土壤水分監測傳感器的分類與應用

　　土壤水分含量是表達旱情的最直接指標。國內外從20世紀中葉就開始進行土壤水分的監測，國內外一直都在進行各種測量方法的研究，目前主要採用烘乾稱重、張力計、中子水分計和時域反射儀、頻域發射儀等測量方法。這些方法雖然可以實現土壤水分的測量，但原理、特性各有不同。綜觀國內墒情自動監測現狀，目前還沒有一種產品在野外廣泛應用，也沒有一種主導產品實現大範圍墒情信息自動採集、傳輸處理。

　　隨著國家抗旱指揮系統的規劃和實施，各省、市區域墒情自動監測即將全面展開，特別是2010年春季我國西南部分省(區)乾旱的出現，迫切需要自動化土壤水分監測儀器和信息傳輸系統，以獲取連續、可靠的土壤水分信息，為區域旱情分析提供基礎數據。本文根據國家旱情監測系統建設需要開展國內外土壤水分監測傳感儀器的調查研究工作，對調研產品進行分類分析。

　　1　土壤水分監測儀器分類和特點分析

　　按照測量原理，土壤水分監測儀器可分成以下幾種類型：

　　1)時域反射型儀器 (TDR);

　　2)時域傳輸型儀器 (TDT);

　　3)頻域反射型儀器 (FDR);

　　4)中子水分儀器 (Neutron Probe);

　　5)負壓儀器(Tension meter);

　　6)電阻儀器(Resister Method)。

　　傳統的烘乾法儘管也需要一些設備，但不屬於土壤水分監測儀器的範疇，它只是一種方法。烘乾法的內容和方法在SL364-2006《土壤墒情監測規範》5.2 節中有明確規定，目前烘乾法依然是唯一校驗儀器準確度的方法[1]。

　　1.1　時域反射儀儀器(TDR)

　　TDR是近年來出現的測量土壤含水量的重要儀器，是通過測量土壤中的水和其它介質介電常數之間的差異原理，並採用時域反射測試技術研製出來的儀器，具有快速、便捷和能連續觀測土壤含水量的優點。

　　由於空氣、幹土和水中的介電常數相對固定，如果對特定的土壤和介電常數的關係已知，就可間接對土壤水分進行有效介電常數測量。根據電磁波在介質中傳播速度與包圍在傳輸體上的物質介電常數有關的基本原理，乾燥土壤與水之間的介電常數具有很大的差別，所以該技術從理論上確立對土壤水分的測量有很好的響應和靈敏度。

　　土壤的表觀介電常數 K a 可以按如下公式轉換(Dirksen，1999)：

　　式中：T 為電磁波延波導頭傳輸的時間，ns;L 為測量用的波導頭的長度，cm;C 為電磁波在真空中傳播速，cm/ns。

　　或直接將傳輸時間 T 和介電常數 Ka 表達為：

　　TDR 信號脈衝延波導頭的起點到端點傳遞需要的時間可以通過測量確定。

　　TDR 特點分析如下：

　　1)時域反射法土壤水分監測儀器沿著埋設在土壤中的波導頭髮射高頻波，高頻波在土壤的傳輸速度(或傳輸時間)與土壤的介電常數相關，介電常數與土壤的含水量相關，這樣測量高頻波的傳輸時間或速度可直接測量土壤的含水量。理論上這是測量土壤水分監測精度最高的技術。

　　2)因電磁波的傳輸速度很快，TDR 測定時間的精度需達 0.1 ns 級，因此 TDR的時間電路成本高，測量結果受溫度影響小。

　　3)TDR 水分傳感器高頻波的發射和測量在傳感器體內完成，工作時產生 1 個 1GHz以上的高頻電磁波，傳輸時間為皮秒級，輸出信號一般為模擬電壓信號，可精確表達插入點處土壤的水分。根據不同的信號採集要求，TDR土壤水分傳感器也可輸出4～20 mA，或 232 串行接口數據。TDR 的上述輸出容易接入常規的數據採集器，形成自動測量系統。

