土壤水分傳感器又稱土壤濕度傳感器，由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成，可長(zhǎng)期埋設(shè)于土壤和堤壩內(nèi)使用，對(duì)表層和深層土壤進(jìn)行墑情的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和在線測(cè)量。與數(shù)據(jù)采集器配合使用，可作為水分定點(diǎn)監(jiān)測(cè)或移動(dòng)測(cè)量的工具（即農(nóng)田墑情檢測(cè)儀）。

土壤水分含量是表達(dá)旱情的最直接指標(biāo)。國內(nèi)外從20世紀(jì)中葉就開始進(jìn)行土壤水分的監(jiān)測(cè)，國內(nèi)外一直都在進(jìn)行各種測(cè)量方法的研究，目前主要采用烘干稱重、張力計(jì)、中子水分計(jì)和時(shí)域反射儀、頻域發(fā)射儀等測(cè)量方法。這些方法雖然可以實(shí)現(xiàn)土壤水分的測(cè)量，但原理、特性各有不同。綜觀國內(nèi)墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，目前還沒有一種產(chǎn)品在野外廣泛應(yīng)用，也沒有一種主導(dǎo)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)大范圍墑情信息自動(dòng)采集、傳輸處理。

隨著國家抗旱指揮系統(tǒng)的規(guī)劃和實(shí)施，各省、市區(qū)域墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)即將全面展開，特別是2010年春季我國西南部分省（區(qū)）干旱的出現(xiàn)，迫切需要自動(dòng)化土壤水分監(jiān)測(cè)儀器和信息傳輸系統(tǒng)，以獲取連續(xù)、可靠的土壤水分信息，為區(qū)域旱情分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文根據(jù)國家旱情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)需要開展國內(nèi)外土壤水分監(jiān)測(cè)傳感儀器的調(diào)查研究工作，對(duì)調(diào)研產(chǎn)品進(jìn)行分類分析。

1?土壤水分監(jiān)測(cè)儀器分類和特點(diǎn)分析

按照測(cè)量原理，土壤水分監(jiān)測(cè)儀器可分成以下幾種類型：

1）時(shí)域反射型儀器 （TDR）;

2）時(shí)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(fù)壓儀器（Tension meter）;

6）電阻儀器（Resister Method）。

傳統(tǒng)的烘干法盡管也需要一些設(shè)備，但不屬于土壤水分監(jiān)測(cè)儀器的范疇，它只是一種方法。烘干法的內(nèi)容和方法在SL364-2006《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》5.2 節(jié)中有明確規(guī)定，目前烘干法依然是唯一校驗(yàn)儀器準(zhǔn)確度的方法[1]。

1.1?時(shí)域反射儀儀器（TDR）

TDR是近年來出現(xiàn)的測(cè)量土壤含水量的重要儀器，是通過測(cè)量土壤中的水和其它介質(zhì)介電常數(shù)之間的差異原理，并采用時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)研制出來的儀器，具有快速、便捷和能連續(xù)觀測(cè)土壤含水量的優(yōu)點(diǎn)。

由于空氣、干土和水中的介電常數(shù)相對(duì)固定，如果對(duì)特定的土壤和介電常數(shù)的關(guān)系已知，就可間接對(duì)土壤水分進(jìn)行有效介電常數(shù)測(cè)量。根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播速度與包圍在傳輸體上的物質(zhì)介電常數(shù)有關(guān)的基本原理，干燥土壤與水之間的介電常數(shù)具有很大的差別，所以該技術(shù)從理論上確立對(duì)土壤水分的測(cè)量有很好的響應(yīng)和靈敏度。

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

式中：T 為電磁波延波導(dǎo)頭傳輸?shù)臅r(shí)間，ns;L 為測(cè)量用的波導(dǎo)頭的長(zhǎng)度，cm;C 為電磁波在真空中傳播速，cm/ns。

或直接將傳輸時(shí)間 T 和介電常數(shù) Ka 表達(dá)為：

TDR 信號(hào)脈沖延波導(dǎo)頭的起點(diǎn)到端點(diǎn)傳遞需要的時(shí)間可以通過測(cè)量確定。

TDR 特點(diǎn)分析如下：

1）時(shí)域反射法土壤水分監(jiān)測(cè)儀器沿著埋設(shè)在土壤中的波導(dǎo)頭發(fā)射高頻波，高頻波在土壤的傳輸速度（或傳輸時(shí)間）與土壤的介電常數(shù)相關(guān)，介電常數(shù)與土壤的含水量相關(guān)，這樣測(cè)量高頻波的傳輸時(shí)間或速度可直接測(cè)量土壤的含水量。理論上這是測(cè)量土壤水分監(jiān)測(cè)精度最高的技術(shù)。

2）因電磁波的傳輸速度很快，TDR 測(cè)定時(shí)間的精度需達(dá) 0.1 ns 級(jí)，因此 TDR的時(shí)間電路成本高，測(cè)量結(jié)果受溫度影響小。

3）TDR 水分傳感器高頻波的發(fā)射和測(cè)量在傳感器體內(nèi)完成，工作時(shí)產(chǎn)生 1 個(gè) 1GHz以上的高頻電磁波，傳輸時(shí)間為皮秒級(jí)，輸出信號(hào)一般為模擬電壓信號(hào)，可精確表達(dá)插入點(diǎn)處土壤的水分。根據(jù)不同的信號(hào)采集要求，TDR土壤水分傳感器也可輸出4～20 mA，或 232 串行接口數(shù)據(jù)。TDR 的上述輸出容易接入常規(guī)的數(shù)據(jù)采集器，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

