如何根據(jù)個(gè)人應(yīng)用選擇合適的土壤水分傳感器

目前，由于市場上的土壤水分傳感器類型眾多，因此用戶經(jīng)常不知如何針對(duì)個(gè)人需求選擇合適的傳感器。要做出恰到好處的選擇，我們首先要明白不同土壤水分傳感器測量的究竟是什么值、怎樣才稱得上是好的土壤水分傳感器、如何理解生產(chǎn)商的技術(shù)參數(shù)等。在此文章中，將針對(duì)這些主題，幫您做出合適的傳感器選擇。
土壤水分傳感器測量的究竟是什么？
我們發(fā)現(xiàn)，在目前市場上的土壤水分傳感器中，并沒有一種能夠直接測量土壤水分。這些傳感器通常測量的是土壤其他特性的變化，然后推測出土壤水分含量。通常，根據(jù)一些隨土壤含水量變化而變化的特性，包括介電常數(shù)、熱導(dǎo)率、中子通量密度等，可以很容易計(jì)算出土壤水分的含量。在本文章中，重點(diǎn)介紹介電常數(shù)原理的傳感器。
介電常數(shù)傳感器是目前市場上最常見的土壤水分傳感器，這些傳感器通過不同的技術(shù)，測量周圍土壤的介電常數(shù)，常用的技術(shù)方法包括：
●時(shí)域反射方法（TDR）；
●時(shí)域傳播方法（TDT）；
●頻域反射法（FDR）；
●電容充電時(shí)間方法；
●傳輸線振動(dòng)方法；
●同軸阻抗介質(zhì)反射方法；
●同軸微分振幅反射方法；
以上無論何種技術(shù)，都應(yīng)用同一原理：土壤的介電常數(shù)主要由土壤含水量決定。
簡單來講，可將介電常數(shù)看作內(nèi)存電能。傳感器在土壤中生成電場，由于水分子具有極性，土壤中的游離水分子會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，直至與電場方向一致。

游離水分子在旋轉(zhuǎn)的過程中需要能量，這種能量以勢能的形式存在于對(duì)齊的水分子中。土壤中的含水量越高，勢能也越大，土壤整體的介電常數(shù)也越大。
土壤的其他組成成分，包括礦質(zhì)離子、有機(jī)體、空氣等，同樣也帶有電能，但水分中存儲(chǔ)的電能約是其他成分電能的十幾倍。因此，在傳感器的量程范圍內(nèi)，水分含量主要決定了介電常數(shù)。
土壤水分傳感器的電信號(hào)會(huì)隨介電常數(shù)的變化而變化，因此，也會(huì)隨水分含量的變化而變化。一些傳感器測量介電常數(shù)，然后轉(zhuǎn)化成水分含量；還有一些將傳感器的輸出電信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為土壤容積含水量，無論屬于哪種，其基本原理都是土壤中的水分決定著土壤的介電常數(shù)，而介電常數(shù)決定傳感器的電信號(hào)輸出。這點(diǎn)在用戶比較儀器的準(zhǔn)確性參數(shù)時(shí)，至關(guān)重要。
怎樣才稱得上是好的土壤水分傳感器？
理想的高性能土壤水分傳感器應(yīng)具備以下特性：
●可以滿足用戶對(duì)準(zhǔn)確度和分辨率要求；
●可持續(xù)正常工作的時(shí)間滿足用戶要求；
●需要最少的標(biāo)定、且不需要再次標(biāo)定；
●可以符合用戶的預(yù)算要求；
●易于安裝和測量。
可以看出，以上特性可能相互之間有所矛盾。比如，一個(gè)耐用、高準(zhǔn)確度的傳感器應(yīng)該相對(duì)于較不耐用、較低準(zhǔn)確度的傳感器更貴一些。傳感器制造商也應(yīng)盡量均衡這些特性?？蛻粼谶x擇合適的傳感器時(shí)，要明確哪項(xiàng)特性對(duì)于自己最重要，然后選擇最符合自己需求的傳感器。
以及如何理解生產(chǎn)商的技術(shù)參數(shù)
要想真正清楚土壤水分傳感器的技術(shù)參數(shù)，可以從了解含水量、介電常數(shù)、以及電信號(hào)隨介電常數(shù)的變化，這三者之間的關(guān)系入手，以上三者的關(guān)系決定了傳感器測量水分含量值的準(zhǔn)確度、分辨率以及量程范圍。