　　4)目前市場上的 TDR 土壤水分傳感器是典型的點式土壤水分測量儀器，體積小，重量輕，單個傳感器損壞可更換，運行維護方便。

　　TDR 土壤水分傳感器主體是1個含有探針的密封探頭，當探針完全插入土壤中時，測量輸出信號通過有線電纜輸出，可以接遙測終端，也可以接手持式儀表。TDR產品水分監測示意圖如圖 1 所示。

　　1.2　時域傳輸型儀器(TDT)

　　TDT技術是另外一種土壤水分測量技術，TDT技術的特點就是電磁波在介質中是單程傳播，檢測電磁波單向傳輸後的信號，並不要求獲取反射後的信號。該技術也是基於土壤介電常數的差異性來測定土壤含水率的[2]。

　　TDT 特點分析如下：

　　1)以 TDT 原理研製出的水分測定儀工作頻率較低，線路設計比較簡單，成本比 TDR 儀器低;

　　2)典型產品為帶狀土壤水分傳感器，在部分土質不均勻土壤類型應用中具有推廣應用潛力;

　　3)基於 TDT 原理研製出的水分測定儀輸出信號一般為模擬量，可以接入常規的數據採集器，形成自動測量系統。

　　圖 2 是一種長 3 m 的帶狀TDT水分傳感器應用示例，土中所測植物根部土壤水分是圍繞著帶狀傳感器的圓柱體土壤水分的均值，因測量範圍是圓柱型土體帶，測量土體體積多，可有效避免點狀測量的偶然性，能取得測定地帶土壤水分的空間平均值。圖片上方是一些外掛的採集和顯示儀表。

　　1.3　頻域反射型儀器(FDR)

　　FDR土壤水分監測傳感器的測量原理是插入土壤中的電極與土壤(土壤被當作電介質)之間形成電容，並與高頻震蕩器形成1個迴路。通過特殊設計的傳輸探針產生高頻信號，傳輸線探針的阻抗隨土壤阻抗變化而變化。阻抗包括表觀介電常數和離子傳導率。應用掃頻技術，選用合適的電信號頻率使離子傳導率的影響最小，傳輸探針阻抗變化幾乎僅依賴於土壤介電常數的變化。這些變化產生1個電壓駐波。駐波隨探針周圍介質的介電常數變化增加或減小由晶體振蕩器產生的電壓。電壓的差值對應於土壤的表觀介電常數。

　　FDR 特點分析如下：

　　1)頻域測量技術用於土壤科學是近年才得到應用的，採用在某個頻率上測定相對電容，即介電常數的方法測量土壤水分含量，已開展了近半個世紀了(Halbertsma等，1987)。頻域法，相比時域法結構更簡單，測量更方便。但是，在過去，通常人們很難得到準確的介電常數測量值。可靠的土壤水分含量必須對每一個應用通過後續的標定來得到。近年來，隨著電子技術和元器件的發展，測量介電常數的頻域水分傳感器已研製成功，由於頻域法採用了低於TDR的工作頻率，在測量電路上易於實現，造價較低。

　　2)頻域法儀器一般工作在 20～150MHz的頻率範圍內，由多種電路可將介電常數的變化轉換為直流電壓或其它模擬量輸出形式，輸出的直流電壓在廣泛的工作範圍內與土壤含水量直接相關。對傳輸電纜沒有十分嚴格的要求。

　　3)最初國內研製 FDR 傳感器採用的是高頻電容式傳感器，後來逐漸更新為駐波式 FDR 傳感器。國內最早研製的駐波式FDR土壤水分監測傳感器因參照國外第 1 代 FDR 傳感器的設計思路，沒有溫度補償，測量結果變異大。國外駐波式FDR土壤水分監測傳感器也在不斷革新，逐步增加了溫度補償等功能，相應提高了測量精度。但是，FDR 土壤水分監測傳感器採用的是 100MHz左右的電磁波，所以，波在傳輸過程中受土壤的溫度和電導率(鹽份)的影響較大時，導致測量精度比 TDR 和TDT土壤水分監測傳感器要低一些。

