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并非所有的土壤水分传感器方法都一样

TDR、FDR、电容、电阻：如今，在互联网上搜索一下，就能找到成千上万种测量土壤湿度的方法，从用刻度盘显示湿度的传感器，到用简单的微处理器进行电子监控的传感器，不一而足。当你只想知道哪种传感器能提供最可靠、最稳定、最准确和最容易发布的数据时，市场上传感器的数量之多会让你感到困惑和沮丧。

二十多年来，METER 的科学家们花费了数千小时安装土壤水分传感器，监测、解释和发布田间试验数据。随着时间的推移，我们在如何获取高质量土壤水分数据方面学到了很多。在本文中，我们将与您分享这些专业知识。以下是常见土壤传感方法的比较、每种方法的科学测量理论、优点和缺点，以及哪种技术可能适用于不同类型的野外研究。此外，您还可以了解为什么现代土壤水分传感技术不仅仅是传感器。

您想测量什么？

在互联网上搜索土壤传感器的一个困难是 "土壤湿度传感器"一词不够具体。土壤中的水分可以指两种不同的东西：含水量（土壤中水的数量或百分比）或水势（土壤中水的能量状态）。一个是广义变量，另一个是狭义变量（在此了解这些变量）。使用 "土壤水分传感器 "进行搜索，可以找到这两种传感器。

含水量是指土壤中按重量或体积计算的含水量。下图 1 左侧说明了如何按体积计算土壤含水量（体积含水量或 VWC）。所有原位测量都是基于体积的测量。

图 1 右侧的图表显示了土壤中矿物质、水和空气的含量（百分比）。如果您想测量的是土壤水分的百分比，请使用更具体的搜索词，如 "土壤含水量传感器 "或 "体积含水量传感器"。

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含水率有时与水势相混淆

水势不同于含水量。它指的是土壤中水的能量状态。一般来说，这取决于水分子对土壤颗粒的表面附着力。

图 2 展示了土壤颗粒周围的水边界层（蓝色）。随着土壤水分的减少，边界层也会变薄。在这种情况下，剩余的水分子会更紧密地与土壤颗粒表面结合。这种结合降低了水的势能，使其更难用于植物或运动。如果您想测量或预测植物的水分可用性或土壤水分的流动情况，请使用 "水势传感器 "或 "母势传感器"。

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TDR、FDR、电容、电阻方法比较

土壤含水量可以利用卫星技术在田野、集水区或大陆范围内进行测量。还可以利用下行宇宙中子测量大面积的土壤含水量。

所有这些技术都非常有用，但在本文中，我们将比较在地块、处理或田间单个位置进行测量的原位技术。其中包括四种基本方法：

1. 阻力
2. 介电常数（TDR、FDR、电容）
3. 导热性
4. 热化中子

到目前为止，最常见的传感技术是电阻和介电（TDR 传感器、FDR 传感器、电容传感器），这些将是我们比较的重点。不过，您可以在下面的网络研讨会中找到有关这些方法和其他方法的信息：土壤湿度 201--含水量测量、方法和应用。

在选择土壤水分传感方法时，考虑应用非常重要。例如，在犹他州拉什谷的一个研究地点，一位研究人员面临的挑战是在降水、啮齿动物和规定烧荒发生变化的情况下，比较不同处理之间的用水量。选择正确的技术对于显示这些处理方法在降水变化情况下对本地物种与入侵物种平衡的影响至关重要。

电阻式土壤水分传感器为何不是科研级的

图 4 是通过谷歌搜索找到的两个土壤水分传感器的示例。这两种传感器都是通过在两个电极上产生电压差，让少量电流在两个电极之间流动，并输出一个电阻值或导电率值来测量土壤含水量百分比的。

由于水是一种极差的导体，因此是水中的离子将电流从一个电极带到另一个电极。从理论上讲，这个想法是好的；随着土壤中水量的增加，电阻会下降，这是有道理的。然而，在实践中，这种方法背后的假设却存在挑战。原因如下：

图 5 展示了正负极板带电后离子在土壤中移动的情况。要使电阻法奏效，一个关键的假设是土壤中的离子数量保持相对恒定。如果土壤中的离子数量不恒定，或者我们在不同的土壤中使用传感器，精确度就不可能达到，因为随着孔隙水中离子数量的变化，即使水量没有变化，电流流动的能力也会改变。

可以用一个简单的例子来说明这一观点。要使传感器不仅仅用于干/湿测量，还需要进行校准，将传感器的输出（在本例中为电阻或其简单的倒数：电导率）与体积含水量联系起来。

图 6 是饱和提取电导率（水从饱和土壤中提取后的电导率）的简单模型。它表明传感器校准的变化可能超过一个数量级。

因此，虽然电阻传感器价格低廉，能对含水量的变化做出反应，而且很容易集成到 DIY 项目中，但其真正的用途仅限于家庭园艺和科学展览项目。在任何科学研究中，它们都无法进行可靠的体积含水量测量。