準(zhǔn)確度
傳感器測量容積含水量的準(zhǔn)確度取決于以下幾個(gè)因素：
●電信號(hào)測量的準(zhǔn)確度；
●溫度對(duì)電信號(hào)測量的影響；
●溫度對(duì)介電常數(shù)和土壤電導(dǎo)率的影響；
●傳感器測量不同介質(zhì)介電常數(shù)的準(zhǔn)確度；
●傳感器將測量的電信號(hào)或介電常數(shù)值轉(zhuǎn)換為容積含水量的函數(shù)的準(zhǔn)確度；
●傳感器周圍土壤對(duì)校正函數(shù)的適用度。
如果所有的廠家提供的都是測量介電常數(shù)的準(zhǔn)確度參數(shù)，那么我們很容易對(duì)比不同傳感器的性能。但事實(shí)上，許多用戶并不真正了解介電常數(shù)與容積含水量之間的關(guān)系，同時(shí)不夠清楚，某些狀況可能會(huì)導(dǎo)致最終測量值的誤差。
由于對(duì)于不同的土壤類型，沒有統(tǒng)一的校正函數(shù)，制造廠商通量選擇一種或幾種“有代表性”的土壤進(jìn)行測試，并給出含水量準(zhǔn)確度參數(shù)。因此，對(duì)于形如“±1%容積含水量”的準(zhǔn)確度參數(shù)描述，其真正含義是:在進(jìn)行校正工作的環(huán)境下，其準(zhǔn)確度為±1%，這種環(huán)境通常為室內(nèi)環(huán)境、溫度變化不大、且只有一種或幾種代表性土壤。
●如果用戶的實(shí)驗(yàn)環(huán)境滿足校正的環(huán)境，那傳感器的準(zhǔn)確度符合技術(shù)參數(shù)描述；
●如果傳感器在野外自然環(huán)境下使用，應(yīng)用環(huán)境可能千差萬別，那除非用戶再次校正，否則其準(zhǔn)確度可能會(huì)不符合技術(shù)參數(shù)描述。
另外一個(gè)重要問題需要注意:當(dāng)土壤處于極端干燥狀況時(shí)，介質(zhì)土壤水分傳感器的準(zhǔn)確度會(huì)降低。當(dāng)土壤中的含水量很低時(shí)，水分對(duì)于土壤總介電常數(shù)的貢獻(xiàn)就會(huì)變小，甚至小到傳感器監(jiān)測不到水分含量的變化。在干燥土壤中，溫度對(duì)最終測量值的影響甚至超過土壤水分含量的影響。
提示：當(dāng)參數(shù)顯示在土壤含水量很低的狀況下，儀器具有很高的測量精度時(shí)，需要特別謹(jǐn)慎。
注意：準(zhǔn)確度可能指的是絕對(duì)精度（%水分/%干土壤）或者讀數(shù)的百分比。將讀數(shù)百分比轉(zhuǎn)換成絕對(duì)精度時(shí)，應(yīng)乘以量程的最大和最小值。
例如：Campbell CS655的介電常數(shù)準(zhǔn)確度參數(shù)是：在≤8ds/m的電導(dǎo)率溶液中，當(dāng)介電常數(shù)范圍為1~40時(shí)，準(zhǔn)確度為：±（3%的讀數(shù)+0.8）.即當(dāng)傳感器的介電常數(shù)讀數(shù)為1時(shí)（空氣中），讀數(shù)的準(zhǔn)確度是：±（1×0.03+0.8）=±0.83；如果傳感器的介電常數(shù)為40時(shí)，讀數(shù)的準(zhǔn)確度是±（40×0.03+0.8）=±2.
對(duì)準(zhǔn)確度總結(jié)：制造廠商在寫技術(shù)參數(shù)時(shí)，必須覆蓋多種應(yīng)用環(huán)境下的應(yīng)用。如果用戶在自己特定的監(jiān)測土壤環(huán)境下做標(biāo)定，那最終的測量準(zhǔn)確度可能會(huì)優(yōu)于技術(shù)參數(shù)所描述的。