　　4)FDR土壤水分監測傳感器一般輸出為直流電壓量，容易接入常規的數據採集器實現連續、動態墒情監測，可組建墒情監測網絡，系統建設費用比前2種低。

　　1.4　中子儀、負壓計、電阻儀

　　中子儀是歷史悠久的測量土壤體積含水量的儀器。中子水分計由高能放射性中子源和熱中子探測器構成。中子源向各個方向發射能量在0.1～10.0M電子伏特的快中子射線。在土壤中，快中子迅速被周圍的介質，其中主要是被水中的氫原子減速為慢中子，並在探測器周圍形成密度與水分含量相關的慢中子「雲球」。散射到探測器的慢中子產生電脈衝，且被計數;在1個指定時間內被計數的慢中子的數量與土壤的體積含水量相關，中子計數越大，土壤含水量越大。

　　中子儀適合人工可攜式測量土壤墒情，採用中子水分儀定點監測土壤含水率時，每次埋設導管之前，都應以取土烘乾法為基準對儀器進行率定[3]。

　　因中子儀器帶有放射源，設備管理使用受到環境的限制。

　　張力計是測量非飽和狀態土壤中張力的儀器。常用的張力計測量範圍為0～100kPa(Dirksen，1999)。水總是從高水勢的地方向流向低水勢的地方，土壤中的水分運移基於土壤水勢梯度。水勢反映了土壤的持水能力。水分在土壤中受多種力的作用，使得其自由能降低，這種勢能的變化稱為土水勢(土壤吸力)。張力計的應用原理類似於植物根系從土壤中獲取水分的抽吸方式，它測量的是作物要從土壤中汲取水分所施加的力。

　　因張力計價格低廉，可以在應用研究田塊中大量布設來研究土壤水分布。壓力值顯示可以是指針式表和壓力傳感器，通過電氣改造，傳感器可用於自動測量。

　　電阻法常用多孔介質塊石膏電阻塊測量土壤水分，因靈敏度低，目前應用較少。

　　2　土壤水分監測儀器技術指標

　　土壤墒情監測儀器的核心是土壤水分監測傳感器，它將土壤中的含水特性物理量轉換為電子設備所能識別的電量。以建設自動墒情監測站為目的，按照《土壤墒情監測規範》的有關規定，對土壤水分傳感器提出以下一些技術要求。

　　1)工作環境溫度：-25 ～ +55℃;

　　2)工作環境溼度：100 % RH(無凝結);

　　3)誤差不超過 2 %(絕對含水率在 5 %～50 %範圍內時);

　　4)測量範圍：一般為 0～50 %;

　　5)穩定時間：一般情況下應不大於 10 s;

　　2.1　典型 TDR 儀器技術指標

　　典型 TDR 土壤水分監測傳感器以國外Trime-EZ可攜式土壤水分速測儀為例。

　　Trime-EZ TDR 土壤水分傳感器和手持讀表連用，可可攜式測量土壤水分，也可連接有模擬量接口的自動測報裝置。

　　測量範圍：0～100 % 體積含水量;

　　含水量 0～40 % 範圍： 精度 ±2 %;

　　含水量 40 %～70 % 範圍： 精度 ± 3 %;

　　重複測量精度：± 0.5 % ;

　　操作溫度 ：-15～50 ℃;

　　供電：7～15 VDC;

　　電量消耗： 靜態 8 mA，測量時 250 mA;

　　輸出：0～1 V 或 4～20 mA 或 RS-232 數字接口;

　　外殼防護等級：IP68;

　　纜線長度 5 m(可訂製特殊長度)。

　　2.2　典型 FDR 技術指標

　　1)國外 FDR 產品以英國 ML2x 為例

　　該 FDR儀器能夠對各類土壤和多種介質的水分進行測量，可用作為水分定點監測或移動測量的基本工具，該土壤水分探頭各項指標如下：

　　測量範圍：0～100 % 體積含水量;

