論土壤濕度測量系統(tǒng)的選擇及土壤濕度和電導率同步測量的重要性

       今天想與大家分享的是關于土壤濕度測量系統(tǒng)的選擇及土壤濕度和電導率同步測量的重要性；為什么要對土壤含水量進行高精度、寬時空范圍的測量？為何要進行土壤濕度和電導率的同步測量？不同介電測量技術有什么區(qū)別？時域反射(TDR)的主要優(yōu)勢有哪些？我們一起來學習一下吧~

為何要對土壤含水量進行高精度、寬時空范圍的測量？

       全球水文循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)的運作取決于土壤、植被和大氣之間復雜的相互作用。越來越多的證據(jù)表明，這些相互作用在調(diào)節(jié)大氣條件方面發(fā)揮的作用比最初假設的要大。隨著氣候模型的發(fā)展，研究人員越來越意識到土壤水供應在模擬陸地表面水通量中的關鍵作用。不考慮降水脈沖和降水制度變化對蒸發(fā)量和生態(tài)系統(tǒng)總呼吸量的影響的模型，將無法準確模擬伴隨的氣候反應。土壤水分的時空變化會對降水等氣候因素產(chǎn)生持久的影響，納入亞網(wǎng)格尺度的土壤水分異質(zhì)性可以改善全球氣候模型的性能。過去，有關土壤水分的信息是通過實驗室對土壤樣本進行精準分析，或通過使用原位土壤水分測量儀（其中以介電測量技術為主，如電容式/FDR，TDR）進行測量。這些方法都有缺點，或是時間分辨率低或/和勞動要求高，或是購置或/和維護成本高, 抑或是環(huán)境適應性差（如高含鹽量的情況）。

什么是介電測量傳感器？

       介電常數(shù)是物質(zhì)的一種屬性，特別是對于不導電的材料來說，介電常數(shù)的特征很明顯。純凈的水是不導電的。介電常數(shù)量化了絕緣材料的電荷保持能力。它是存儲電荷與應用電場的比率（高斯定律）。如果兩塊導電板（電極）被空氣隔開并與電池相連，電子將在正極板上聚集，離開負極板，并在板間形成電場。這就形成了一個電子的存儲機制。 每一單位電壓的電荷量由板塊之間的介質(zhì)的介電常數(shù)所決定。如果板塊浸泡在水中，儲存的電子數(shù)量將增加80倍（水在室溫下的相對允差為80）。因此，通過監(jiān)測外加電壓變化所產(chǎn)生的流入和流出板塊的電流，可以知道板塊之間介質(zhì)的相對的體積電導率，由于水通常是土壤中唯一具有高介電常數(shù)的材料，我們可以估計土壤中含有多少水。圍繞這一概念設計的傳感器經(jīng)常被稱為電容式傳感器，但更準確的定義是高斯式傳感器，因為它們是基于高斯定律的。一些電容式傳感器從結構上看不像是電容式傳感器，但還是以高斯定律為基礎。盡管高斯傳感器比它們的前輩更可信，但它們有一個嚴重的缺陷，那就是它們不能克服土壤電導率（EC）帶來的誤差。如果我們在不導電的土壤中監(jiān)測土壤濕度，那么高斯傳感器會很好地工作。頻域傳感器（FDR）類似。

       但是，當對土壤施加一點肥料或灌溉略帶鹽分的水時，歐姆定律所描述的電子流就會干擾測量 "電容 "電流和土壤電場的能力，而不管傳感器設計中使用的是什么特定的電路方法。當土壤具有導電性時，在施加電場的情況下，電流會流經(jīng)土壤。即使在板塊與土壤絕緣的情況下，這種情況也會在瞬時發(fā)生。電流在土壤中產(chǎn)生反向場（與外加場相反），削弱了土壤中的局部場。瞬態(tài)電流的增加也會發(fā)生。電場與電荷的比率隨之增加，導致嚴重高估了介電常數(shù)和含水量。一些高斯傳感器制造商試圖對他們的傳感器進行電導率補償，但土壤電導率非常依賴于含水量。這兩個變量不是正交的，試圖用依賴水含量的電導率測量來補償水含量是徒勞的。