分辨率
分辨率參數(shù)描述的是：當(dāng)土壤水分改變多少時(shí)，傳感器能夠監(jiān)測到這種變化，主要取決于傳感器電信號(hào)測量的質(zhì)量。（測量可能是通過傳感器內(nèi)部電子或外部設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集器，來實(shí)現(xiàn)）。儀器的分辨率還可能受信號(hào)的數(shù)學(xué)計(jì)算以及數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)格式的舍入誤差的影響。高品質(zhì)的土壤水分傳感器應(yīng)同時(shí)具備高準(zhǔn)確度和高分辨率。

量程
當(dāng)我們對(duì)比不同土壤水分傳感器的量程時(shí)，首先很重要的一點(diǎn)是：理解如何定義量程以及介電常數(shù)方法的局限性。
容積含水量的量程有以下表達(dá)方式：
0~100%：通常理解為：從空氣環(huán)境到水環(huán)境條件下，介電常數(shù)變化值所對(duì)應(yīng)的傳感器示數(shù)；
干~飽和：無數(shù)字描述，傳感器經(jīng)廣范圍介電常數(shù)條件校準(zhǔn)，適用于各土壤、不同含水量條件的測定；
0~××%：通常理解為：傳感器在土壤處于絕對(duì)干燥直至飽和之間進(jìn)行的測試；
×%~××%：描述的是傳感器測量數(shù)據(jù)最為準(zhǔn)確的一個(gè)區(qū)間。這種描述方式可能使傳感器性能看上去略劣于同類產(chǎn)品，但由于介電常數(shù)類傳感器在極端干燥土壤中的精度會(huì)下降，因此這種參數(shù)描述是傳感器實(shí)際準(zhǔn)確應(yīng)用過程中最負(fù)責(zé)任的描述。
注意：容積含水量有時(shí)會(huì)以小數(shù)的形式表達(dá)，若想將小數(shù)的形式轉(zhuǎn)換為百分比表達(dá)，只需乘以100%即可。
例如：Delta-T公司的ML3傳感器，其含水量量程參數(shù)是0~0.5m3/m3，將量程兩端的值均乘以100%可以得到其百分比量程是：0~50%。
如果傳感器的量程可以覆蓋實(shí)驗(yàn)者的測試土壤，那說明選擇了合適的傳感器。絕大多數(shù)的礦質(zhì)土壤的最大水分含量為40%~50%。某些粘土或有機(jī)土的含水量可高達(dá)60%~70%。因此在選擇傳感器時(shí)，一定要適合實(shí)驗(yàn)土壤的類型。
總結(jié)
事實(shí)上，目前并沒有完美的土壤水分傳感器。所有的傳感器均有其優(yōu)勢及其不足。對(duì)于不同用戶，最好的傳感器應(yīng)該是，能夠滿足實(shí)驗(yàn)者最關(guān)注的要點(diǎn)。目前市場上有很多性能不錯(cuò)的傳感器，如果用戶真正理解了這些傳感器到底測量的是什么，那么就很容易對(duì)這些傳感器做出對(duì)比、然后選擇出適合自己應(yīng)用的傳感器。

審核編輯：符乾江