介质传感器（TDR、FDR、电容）：更有效的方法

介质传感器（TDR、FDR、电容型）是测量土壤电荷储存能力的一类传感器。这种电荷存储方法比电阻方法更有效，原因如下。

图 7 左侧是使用电阻传感器时离子情况的示意图。右边是电介质传感器（TDR、FDR 电容）对离子的影响。右侧的理想介质传感器电路只是将水分子极化在两个电极之间。水分子在该场中的排列非常短暂，因此可以存储少量电荷，而不会导致盐离子极化。这种理想的测量方法对水量的变化敏感，但对盐量的变化不敏感。

图 7 中离子图的上方是电阻器（左）和电容器（右）的电路图。有些介电测量方法与中间的电路图比较类似，它们在测量中加入了一些电阻，对盐浓度的变化比较敏感。

TDR 传感器、FDR 传感器、电容传感器：它们的工作原理

那么，为什么介电（TDR、FDR、电容）能有效测量多孔土壤基质中的水？

土壤中的每种材料都有独特的电荷存储能力，称为介电常数。介电常数表将空气的介电常数任意定为 1，然后将其他材料的介电常数与该值联系起来。土壤是固体、液体和气体的混合物。每种材料的介电常数都不同，但一般来说，与水相比，它们的介电常数都很低。因此，当用介电传感器测量土壤的电荷储存能力时，只有水和空气的体积会发生显著变化，因此我们可以将其与体积含水量联系起来。

图 9 是同样的比例，显示了不同土壤混合物的体积百分比与介电值之间的关系，纯水一直在右边（显然这不会发生在土壤中，因为土壤中没有矿物质）。由于矿物质通常约占土壤总体积的 50%，因此矿物质土壤的实际介电范围通常在 2 到 30 之间，但这只是一般规则，在特定的土壤环境中会发生变化。

显然，实用的土壤含水量传感器的一个关键特征是准确测量体积含水量。

图 10 是土壤介电强度与其体积含水量之间的关系图。与电阻一样，介电传感器在预测体积含水量方面也不完美。不过，对于这些传感器来说，影响性能的因素要少得多。在这张以介电为 x 轴、体积含水量为 y 轴的图表中，请注意土壤容重的差异对校准的影响。影响是存在的，但相对较小。容重并不是唯一会改变校准的因素，土壤类型、盐度、粘土百分比、传感器与土壤的接触情况等也会影响精度。不过，许多现有的高质量传感器都已开发出可减轻这些挑战的技术。要完全避免这些问题是不可能的，但可以将其最小化。

介质传感器的性能不尽相同

介质测量技术（TDR 传感器、FDR 传感器、电容传感器）并不都是一样的。事实上，根据测量频率和电路设计的不同，有些技术更像是电阻传感器。能否在成功极化水分子的同时避免极化溶解离子，取决于极化发生的速度或测量频率。

在较低频率下，介电传感器会使水和盐分极化，因此对土壤中的盐分异常敏感。不过，随着测量频率的增加（约 50 兆赫及以上），这种影响会减弱。因此，如果传感器的工作频率在千赫范围内（如亚马逊上售价 5 美元的介电传感器），并不意味着该传感器可以避免影响传感器精度的诸多因素。而且，即使传感器的测量频率很高，也不能保证一定成功。正确的电气系统设计也起着重要作用。

介电传感器有多种类型，本文开头的网络研讨会（上文）提供了有关每种技术的更多信息。市场上最常见的研究级水含量传感器可分为三大类。

• 电容-- 电容传感器将土壤作为电容元件，利用土壤的电荷储存能力来校准含水量。
• 时域反射仪 (TDR) 时域反射 仪传感器测量电能反射波沿传输线的传播时间。传播时间与土壤的电荷储存能力和体积含水量有关。有趣的是，TDR 信号中包含一系列频率（而非单一频率），这有助于减少土壤盐度造成的误差。
• 频域传感器（FDR）还将土壤用作电容器，测量电路中的最大谐振频率，并将谐振频率与含水量联系起来。

在所有这些类别中，有些传感器性能良好，有些传感器性能不佳。许多研究表明，以下传感器可以很好地测量内容：METER（前身为 Decagon Devices） EC-5, 10HS5TE/TM（现为TEROS 10/11/12），以及 Campbell Scientific 的 CS655、TDR 200 和 SoilVue 10、Delta T 的 Theta Probe 和 SM 系列、Stevens 的 Hydra Probe 和 Acclima 的 TrueTDR 系列。所有这些传感器都可能需要用户根据土壤类型和导电率进行校准。

