土壤水分监测传感器的分类与应用

    摘要：通过调研，收集了国内外主流的土壤水分监测仪器资料，分析了仪器测量原理、主要性能和技术参数，进行了类型划分，根据《土壤墒情监测规范》的要求和墒情监测系统建设需求，在类比分析的基础上，提出了适合国内实际情况的土壤水分自动化监测仪器的产品型式，为国内墒情自动测报系统仪器的选型提供参考依据。
 

    关键词：土壤水分,检测传感器,分类,应用,水文监测设备论文
 

    0　前言

    土壤水分含量是表达旱情的最直接指标。国内外从20世纪中叶就开始进行土壤水分的监测，国内外一直都在进行各种测量方法的研究，目前主要采用烘干称重、张力计、中子水分计和时域反射仪、频域发射仪等测量方法。这些方法虽然可以实现土壤水分的测量，但原理、特性各有不同。综观国内墒情自动监测现状，目前还没有一种产品在野外广泛应用，也没有一种主导产品实现大范围墒情信息自动采集、传输处理。

    随着国家抗旱指挥系统的规划和实施，各省、市区域墒情自动监测即将全面展开，特别是2010年春季我国西南部分省（区）干旱的出现，迫切需要自动化土壤水分监测仪器和信息传输系统，以获取连续、可靠的土壤水分信息，为区域旱情分析提供基础数据。本文根据国家旱情监测系统建设需要开展国内外土壤水分监测传感仪器的调查研究工作，对调研产品进行分类分析。

    1　土壤水分监测仪器分类和特点分析

    按照测量原理，土壤水分监测仪器可分成以下几种类型：

    1）时域反射型仪器（TDR）；

    2）时域传输型仪器（TDT）；

    3）频域反射型仪器（FDR）；

    4）中子水分仪器（NeutronProbe)；

    5）负压仪器（Tensionmeter）；

    6）电阻仪器（ResisterMethod）。

    传统的烘干法尽管也需要一些设备，但不属于土壤水分监测仪器的范畴，它只是一种方法。烘干法的内容和方法在SL364-2006《土壤墒情监测规范》5.2节中有明确规定，目前烘干法依然是唯一校验仪器准确度的方法[1]。

    1.1　时域反射仪仪器（TDR）

    TDR是近年来出现的测量土壤含水量的重要仪器，是通过测量土壤中的水和其它介质介电常数之间的差异原理，并采用时域反射测试技术研制出来的仪器，具有快速、便捷和能连续观测土壤含水量的优点。

    由于空气、干土和水中的介电常数相对固定，如果对特定的土壤和介电常数的关系已知，就可间接对土壤水分进行有效介电常数测量。根据电磁波在介质中传播速度与包围在传输体上的物质介电常数有关的基本原理，干燥土壤与水之间的介电常数具有很大的差别，所以该技术从理论上确立对土壤水分的测量有很好的响应和灵敏度。

    土壤的表观介电常数Ka可以按如下公式转换（Dirksen，1999）：

    式中：T为电磁波延波导头传输的时间，ns；L为测量用的波导头的长度，cm；C为电磁波在真空中传播速，cm/ns。

    或直接将传输时间T和介电常数Ka表达为：

    TDR信号脉冲延波导头的起点到端点传递需要的时间可以通过测量确定。

    TDR特点分析如下：

    1）时域反射法土壤水分监测仪器沿着埋设在土壤中的波导头发射高频波，高频波在土壤的传输速度（或传输时间）与土壤的介电常数相关，介电常数与土壤的含水量相关，这样测量高频波的传输时间或速度可直接测量土壤的含水量。理论上这是测量土壤水分监测精度最高的技术。

    2）因电磁波的传输速度很快，TDR测定时间的精度需达0.1ns级，因此TDR的时间电路成本高，测量结果受温度影响小。

    3）TDR水分传感器高频波的发射和测量在传感器体内完成，工作时产生1个1GHz以上的高频电磁波，传输时间为皮秒级，输出信号一般为模拟电压信号，可精确表达插入点处土壤的水分。根据不同的信号采集要求，TDR土壤水分传感器也可输出4～20mA，或232串行接口数据。TDR的上述输出容易接入常规的数据采集器，形成自动测量系统。

    4）目前市场上的TDR土壤水分传感器是典型的点式土壤水分测量仪器，体积小，重量轻，单个传感器损坏可更换，运行维护方便。

    TDR土壤水分传感器主体是1个含有探针的密封探头，当探针完全插入土壤中时，测量输出信号通过有线电缆输出，可以接遥测终端，也可以接手持式仪表。TDR产品水分监测示意图如图1所示。

    1.2　时域传输型仪器（TDT）

    TDT技术是另外一种土壤水分测量技术，TDT技术的特点就是电磁波在介质中是单程传播，检测电磁波单向传输后的信号，并不要求获取反射后的信号。该技术也是基于土壤介电常数的差异性来测定土壤含水率的[2]。