　　精度：± 5 %(0～ 70 ℃，儀器默認土壤類型);

　　工作溫度： -10～+ 70 ℃;

　　尺寸：探針，60 mm 長， 總長，207 mm;

　　標準電纜長度： 5 m(最長可至 100 m)

　　2)國內 FDR 產品以水分傳感器 MP-406 為例

　　該土壤水分探頭各項指標如下：

　　測量參數：0～100 % 體積含水量;

　　測量精度：給定土壤標定後 ± 5 %;

　　測量區域：90 % 的影響在圍繞中央探針的直徑為 2.5 cm，長為 6 cm 的圓柱體內;

　　穩定時間：通電後約 10 s;

　　響應時間：0.5 s 內對 99 % 的變化有響應;

　　工作電壓：7～15 V;

　　工作電流：20 mA;

　　輸出信號：0～1 V;

　　密封材料：PVC;

　　探針材料：不鏽鋼;

　　電纜長度：標準長度 5 m;

　　最大傳輸長度：100 m。

　　3　 土壤水分監測儀器應用與選型

　　3.1　使用要求

　　土壤墒情自動監測系統包括土壤水分信息的採集、傳輸、存儲、處理及自動報送功能，其中採集是旱情監測系統的基礎，自動化的水分採集儀器必須測驗準確，質量可靠。因此，監測儀器從使用方面應具備以下要求：

　　1)率定或標定後，工作特性穩定，無須再次標定;

　　2)批量產品特性一致;

　　3)體積小巧，便於測量地點現場埋設後長期自動工作;

　　4)無須日常維護，適合於大批量建設無人監測站;

　　5)價格適中，推廣應用成本低廉。

　　3.2　實驗應用實例

　　在某實驗站，按照 SL364-2006《土壤墒情監測規範》中的儀器布設深度要求，採用 3 只土壤水分監測傳感器，按10、20、40 cm 深度垂直布設[1]，連接數據採集傳輸終端(YDH-1型)，組建了 1 座墒情自動站，傳輸方式有GPRS、SMS 等通信選擇。圖 4為實驗站土壤水分變化過程線圖，圖中曲線由細到粗分別代表 10、20、40cm的土壤深度處的水分變化;圖中豎線代表日降雨量，豎線下方標明了日雨量值。附加的日降雨量信息用於對應觀察土壤墒情的跟隨降雨的反應變化情況。

　　4 　結語

　　TDR土壤水分傳感器可水平或垂直埋設在土壤不同的深度，依照SL364-2006《土壤墒情監測規範》要求，採用多點法測量不同土壤深度下的土壤水分分布。TDR儀器因發射頻率高，故測量精度高，儀器造價高。TDT儀器適用於土壤墒情的空間變異大或土壤質地多樣的地帶，當點狀的墒情不具備測點的代表性時，採用帶狀TDT 更為合適。FDR使用方法同TDR ，儀器發射頻率比 TDR 低，精度略低，儀器造價低。

　　土壤水分傳感器原理上存在土壤含水量→電壓/電流→土壤體積含水率的2個連續轉化過程。前一個過程由儀器的電磁波在介質中傳播得到測量值後轉化為電壓/電流量，後一個過程由根據測得電壓/電流量來率定土壤水體積含水率的轉化公式。2個過程存在不同程度的轉化誤差，第 1 個過程受產品品質因素影響，第2個過程受人為因素影響,均會導致儀器的準確性存在一定的誤差。

　　目前國內外土壤水分傳感器品種雖然較多，但是國內還沒有 1 種儀器形成主流產品，國內還沒有商品化TDR傳感儀器產品出現，土壤水分監測傳感儀器產品還不太成熟，需要進一步加強對土壤水分監測儀器的技術研究，並且要在實際應用中加強儀器的對比測試、優化篩選和應用考核工作