Vaz 等人（2013 年）提供了一份仔细的研究报告，对其中几种传感器进行了比较（点击此处阅读），该报告将有助于进行更深入的审查。这些类型的研究是一个很好的起点，但在为您的独特应用选择土壤水分传感器时，还有更多因素需要考虑。我们将在下文中探讨这些因素。

以下两张图表比较了最常见的土壤水分传感方法（TDR 传感器、FDR 传感器、电容传感器、电阻传感器、COSMOS、中子探针）、每种方法的优缺点以及每种方法在何种情况下可能有用。所有 METER土壤水分传感器都采用高频电容传感技术和安装工具，便于安装并确保尽可能高的精度。有关每种测量方法的更多详细信息，请观看土壤湿度 201：测量、方法和应用。

土壤水分传感器的类型

传感器优势比较

精度不仅仅与传感器有关

在前面提到的拉什谷研究地点，有四个处理重复了五次，每次处理都在多个深度安装了传感器。研究的目的是了解啮齿动物和规定的烧荒如何随着降水量的变化影响本地和入侵物种的多样性。该项目最具挑战性的两个方面是：选择一种能确保有效安装的传感器，以及如何积累数据并高效地提供给项目的众多利益相关者。

2019 年，METER 发布了功能齐全的土壤水分传感系统，该系统注重简单部署，消除了影响良好精度的三个最常见障碍：安装不一致、传感器之间的可变性和传感器验证。以下视频展示了TEROS 12土壤水分传感器（采用电容技术的高频介质传感器）与新型钻孔安装工具的安装过程。

使用这种方法，可以在土壤中两米以下的多个深度快速安装传感器。该工具可将传感器准确地垂直插入土壤中。杠杆的机械优势与磨得锋利的优质传感器针相结合，确保每次安装都近乎完美，即使在坚硬的土壤中也是如此。

物联网系统改进了现代传感技术

除了安装，可靠的数据收集和可视化也是必不可少的考虑因素。物联网技术（ZENTRA Cloud)的引入为提高现代传感的效率和效果提供了机遇。

例如，METER 的ZENTRA 系统是一个由传感器、记录仪和软件组成的完整物联网系统，易于部署，几乎不需要维护，近乎实时的数据触手可及，因此您可以发布更多信息，减少工作量。下面的视频显示了有人在ZENTRA Cloud 软件中远程检查问题。

以下是典型的研究人员工作流程。红色表示ZENTRA 系统消除或简化了不必要的工作。

ZENTRA 减少不必要的成本和人力，让您有更多时间进行研究。点击下表中的链接，了解系统各部分如何协同工作，简化研究过程。

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选择合适的传感器比想象中容易

虽然水含量传感器（TDR 传感器、FDR 传感器、电容传感器、电阻传感器）的数量多得惊人，但选择一种专门满足测量需求的传感器可能比表面看起来要简单得多。尽管电阻式技术价格诱人，而且很容易集成到测量项目中，但依靠这种技术并不能获得良好的结果。土壤中的盐分受盐度、肥料甚至土壤类型的影响而不断变化，这往往会导致传感器读数令人费解，也会让您感到沮丧。基于介质的传感器（TDR、FDR、电容）是更好的选择，但仍然需要仔细考虑，因为并非所有的介质传感器都是一样的。虽然有几种不同的方法可以测量土壤的介电或电荷储存能力，但研究表明，其性能与良好的安装以及测量频率和电路设计等单个传感器的质量密切相关，而不是与特定的测量技术（如电容、FDR 或 TDR）密切相关。一般来说，频率越高，数据质量越高，但传感器成本也越高。可以说，传感器的真正价值来自于性能与价格之间的最佳平衡。

资源

• 评估八种电磁土壤湿度传感器的标准校准函数（文章链接）
• 用于测量多孔介质中水含量和盐度的复合介电传感器（文章链接）

了解我们最新的土壤水分传感器

我们创建了新的TEROS 传感器系列，以消除获得良好精度的障碍，例如安装不一致、传感器之间的差异以及传感器验证。TEROS 土壤水分传感器将一致、完美的安装与安装工具、极其坚固的结构、最小的传感器之间的差异、较大的影响量以及先进的数据记录相结合，以您可以承受的价格提供最佳性能、精度、易用性和可靠性。

想要了解更多详情？在下面的视频中，土壤湿度专家利奥-里维拉（Leo Rivera）解释了为什么我们花了 20 年时间创建了全新的TEROS 传感器系列。

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