    TDT特点分析如下：

    1）以TDT原理研制出的水分测定仪工作频率较低，线路设计比较简单，成本比TDR仪器低；

    2）典型产品为带状土壤水分传感器，在部分土质不均匀土壤类型应用中具有推广应用潜力；

    3）基于TDT原理研制出的水分测定仪输出信号一般为模拟量，可以接入常规的数据采集器，形成自动测量系统。

    图2是一种长3m的带状TDT水分传感器应用示例，土中所测植物根部土壤水分是围绕着带状传感器的圆柱体土壤水分的均值，因测量范围是圆柱型土体带，测量土体体积多，可有效避免点状测量的偶然性，能取得测定地带土壤水分的空间平均值。图片上方是一些外挂的采集和显示仪表。

    1.3　频域反射型仪器（FDR）

    FDR土壤水分监测传感器的测量原理是插入土壤中的电极与土壤（土壤被当作电介质）之间形成电容，并与高频震荡器形成1个回路。通过特殊设计的传输探针产生高频信号，传输线探针的阻抗随土壤阻抗变化而变化。阻抗包括表观介电常数和离子传导率。应用扫频技术，选用合适的电信号频率使离子传导率的影响最小，传输探针阻抗变化几乎仅依赖于土壤介电常数的变化。这些变化产生1个电压驻波。驻波随探针周围介质的介电常数变化增加或减小由晶体振荡器产生的电压。电压的差值对应于土壤的表观介电常数。

    FDR特点分析如下：

    1）频域测量技术用于土壤科学是近年才得到应用的，采用在某个频率上测定相对电容，即介电常数的方法测量土壤水分含量，已开展了近半个世纪了（Halbertsma等，1987）。频域法，相比时域法结构更简单，测量更方便。但是，在过去，通常人们很难得到准确的介电常数测量值。可靠的土壤水分含量必须对每一个应用通过后续的标定来得到。近年来，随着电子技术和元器件的发展，测量介电常数的频域水分传感器已研制成功，由于频域法采用了低于TDR的工作频率，在测量电路上易于实现，造价较低。

    2）频域法仪器一般工作在20～150MHz的频率范围内，由多种电路可将介电常数的变化转换为直流电压或其它模拟量输出形式，输出的直流电压在广泛的工作范围内与土壤含水量直接相关。对传输电缆没有十分严格的要求。

    3）最初国内研制FDR传感器采用的是高频电容式传感器，后来逐渐更新为驻波式FDR传感器。国内最早研制的驻波式FDR土壤水分监测传感器因参照国外第1代FDR传感器的设计思路，没有温度补偿，测量结果变异大。国外驻波式FDR土壤水分监测传感器也在不断革新，逐步增加了温度补偿等功能，相应提高了测量精度。但是，FDR土壤水分监测传感器采用的是100MHz左右的电磁波，所以，波在传输过程中受土壤的温度和电导率（盐份）的影响较大时，导致测量精度比TDR和TDT土壤水分监测传感器要低一些。

    4）FDR土壤水分监测传感器一般输出为直流电压量，容易接入常规的数据采集器实现连续、动态墒情监测，可组建墒情监测网络，系统建设费用比前2种低。

    1.4　中子仪、负压计、电阻仪

    中子仪是历史悠久的测量土壤体积含水量的仪器。中子水分计由高能放射性中子源和热中子探测器构成。中子源向各个方向发射能量在0.1～10.0M电子伏特的快中子射线。在土壤中，快中子迅速被周围的介质，其中主要是被水中的氢原子减速为慢中子，并在探测器周围形成密度与水分含量相关的慢中子“云球”。散射到探测器的慢中子产生电脉冲，且被计数；在1个指定时间内被计数的慢中子的数量与土壤的体积含水量相关，中子计数越大，土壤含水量越大。

    中子仪适合人工便携式测量土壤墒情，采用中子水分仪定点监测土壤含水率时，每次埋设导管之前，都应以取土烘干法为基准对仪器进行率定[3]。

    因中子仪器带有放射源，设备管理使用受到环境的限制。

    张力计是测量非饱和状态土壤中张力的仪器。常用的张力计测量范围为0～100kPa（Dirksen，1999）。水总是从高水势的地方向流向低水势的地方，土壤中的水分运移基于土壤水势梯度。水势反映了土壤的持水能力。水分在土壤中受多种力的作用，使得其自由能降低，这种势能的变化称为土水势（土壤吸力）。张力计的应用原理类似于植物根系从土壤中获取水分的抽吸方式，它测量的是作物要从土壤中汲取水分所施加的力。

    因张力计价格低廉，可以在应用研究田块中大量布设来研究土壤水分布。压力值显示可以是指针式表和压力传感器，通过电气改造，传感器可用于自动测量。

    电阻法常用多孔介质块石膏电阻块测量土壤水分，因灵敏度低，目前应用较少。

    2　土壤水分监测仪器技术指标

    土壤墒情监测仪器的核心是土壤水分监测传感器，它将土壤中的含水特性物理量转换为电子设备所能识别的电量。以建设自动墒情监测站为目的，按照《土壤墒情监测规范》的有关规定，对土壤水分传感器提出以下一些技术要求。

