式比較方面，雖然兩根探針形式雖然量 測範圍較廣，但三根探針形式之電磁場量測分佈集中於探針部分，可 降低天線效應所產生之干擾，提高走時量測之穩定性。透過感測器長 度補償，增加量測範圍，以及泥砂濃度環境較於土壤含水量量測環境 均勻，三根探針形式加金屬遮罩可能提供一較好的泥砂感測器參考。
Open-uncoating Short-uncoating Open-coating Short-coating
L
Open-uncoating Short-uncoating Open-coating Short-coating
L
圖2. 22 TDR 感測器形式 （張育嘉，2006)
圖2. 23Ansoft HFSS® 電磁場有限元素分析軟體其操作介面
圖2. 24 Ansoft HFSS®感測器探頭部分元件組合模型示意
圖 2. 25 30cm 兩根探針型式感測器電場分析模擬結果(左)感測器探頭 加上金屬遮罩(右)未加上金屬遮罩（鐘志忠，2008）
圖 2. 26 30cm 三根探針型式感測器電場分析模擬結果(左)感測器探頭 加上金屬遮罩(右)未加上金屬遮罩（鐘志忠，2008）