土壤水分传感器原理

目前，国内外有很多种土壤水分测定方法，进而有不同的土壤水分传感器。比如：时域反射法（TDR），石膏法，红外遥感法，频域反射法/频域法(FDR/FD法)，滴定法，电容法，电阻法，微波法，中子法，Karl Fischer法，γ射线法和核磁共振法等。

TDR法是上世纪80年代发展起来的一种土壤水分测定方法，中文为时域反射仪。这种方法在国外应用相当普遍，国内才刚开始引进，各部门都相当重视。TDR是一个类似于雷达系统的系统，有较强的独立性，其结果与土壤类型、密度、温度基本无关。而且还有很重要的一点就是，TDR能在结冰下测定土壤水分，这是其他方法无法比拟的。另外，TDR能同时监测土壤水盐含量，且前后两次测量的结果几乎没有差别。这种测定方法的精确度可见一斑。

因为TDR法设备昂贵，在80年代后期，许多公司(如AquaSPY, Sentek. Delta-T， Decagon)开始用比TDR更为简单的方法来测量土壤的介电常数，FDR和FD法不仅比TDR便宜，而且测量时间更短，在经过特定的土壤校准之后，测量精度高，而且探头的形状不受限制，可以多深度同时测量，数据采集实现较容易。

电阻法利用石膏、尼龙、玻璃纤维等的电阻和它们的含水量有关。当把这些中间物加上电极放置在潮湿的土壤中，然后一段时间后，这些东西的含水量达到平衡。由于电阻和含水量间的关系，我们先前标定电阻和百分数间一定的对应关系，然后就可以通过这些组件，得到1~15大气压吸力范围内的水分读数。

中子法适合测定野外土壤水分。它根据氢在急剧减低快中子的速度并把它们散射开的原则，现在市面上已经有1测定土壤水分的中子水分计。中子水分计有很多方面的优点，但是对有机质土壤有相当的限制，而且它不适宜测定0-15cm的土壤水分含量。

与中子仪类似，γ射线透射法利用放射源137Cs放射出γ线，用探头接收γ射线透过土体后的能量，与土壤水分含量换算得到。

土壤水是植物吸收水分的主要来源（水培植物除外），土壤水分含量的状态和变化，是植物的生长状况好坏的主要决定因素，由此影响到人类的食品安全和生态环境。因而，地球上的土壤和水是人类乃至所有生命生存的基础，通过土壤水分传感器测量土壤中的含水量，目前广为人知的主要有以下用途：

目前，农业用水已占到全球淡水资源消耗的92%。在中国，农业灌溉用水的全国平均利用率仅为45%（参阅百度百科“灌溉水利用系数”），55%的水以过量灌溉后大量渗漏渗透到植物根部以下、地表径流流失、输水渠道渗漏等方式被浪费。在45%被保存在土壤的水中，又因盲目灌溉、非按需灌溉、水肥一体化不到位等原因，很多的水未能被作物有效利用。

使用土壤水分传感器能动态跟踪掌握农作物根系在土层中的具体深度位置、作物根系的动态吸收消耗水分情况；使用土壤水分传感器所记录生成的土壤水分曲线图，能够以直观、量化的方式展现出土壤中不同土层的水分含量随着时间的变化情况，进而做出农田灌溉中的灌溉深度、灌溉量、灌溉开始时间、灌溉持续时间、灌溉量上限、土壤水分含量下限等关键因素。

科学的灌溉决策，使农作物生活在一个农作物真正感到舒服的土壤环境中，对提高农作物的产量大有裨益。

另一方面，人们也不总是希望控制农作物生存在舒服的环境当中以提高产量，人们也会考虑农产品的质量因素。比如，合适的土壤湿度会使葡萄的产量很高，但葡萄就会不一定很甜。在法国、西班牙、美国等优质的葡萄酒产区，在葡萄生育的后期，人们使用土壤水分传感器的目的却是监测土壤水分含量，使土壤水分含量保持相对偏低的状态。

由土壤水分传感器监测到的土壤水分、土壤温度数据，是农业、水利、气象和国土等政府部门进行相关政府活动、制定和执行相关政策的依据，也是政府为百姓提供的基础公共服务之一。比如近些年来，各地方政府踊跃推出的政府惠农信息服务平台，为当地老百姓提供了大量的土壤墒情数据、春种秋收指南，土壤水分传感器是这些数据的基础来源之一。

