1、土壤水分監測傳感器的分類和使用2011-02-18 09:16王吉星 1 ，孫永遠 21. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012 ；2. 江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029)摘 要：通過調研，收集了國內外主流的土壤水分監測儀器資料， 分 析了儀器測量原理、主要性能和技術參數， 進行了類型劃分，根據土 壤墑情監測規范 的要求和墑情監測系統建設需求， 在類比分析的基 礎上，提出了適合國內實際情況的土壤水分自動化監測儀器的產品型 式，為國內墑情自動測報系統儀器的選型提供參考依據。關鍵詞： 土壤水分；監測；傳感器；墑情；自動測報 中圖分類號： S153；TP393文獻

2、標識碼： B 文章編號： 1674-9405(2010)04-0037-050 前言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，目前主要采用烘干稱重、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。綜觀國內墑情自動監測現狀，目前還沒有一種產 品在野外廣泛使用， 也沒有一種主導產品實現大范圍墑情信息自動采 集、傳輸處理。隨著國家抗旱指揮系統的規劃和實施， 各省、市區域墑情自動監 測即將全面展開，特別是 2010 年春季我國西南部分?。▍^）干

3、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 ）。傳統的烘干法盡管也需要一些設備

4、， 但不屬于土壤水分監測儀器 的范疇，它只是一種方法。烘干法的內容和方法在 SL364-2006 土 壤墑情監測規范 5.2 節中有明確規定， 目前烘干法依然是唯一校驗儀器準確度的方法11.1 時域反射儀儀器（TDRTDF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， 并采用時域反射測試 技術研制出來的儀器，具有快速、便捷和能連續觀測土壤含水量的優 點。由于空氣、干土和水中的介電常數相對固定，如果對特定的土壤 和介電常數的關系已知，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和包圍在傳輸體上的物質介電常數 有關的基本原理

5、，干燥土壤和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）:Ka= CTI2D 1（1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，cmi; C為電磁波在真空中傳播速，cm/ns?；蛑苯訉鬏敃r間T和介電常數Ka表達為：TDR信號脈沖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發 射高頻波，高頻波在土壤的傳輸速度（或傳輸時間）和土壤的介電常 數相關，介電常數和土壤的含水

6、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 1 GHz 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 同的信號采集要求，TDF土壤水分傳感器也可輸出420 mA或232 串行接口數據。TDR的上述輸出容易接入常規的數據采集器， 形成自 動測量系統。4）目前市場

7、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n 1巫產品水甘HU示尅圖1.2 時域傳輸型儀器（TDTTDT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后的信號，并不要求 獲取反射后的信號。該技術也是基于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原理研制出的水分測

8、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使用中具有推廣使用潛力；3）基于TDT原理研制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采集器，形成自動測量系統。圖2是一種長3 m的帶狀TDT水分傳感器使用示例，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, 因測量范圍是圓柱型土體帶，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 外掛的米集和顯示儀表。S2 TET產品進抒土第水分監測笊竄閨1.3 頻域反射型儀器（FDRFDR 土壤水分監測

9、傳感器的測量原理是插入土壤中的電極和土壤（土壤被當作電介質）之間形成電容，并和高頻震蕩器形成1個回路。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。 使用掃 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于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。電壓的差值對應于土壤的表觀介電常數。FDR特點分析如下：1）頻域測量技術用于土壤科學是近年才得到使用的，采用在某 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

10、 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使用通過后續的 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制成功，由于頻域法采用了低于 TDR 的工作 頻率，在測量電路上易于實現，造價較低。2）頻域法儀器一般工作在20150 MHz的頻率范圍內，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范圍內和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

11、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。國內最早研制的駐波式 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采用的是100 MHz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 常規的數據采集器實現

12、連續、動態墑情監測，可組建墑情監測網絡，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0.110.0M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， 并在探測器周 圍形成密度和水分含量相關的慢中子“云球”。散射到探測器的慢中 子產生電脈沖，且被計數；在 1 個指定時間內被計數的慢中子的數 量和土壤的體積含水量相關，中子計數越大，土壤含水量越大。中子儀適合人工便攜式測量土壤墑情， 采用中子水分儀定點監測 土壤

13、含水率時， 每次埋設導管之前， 都應以取土烘干法為基準對儀器 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 范圍為 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于土壤水勢梯度。 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）。張力計的使用原理類似于 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， 可以在使用研究田塊中大量布

14、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， 傳感器可用于自動測量。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， 目前使用較少。2 土壤水分監測儀器技術指標土壤墑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。 以建設自動墑情監 測站為目的，按照土壤墑情監測規范的有關規定，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 C;2）工作環境濕度：100 % RH （無凝結）；3）誤差不超過 2 % （絕對含水率在 5 %50 %范圍內時）;4）測量范圍：一般為 0 50 %；5）穩

15、定時間：一般情況下應不大于 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 便攜式土壤水 分速測儀為例。Trime-EZ TDR 土壤水分傳感器和手持讀表連用，可便攜式測量土壤水分，也可連接有模擬量接口的自動測報裝置測量范圍：0100 %體積含水量；含水量040 %范圍：精度士 2 %;含水量 40 %70 % 范圍： 精度 3 %； 重復測量精度：士 0.5 % ；操作溫度：-1550 C;供電： 7 15 VDC；電量消耗： 靜態 8 mA ，測量時 250 mA；輸出： 01 V 或 4 20 mA 或 RS-232 數字接口； 外

16、殼防護等級： IP68；纜線長度 5 m （可訂制特殊長度）。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：測量范圍： 0100 % 體積含水量；精度： 5 % （070 C，儀器默認土壤類型）；工作溫度：-10+ 70 C;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

17、積含水量；測量精度：給定土壤標定后 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：通電后約 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： 01 V ；密封材料： PVC； 探針材料：不銹鋼；電纜長度：標準長度 5 m； 最大傳輸長度： 100 m。3 土壤水分監測儀器使用和選型3.1 使用要求 土壤墑情自動監測系統包括土壤水分信息的采集、傳輸、存儲、 處理及自動報送功能, 其中采集是旱情監測系統的基礎, 自動化的水 分采集儀器必須測驗準確，質量可靠。因

18、此，監測儀器從使用方面應 具備以下要求：1）率定或標定后，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，便于測量地點現場埋設后長期自動工作；4）無須日常維護，適合于大批量建設無人監測站；5）價格適中，推廣使用成本低廉。3.2 實驗使用實例在某實驗站，按照 SL 364-2006土壤墑情監測規范中的儀器 布設深度要求， 采用 3 只土壤水分監測傳感器， 按 10、20、40 cm 深 度垂直布設1,連接數據采集傳輸終端（YDH-1型），組建了 1座 墑情自動站，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、40 cm 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于對應觀察土壤墑情的跟隨降雨的 反應變化情況。_ElV fW1:c-r 撈琴)%wrK*-JJ ftv 5 A- 5- ft- 4.- fl- 5 9 EJ s 3 4 4 J J I/鼻 Lk如-OF 20W-0-flO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