4）目前市場(chǎng)上的 TDR 土壤水分傳感器是典型的點(diǎn)式土壤水分測(cè)量?jī)x器，體積小，重量輕，單個(gè)傳感器損壞可更換，運(yùn)行維護(hù)方便。

TDR 土壤水分傳感器主體是1個(gè)含有探針的密封探頭，當(dāng)探針完全插入土壤中時(shí)，測(cè)量輸出信號(hào)通過有線電纜輸出，可以接遙測(cè)終端，也可以接手持式儀表。TDR產(chǎn)品水分監(jiān)測(cè)示意圖如圖 1 所示。

1.2?時(shí)域傳輸型儀器（TDT）

TDT技術(shù)是另外一種土壤水分測(cè)量技術(shù)，TDT技術(shù)的特點(diǎn)就是電磁波在介質(zhì)中是單程傳播，檢測(cè)電磁波單向傳輸后的信號(hào)，并不要求獲取反射后的信號(hào)。該技術(shù)也是基于土壤介電常數(shù)的差異性來測(cè)定土壤含水率的[2]。

TDT 特點(diǎn)分析如下：

1）以 TDT 原理研制出的水分測(cè)定儀工作頻率較低，線路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，成本比 TDR 儀器低;

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

3）基于 TDT 原理研制出的水分測(cè)定儀輸出信號(hào)一般為模擬量，可以接入常規(guī)的數(shù)據(jù)采集器，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

是一種長(zhǎng) 3 m 的帶狀TDT水分傳感器應(yīng)用示例，土中所測(cè)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(cè)量范圍是圓柱型土體帶，測(cè)量土體體積多，可有效避免點(diǎn)狀測(cè)量的偶然性，能取得測(cè)定地帶土壤水分的空間平均值。圖片上方是一些外掛的采集和顯示儀表。

1.3?頻域反射型儀器（FDR）

FDR土壤水分監(jiān)測(cè)傳感器的測(cè)量原理是插入土壤中的電極與土壤（土壤被當(dāng)作電介質(zhì)）之間形成電容，并與高頻震蕩器形成1個(gè)回路。通過特殊設(shè)計(jì)的傳輸探針產(chǎn)生高頻信號(hào)，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(shù)和離子傳導(dǎo)率。應(yīng)用掃頻技術(shù)，選用合適的電信號(hào)頻率使離子傳導(dǎo)率的影響最小，傳輸探針阻抗變化幾乎僅依賴于土壤介電常數(shù)的變化。這些變化產(chǎn)生1個(gè)電壓駐波。駐波隨探針周圍介質(zhì)的介電常數(shù)變化增加或減小由晶體振蕩器產(chǎn)生的電壓。電壓的差值對(duì)應(yīng)于土壤的表觀介電常數(shù)。

FDR 特點(diǎn)分析如下：

1）頻域測(cè)量技術(shù)用于土壤科學(xué)是近年才得到應(yīng)用的，采用在某個(gè)頻率上測(cè)定相對(duì)電容，即介電常數(shù)的方法測(cè)量土壤水分含量，已開展了近半個(gè)世紀(jì)了（Halbertsma等，1987）。頻域法，相比時(shí)域法結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，測(cè)量更方便。但是，在過去，通常人們很難得到準(zhǔn)確的介電常數(shù)測(cè)量值?？煽康耐寥浪趾勘仨殞?duì)每一個(gè)應(yīng)用通過后續(xù)的標(biāo)定來得到。近年來，隨著電子技術(shù)和元器件的發(fā)展，測(cè)量介電常數(shù)的頻域水分傳感器已研制成功，由于頻域法采用了低于TDR的工作頻率，在測(cè)量電路上易于實(shí)現(xiàn)，造價(jià)較低。

2）頻域法儀器一般工作在 20～150MHz的頻率范圍內(nèi)，由多種電路可將介電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)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范圍內(nèi)與土壤含水量直接相關(guān)。對(duì)傳輸電纜沒有十分嚴(yán)格的要求。

3）最初國內(nèi)研制 FDR 傳感器采用的是高頻電容式傳感器，后來逐漸更新為駐波式 FDR 傳感器。國內(nèi)最早研制的駐波式FDR土壤水分監(jiān)測(cè)傳感器因參照國外第 1 代 FDR 傳感器的設(shè)計(jì)思路，沒有溫度補(bǔ)償，測(cè)量結(jié)果變異大。國外駐波式FDR土壤水分監(jiān)測(cè)傳感器也在不斷革新，逐步增加了溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?，相?yīng)提高了測(cè)量精度。但是，F(xiàn)DR 土壤水分監(jiān)測(cè)傳感器采用的是 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(dǎo)率（鹽份）的影響較大時(shí)，導(dǎo)致測(cè)量精度比 TDR 和TDT土壤水分監(jiān)測(cè)傳感器要低一些。

4）土壤水分監(jiān)測(cè)傳感器一般輸出為直流電壓量，容易接入常規(guī)的數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)連續(xù)、動(dòng)態(tài)墑情監(jiān)測(cè)，可組建墑情監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用比前2種低。