在国家抗旱防汛体系中，有大量安装在全国各地的旱情、墒情监测站，水文站，土壤水分传感器是这些站点最重要、最基础的仪器。

2013年，中国共发生地质灾害15403起，其中滑坡9849起，造成不可估量的人员伤亡及财产损失。大量的山体滑坡是由降雨等因素使山体含水量增加、山坡重量增大，山坡重力超过下层土壤见摩擦力进而山体滑坡。土壤水分传感器是山体滑坡监测预警系统中最重要、最基础的仪器。

土壤水分传感器被广泛的应用于土壤学、植物生长于水的关系研究、垃圾填埋场的渗漏监测、肥料利用率优化、全球变暖的影响研究等领域。

​土壤水分传感器，又名：土壤水分仪，土壤湿度计，土壤墒情仪，土壤墒情传感器，主要用来测量土壤含水量（土壤含水率）。土壤含水量有重量含水量和体积含水量（容积含水量）两种表示方法。重量含水量通过取土烘干法测量得到，通过土壤水分传感器测量得到的含水量均为体积含水量。即，土壤水分传感器就是测量单位土壤总容积中水分所占比例的仪器。一些土壤水分传感器能同时测量土壤的水分含量、土壤温度及土壤中总盐分含量三个参数。

相对于落后的生产应用现实，科学研究中的土壤水分研究可谓历史悠久，而且主要的检测技术往往是由科学家们从研究角度发明的。他们一直以提高精度为主要目标，执着地关注土壤微观特性对含水量的影响。然而现实生活中对土壤含水量的要求却是大相径庭：

这样，产生的经验知识便于比较、传播和推广。目前所有的技术都是计算体积或重量含水量，由于缺乏现场实时获得田间持水量的技术，所以很难获得真正准确的相对含水量数据，导致土壤含水量测量无法直接用于对农业生产的指导。

科学实验研究一味追求检测数据的单点精度，但在对实际生产的指导方面意义不大，原因是目标土壤体积的尺度相对于测试点来说大很多，而水分在土壤中也绝不是高度均匀的。只有获得输出稳定、历史数据可比较性强、足够大体积平均的数据才是可用的。

在安装和校准仪器设备方面，科学研究所需要的精度和操作规程在实际生产操作过程中是无法保证的，导致相关设备应用到生产上无法保证得到可用可靠的数据。提供简单方便免现场校准设备是这类现场安装设备必须具备的特点。

在传感设备的运行过程中，很多因素对测量精度和可靠性影响较大，例如：户外温度变化对电池能量转换效能的影响，最终影响设备输出可靠性；土壤温度和盐分变化对水分测量精度的影响；由于田间农业设备作业等因素引发的土壤震动对测量可靠性的影响；安装方式导致的土壤扰动对测量精度的影响；目标土壤有变化（耕作等），但是由于传感器未移动并且周边土壤未变化，导致目标被测土壤和实际测量土壤产生差别引起的误差；传感器件长期和土壤接触产生的相互作用对精度的影响。

在生产实践中，土壤水分传感器往往和其它外部系统或参数关联使用，例如土壤水分突然增加，可能是灌溉系统开始工作、也可能是降雨、又可能是地下水向地表运动导致，所以往往需要增加不同位置和不同深度的水分传感器数量、关联地面气象站或者气象局数据、连通灌溉控制系统来确定数据的意义。这其实是对更大规模的土壤水分数据应用和处理提出的要求，但是目前市场上的产品对此需求的响应者寥寥。

国内外从 20世纪中叶就开始进行土壤水分的监测，一直都在进行各种测量方法的研究，尽然原理、特性各有不同，但从终端设备的结构和功能来看，目前已经市场化的可以分为以下4类。

插针式土壤水分传感器由不锈钢探针和防水探头构成，可长期埋设于土壤和堤坝内使用，对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量。与数据采集器配合使用，可作为水分定点监测或移动测量的工具。

优点：

结构小巧、简单、价格便宜,单个传感器价格相对便宜。

缺点：

A. 所测量土壤水分的土样代表性不够高

感应的土壤范围是直径125毫米、高为200毫米的圆柱体，土壤水分代表性不足够高，当插针位置土质不均匀，影响数据准确性。

B. 破坏土层结构，造成土壤扰动

当监测不同土层深度土壤含水量时，需要挖开土壤剖面，在土壤中插入针式水分仪后，再回填土壤。这种不得已的做法实际上已经破坏了土壤的结构，因为回填土壤的容重、土壤颗粒间的结合方式已经被改变。