    1）工作环境温度：-25～+55℃；

    2）工作环境湿度：100%RH（无凝结）；

    3）误差不超过2%（绝对含水率在5%～50%范围内时）；

    4）测量范围：一般为0～50%；

    5）稳定时间：一般情况下应不大于10s；

    2.1　典型TDR仪器技术指标

    典型TDR土壤水分监测传感器以国外Trime-EZ便携式土壤水分速测仪为例。

    Trime-EZTDR土壤水分传感器和手持读表连用，可便携式测量土壤水分，也可连接有模拟量接口的自动测报装置。

    测量范围：0～100%体积含水量；

    含水量0～40%范围：精度±2%；

    含水量40%～70%范围：精度±3%；

    重复测量精度：±0.5%；

    操作温度：-15～50℃；

    供电：7～15VDC；

    电量消耗：静态8mA，测量时250mA；

    输出：0～1V或4～20mA或RS-232数字接口；

    外壳防护等级：IP68；

    缆线长度5m（可订制特殊长度）。

    2.2　典型FDR技术指标

    1）国外FDR产品以英国ML2x为例

    该FDR仪器能够对各类土壤和多种介质的水分进行测量，可用作为水分定点监测或移动测量的基本工具，该土壤水分探头各项指标如下：

    测量范围：0～100%体积含水量；

    精度：±5%（0～70℃，仪器默认土壤类型）；

    工作温度：-10～+70℃；

    尺寸：探针，60mm长，总长，207mm；

    标准电缆长度：5m（最长可至100m）

    2）国内FDR产品以水分传感器MP-406为例

    该土壤水分探头各项指标如下：

    测量参数：0～100%体积含水量；

    测量精度：给定土壤标定后±5%；

    测量区域：90%的影响在围绕中央探针的直径为2.5cm，长为6cm的圆柱体内；

    稳定时间：通电后约10s；

    响应时间：0.5s内对99%的变化有响应；

    工作电压：7～15V；

    工作电流：20mA；

    输出信号：0～1V；

    密封材料：PVC；

    探针材料：不锈钢；

    电缆长度：标准长度5m；

    最大传输长度：100m。

    3　土壤水分监测仪器应用与选型

    3.1　使用要求

    土壤墒情自动监测系统包括土壤水分信息的采集、传输、存储、处理及自动报送功能，其中采集是旱情监测系统的基础，自动化的水分采集仪器必须测验准确，质量可靠。因此，监测仪器从使用方面应具备以下要求：

    1）率定或标定后，工作特性稳定，无须再次标定；

    2）批量产品特性一致；

    3）体积小巧，便于测量地点现场埋设后长期自动工作；

    4）无须日常维护，适合于大批量建设无人监测站；

    5）价格适中，推广应用成本低廉。

    3.2　实验应用实例

    在某实验站，按照SL364-2006《土壤墒情监测规范》中的仪器布设深度要求，采用3只土壤水分监测传感器，按10、20、40cm深度垂直布设[1]，连接数据采集传输终端（YDH-1型），组建了1座墒情自动站，传输方式有GPRS、SMS等通信选择。图4为实验站土壤水分变化过程线图，图中曲线由细到粗分别代表10、20、40cm的土壤深度处的水分变化；图中竖线代表日降雨量，竖线下方标明了日雨量值。附加的日降雨量信息用于对应观察土壤墒情的跟随降雨的反应变化情况。

    4　结语

    TDR土壤水分传感器可水平或垂直埋设在土壤不同的深度，依照SL364-2006《土壤墒情监测规范》要求，采用多点法测量不同土壤深度下的土壤水分分布。TDR仪器因发射频率高，故测量精度高，仪器造价高。TDT仪器适用于土壤墒情的空间变异大或土壤质地多样的地带，当点状的墒情不具备测点的代表性时，采用带状TDT更为合适。FDR使用方法同TDR，仪器发射频率比TDR低，精度略低，仪器造价低。

    土壤水分传感器原理上存在土壤含水量→电压/电流→土壤体积含水率的2个连续转化过程。前一个过程由仪器的电磁波在介质中传播得到测量值后转化为电压/电流量，后一个过程由根据测得电压/电流量来率定土壤水体积含水率的转化公式。2个过程存在不同程度的转化误差，第1个过程受产品品质因素影响，第2个过程受人为因素影响,均会导致仪器的准确性存在一定的误差。

    目前国内外土壤水分传感器品种虽然较多，但是国内还没有1种仪器形成主流产品，国内还没有商品化TDR传感仪器产品出现，土壤水分监测传感仪器产品还不太成熟，需要进一步加强对土壤水分监测仪器的技术研究，并且要在实际应用中加强仪器的对比测试、优化筛选和应用考核工作。

    参考文献：

    [1]SL364-2006土壤墒情监测规范[S].北京：中国水利水电出版社，2006.

    [2]郑茹梅，李子忠，龚元石.运用时域传输技术测定不同类型土壤的含水率[J].农业工程学报，2009,8(25):8-13.

    [3]SL13-2004灌溉试验规范[S].北京：中国水利水电出版社，2004.