       由于市場上普遍存在高斯傳感器，因此在評估土壤水分傳感器性能時，將測量穩(wěn)定性與土壤電導率結合起來是非常重要的。傳感器的電導率穩(wěn)定性是重要的參數(shù)之一，比絕對精度重要得多。傳感器的精度可以在現(xiàn)場進行校準，但由于電導率的變化，其對錯誤讀數(shù)的敏感性是無法補償?shù)摹８咚箓鞲衅髡`報的電導率的增加將被視為土壤含水量的增加，這種顯然是錯誤的，即增加了科學相關研究的不確定性，也提高了含水量誤報下農(nóng)業(yè)灌溉的風險。

       幸運的是，還有另一個基本物理定律可用于測量不受電導率影響的介電常數(shù)。這就是描述電磁波傳播的安培/法拉第定律（實際上是兩個定律）。電磁波的傳播速度受物質(zhì)的兩個特性控制：介電常數(shù)和磁導率。幾乎所有土壤都是非磁性的，因此土壤中的電磁波速僅受介電常數(shù)控制。電導率對電磁波速沒有影響，但會使電磁波減弱。如果我們可以測量土壤中的電磁波速，我們就可以在不受土壤電導率干擾的情況下找到介電常數(shù)，但我們必須能夠對發(fā)生在十億分之一秒內(nèi)的事件進行準確的時間測量，準確度和分辨率達到萬億分之一秒。我們還必須能夠檢測到能量首次到達的時間，即使該波可能由于土壤導電性而嚴重減弱。執(zhí)行此操作的一種流行儀器稱為時域反射儀 (TDR)。 TDR 包含一個階躍函數(shù)發(fā)生器，可在傳輸線上發(fā)出瞬時電壓。電壓沿傳輸線傳播（類似于沿綁在樹上的繩索傳播的紋波），當波到達傳輸線的末端時，它會反射回原點。如果我們準確測量電壓階躍返回所需的時間，我們就可以非常精確地確定介質(zhì)的介電常數(shù)是多少，而與所有其他參數(shù)無關。同樣，根據(jù)介電常數(shù)，我們可以估算土壤的體積水含量θ[1]。測量上升/下降時間為100-300ps的針狀脈沖在特定介質(zhì)中的傳播速度。如果被測介質(zhì)是非磁性的，且其導電率不高于0.4S/m[2]，則傳播速度取決于介質(zhì)的介電常數(shù)ε，根據(jù)一個簡化關系——

 

 

       其中c是真空中的電磁波速（300 000 km/s），L是傳感器的傳輸線的長度，Δt是開放傳輸線的起點和終點之間的反射時間。

       上式分子中的因子2表示這是一種反射法，脈沖沿線走一遍就回來了。TDR技術中使用的傳感器是一條平行的傳輸線，通常是以兩個或三個鋼棒的形式放置在被測多孔介質(zhì)中。被測介質(zhì)的均勻性是TDR設備正常運行的必要條件。

       TDR水分測量方法的校準是一個兩步程序[3]。首先，需要對傳感器進行校準，以便通過確定ε = f(v)的關系將被測介質(zhì)的介電常數(shù)的測量不確定性降到更低。接下來，使用土壤體積含水量的參考烘箱干燥測量值進行最終校準，這就提供了θ = f (ε)關系。

不同介電測量技術有什么區(qū)別？

       介電測量技術主要包含電容/FDR測量技術、TDR測量技術，其測量結果并不都是一樣的。事實上，根據(jù)其測量頻率和電路設計，有些可以更像電阻傳感器（因為技術落后，不在本討論范疇內(nèi)）。成功地極化水分子，同時避免極化溶解的離子，取決于這種極化發(fā)生的速度，或測量頻率。其中，

 

       在較低的頻率下，介電傳感器使水和離子極化，使它們對土壤中的鹽分異常敏感，從而造成測量結果的不準確。測量頻率越低，對鹽度響應越明顯；只有1GHz左右及以上的測量頻率，才能稱之為高性能； 但單一的高頻也不一定代表高性能，這需要很好的電路設計、選材和技術補償保證測量準確度，因此高性能的數(shù)據(jù)信號發(fā)生和采集器（高設計難度、高成本）、高品質(zhì)的SMA接頭（穩(wěn)定可靠的連接）、高傳輸?shù)耐�軸電纜（低噪音的高頻信號傳輸）以及整套系統(tǒng)信號延遲和溫度補償?shù)膬?yōu)化設計的集合，才能打造一款高性能的產(chǎn)品。