C. 安装现场组成复杂，易受到外界信号干扰

插针式是半数字化的，从传感探针到数模转换模块之间传输的是十分微弱的模拟量，这一段就十分容易受到外界信号干扰，影响分辨率、可靠性和准确性。

插针式要成组多点应用的时候就涉及复杂的连线，实施时需要在土壤中挖一个深坑掩埋，安装时如此维护时也需要同样的工作。由此产生的是设备的不可靠、安装和维护时对被测对象的彻底干扰，工作量和人员因素影响大。

D. 使用寿命有限

外露的钢针，钢针长期使用会变形、表面会有腐蚀或者污染。

E. 能耗高，安装现场工作量大，后期设备残留。

插针式组成的系统往往结构复杂、大量的连线及连结装置、耗能较高（电源一般采用铅酸电池）。特别是大规模野外实施时，一旦需要回收，插针式系统即使地面上的电池以及太阳能板和无线发射单元拆卸收回，人们往往不会再将其地下部件挖出，势必会有大量传感器探头、金属连线留在土壤中造成长期重金属、塑料等污染。

F.

G.多深度监测时，综合安装、施工成本较高

当监测不同土层深度土壤含水量时，需要挖开土壤剖面，在土壤中插入针式水分仪后，再回填土壤。目前中国大部分农村为留守老人和儿童，当野外安装部署水分监测仪时，寻找人工显得极为困难。

当插针式水分传感器与数据采集器配合使用，就是插针式土壤水分速测仪。优缺点同上插针式土壤水分传感器。

优点

导管式土壤水分仪设计精巧、安装要求高、精度和稳定性能够达到长期科学研究的要求。在国内仅在气象系统有规模性应用。

缺点

安装复杂，耗时耗力

为了追求最小的土壤扰动，导管式采取钉管、管中掏土、内壁清理、现场校准、现场密封的操作流程。基本上属于现场组装类产品。在我国幅员辽阔、受训技术人员不足、农村和野外劳动力缺乏、自然环境复杂等情况下，大规模应用导管式的可能性是没有的。

没有温度校准

根据测水原理可知，土壤含水率的检测本质上是检测土壤和水混合物的介电常数，其中水在80左右，土壤在3-5之间。水的介电常数其实是随温度变化的，这个变化经过一些实验，可以测到每10摄氏度的变化，会导致土壤0.6%的含水率变化。所以理论上说，要在户外环境中，测准土壤含水率就必须对温度进行校准。

在重新审视土壤水分的应用要求和社会环境基础上，借助互联网的颠覆性创新理念，结合现代工业设计中用户体验的分析技术，以及大数据和物联网的平台，重新设计的产品，它继承了导管式和插针式的各项优势，又弥补了他们的不足，开发了面向大规模、更广泛的应用场景的号称“中国管”的新一代土壤含水率测量设备。它拥有自主知识产权的土壤水分监测系统（具有受发明专利保护的水分仪，自主版权的软件系统）；它具有土壤水分数据的处理、分析能力，可以为客户提供灌溉咨询指导。此产品在最近公布的水利部《第一批土壤水分监测仪器检测合格产品目录》上轻松夺冠，排在第一位。(水利部政府网址：http://fxkh.mwr.gov.cn/tzgg/201402/t20140221_548660.html)

第一代“中国管”的产品已经具备如下特性：

  ① 低能耗、集成一体化

即物联网通讯终端、数据存储和处理单元、多深度水分及温度传感器、高性能电池在一个管中集成；低能耗，可用太阳能电池供电，无外部供电工作时间超过30天；

 ③ 精度和稳定性

精度达到正负2%以下，含同位温度校准；稳定性达到0.05%；

   ④ 安装及实施

15分钟现场操作，无土壤扰动，无需现场校准，智能启停，极大降低人力需求；

   ⑤ 环境保护

工作期间对环境无污染；设备撤场后对环境无残留污染；

⑥ 大数据支持

产品生命期数据完整记录及备份，支持大数据分析及移动设备访问；

   ⑦ 知识产权

跟国外产品在知识产权上无现实的和潜在的冲突，能够对核心特性的知识产权进行保护。

典型的插针式传感器感应的土壤范围是直径125毫米、高为200毫米的圆柱体，而“中国管”的感应范围是外径637.5毫米、壁厚250毫米、高为250毫米的管柱体。导管式感应范围是插针式的31倍，表性就提高了30倍。再考虑到土壤水分的不一致性，导管式的测量方式显得“靠谱”多了。

