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，可長期埋設(shè)于土壤和堤壩內(nèi)使用，對表層和深層土壤進(jìn)行墑情的定點(diǎn)監(jiān)測和在線測量。與數(shù)據(jù)采集器配合使用，可作為水分定點(diǎn)監(jiān)測或移動(dòng)測量的工具（即農(nóng)田墑情檢測儀）。

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，國內(nèi)外一直都在進(jìn)行各種測量方法的研究，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)射儀等測量方法。這些方法雖然可以實(shí)現(xiàn)土壤水分的測量，但原理、特性各有不同。綜觀國內(nèi)墑情自動(dòng)監(jiān)測現(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)測系統(tǒng)建設(shè)需要開展國內(nèi)外土壤水分監(jiān)測傳感儀器的調(diào)查研究工作，對調(diào)研產(chǎn)品進(jìn)行分類分析。

1?土壤水分監(jiān)測儀器分類和特點(diǎn)分析

按照測量原理，土壤水分監(jiān)測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(zhì)介電常數(shù)之間的差異原理，并采用時(shí)域反射測試技術(shù)研制出來的儀器，具有快速、便捷和能連續(xù)觀測土壤含水量的優(yōu)點(diǎn)。

由于空氣、干土和水中的介電常數(shù)相對固定，如果對特定的土壤和介電常數(shù)的關(guān)系已知，就可間接對土壤水分進(jìn)行有效介電常數(shù)測量。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)從理論上確立對土壤水分的測量有很好的響應(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 為測量用的波導(dǎo)頭的長度，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)，這樣測量高頻波的傳輸時(shí)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(jiān)測精度最高的技術(shù)。

2）因電磁波的傳輸速度很快，TDR 測定時(shí)間的精度需達(dá) 0.1 ns 級，因此 TDR的時(shí)間電路成本高，測量結(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，輸出信號一般為模擬電壓信號，可精確表達(dá)插入點(diǎn)處土壤的水分。根據(jù)不同的信號采集要求，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)測量系統(tǒng)。

4）目前市場上的 TDR 土壤水分傳感器是典型的點(diǎn)式土壤水分測量儀器，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(chǎn)品水分監(jiān)測示意圖如圖 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(shù)也是基于土壤介電常數(shù)的差異性來測定土壤含水率的[2]。

TDT 特點(diǎn)分析如下：

1）以 TDT 原理研制出的水分測定儀工作頻率較低，線路設(shè)計(jì)比較簡單，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定儀輸出信號一般為模擬量，可以接入常規(guī)的數(shù)據(jù)采集器，形成自動(dòng)測量系統(tǒng)。

是一種長 3 m 的帶狀TDT水分傳感器應(yīng)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(diǎn)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)測傳感器的測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，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)頻率上測定相對電容，即介電常數(shù)的方法測量土壤水分含量，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)更簡單，測量更方便。但是，在過去，通常人們很難得到準(zhǔn)確的介電常數(shù)測量值。可靠的土壤水分含量必須對每一個(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，測量結(jié)果變異大。國外駐波式FDR土壤水分監(jiān)測傳感器也在不斷革新，逐步增加了溫度補(bǔ)償?shù)裙δ埽鄳?yīng)提高了測量精度。但是，F(xiàn)DR 土壤水分監(jiān)測傳感器采用的是 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)致測量精度比 TDR 和TDT土壤水分監(jiān)測傳感器要低一些。

4）土壤水分監(jiān)測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，可組建墑情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用比前2種低。