為何要進行土壤濕度和電導率的同步測量？

       針對不同的土壤類型及不同的含鹽量，不同測量原理和不同測量頻率的傳感器均表現(xiàn)出不同的依賴性，而電導率的精準測量是土壤含水量準確測量的基礎。目前市面?zhèn)鞲衅髂茉诟鞣N土壤類型中準確測量電導率的儀器選擇極少，更佳的選擇是對鹽分免疫性強的高頻時域反射儀（TDR），即1.5GHz的TureTDR或GHzTDR。

時域反射（TDR）的主要優(yōu)勢

       時域反射儀（TDR）是測量土壤含水量和電導率的更好方法。這兩個量對各種水文過程以及土壤和大氣之間的相互作用對氣候預測都很重要。1980年，Topp等人報告了TDR在土壤水分測量中的首次應用，并通過實驗得出了介電常數(shù)和含水量之間的基本關系。與其它土壤含水量測量方法相比，TDR的主要優(yōu)勢在于。

• 優(yōu)異的準確度，體積含水量在1或2%以內(nèi)；
• 校準要求更低--許多情況下不需要針對土壤的校準，但對于要求高精度的應用，可以進行針對土壤的校準；
• 沒有與中子傳感器或伽馬射線衰減技術相關的輻射危險；
• 應用多點TDR傳感器可以獲得出色的空間和時間分辨率；
• 測量快速、無損、簡單；
• 該方法能夠通過自動化和多路連用或物聯(lián)網(wǎng)提供連續(xù)測量。

“普瑞億科”時域反射（TDR）的前世今生       

       北京普瑞億科科技有限公司（“普瑞億科”）與波蘭科學院農(nóng)業(yè)物理研究所(Institute of Agrophysics，IA PAS) 及其所屬的E-TEST公司深度合作，對該研究所上個世紀80年代末由Malicki和Skierucha研發(fā)的帶有針狀脈沖信號的TDR土壤含水量測量技術進行了升級。相關工作在波蘭國家研究與發(fā)展中心（NCBR）資助的兩個研發(fā)項目及“普瑞億科”立項的研發(fā)項目下進行，主要就信號的時間延遲單位和溫度補償步驟對測量準確度的影響進行優(yōu)化，并就其它硬件問題如TDR傳感器的設計、封裝，以及電源、無線傳輸對系統(tǒng)整體性能提升進行了工藝改進。不得不提的是，我們采用的針狀脈沖信號發(fā)生器與階梯脈沖發(fā)生器相比，前者具有足夠尖銳的上升和下降時間，這種窄的針脈沖信號發(fā)生器是比較容易產(chǎn)生的。同時，來自TDR傳感器的針狀脈沖反射比來自階梯脈沖的反射更容易解釋和分析；各自的針狀脈沖發(fā)生器和采樣頭可以與土壤電隔離，與階梯脈沖技術相比，測量系統(tǒng)的電子裝置在更窄的帶寬內(nèi)工作。因此，我們的針狀脈沖TDR技術更可靠。

小結

       在水文、農(nóng)業(yè)、生態(tài)和氣象等相關領域，TDR土壤水分儀主要用于水文科學研究、土壤灌溉技術的優(yōu)化、陸表水通量精細研究、或用于驗證和校準衛(wèi)星圖像的土壤表層水分監(jiān)測，以評估土壤水分對全球氣候的影響。以往定制設計或商業(yè)化的TDR傳感器在結構細節(jié)、材料特定校準和波形解釋等方面都有全面的描述，但相對較高的價格限制了這種測量技術的應用。

       “普瑞億科”研發(fā)生產(chǎn)的Plover便攜式和Warden分布式土壤溫度、濕度和電導率測量系統(tǒng)均采用了1.5GHz測量頻率，是真正的TDR技術，因此土壤濕度結果受鹽度影響不敏感；同時，我們設計了專用的高性能數(shù)據(jù)采集器、選擇了高品質(zhì)的SMA接頭、低噪音的同軸電纜，以及優(yōu)化的信號延遲和溫度補償，為穩(wěn)定的TDR系統(tǒng)提供了技術保證；硬件工藝的改進和IoT物聯(lián)技術的嫁接以及國內(nèi)高標準的生產(chǎn)流程，確保“普瑞億科”是能為您提供更高性能和更適中價格TureTDR土壤溫度、濕度和電導率測量解決方案的國內(nèi)供應商。