插针式的特征是外露的钢针，导管式是指传感器全封闭于一个管中的墒情仪。钢针长期使用会变形、表面会有腐蚀或者污染，而且当插针式要成组多点应用的时候就涉及复杂的连线，实施时需要在土壤中挖一个深坑掩埋，安装时如此维护时也需要同样的工作。由此产生的是设备的不可靠、安装和维护时对被测对象的彻底干扰，工作量和人员因素影响大。而导管式水分仪，打一个洞在地上，插入设备，无论单点还是多组，程序都是一样的，土壤扰动降到最低，设备长期使用中传感器件不会受到腐蚀或者污染，基本无人员因素干扰。

插针式是半数字化的，导管式是全数字化设计的。插针式从传感探针到数模转换模块之间传输的是十分微弱的模拟量，这一段就十分容易受到外界信号干扰，影响分辨率、可靠性和准确性。而对于导管式的水分传感器，传感器出来的频率信号直接转数字化，这使得受干扰的机会就没有了，所以导管式既能保证高分辨率又能保证高可靠性和100%传输准确性。因而导管式可以彻底消除困扰插针式用户多年的“数据突跳”及“变湿不变数”问题。

"中国管"数据的准确性及稳定性案例

下表为河北保定冉庄水文试验站在2013年底用烘干法做的与传感器对比数据。数据对比了20厘米，50厘米和80厘米三个土层的结果显示，传感器的输出数值在稳定的有规律的变化，而烘干法数值则由于实验误差引起毫无规律的波动。

“中国管”土壤水分、温度检测仪采用全封闭结构，整体设备在插入土壤部分满足IP68防护级别，地上部分满足IP67防护级别。传感器的电子元器件内置于高强度的防护材料之中，与土壤不发生直接接触。内置可反复充电的磷酸铁锂电池，电池具有独特的电池防护设计。

在防雷方面，由于传统的RTU支架高出于地面数米，且大部分金属构件直接暴露在空气中，有众多被雷击的案例。

当把土壤水分仪长期固定安装在田间后，在没有围栏、农场保安等外部保护的情况下，在有被盗的潜在风险时，“中国管”主要从以下几个方面考虑防盗问题。

靠一个人的力量并不能将“中国管”土壤水分、温度检测仪从地面拔出来。尤其是在土壤湿度较大、壤土、粘性土的情况下。只有在两个或以上的人数，通过使用绳子，抬杠，垂直往上的用力，才能将“中国管”从土壤中拔出来。

在有农作物正常生长的地块，当农作物高于18厘米时，农作物都会把水分仪遮盖，植物长得茂密时，传感器更不容易被发现。

无开关的设计模式，实时的智能数据监控，当设备由土壤中拔出地面后，设备仍然正常发送数据，但采集到的含水量数据均为0。当设备数据采集间隔为1小时时，可以在一小时以内发现设备被盗。

另外，可以采用伪装，保护色的方式将设备地上部分涂刷成与环境一致的颜色进行防盗。但这种做法需要留心记住传感器所在的位置，避免发生传感器的主人也找不到传感器的情况发生。

① 现场安装时间小于15分钟

现场部署安装时间小于15分钟，极大降低人力需求。“中国管”的安装现场，客户仅需要做两件事情：使用“中国管”配套的取土钻钻孔取土；将“中国管”插入土壤中。

② 多样化数据通讯方式

“中国管”土壤水分、温度监测仪有以下3大类通讯方式可供选择：

A. 全网支持移动、联通、电信GPRS 无线通讯； B. RS232通讯，通讯距离：5米； C. CAN通讯，通讯距离：大于500米⑧ 可持续性

③ 免现场校准模式

“中国管”土壤水分、温度监测仪都过出厂校准的模式，使各支传感器的性能参数保持高度的一致性，进而在客户提出做土壤参数率定需求时，Insentek 通过使用其他通规格的传感器就能完成土壤参数率定工作。

④ 无开关设计

无开关的产品设计，把现场安装人员的操作环节及对人员的素质需求降到了最低，通过远程模式智能控制“中国管”土壤水分、温度监测仪的工作和停止。

⑤ 智能检测灯

“中国管”土壤水分、温度监测仪上安装有一智能按钮检测灯，当现场安装人员按按钮检测灯时，如果灯亮，说明设备状态正常，同时进行一次数据测量发送工作。

⑥ 内外结合的供电方式

磷酸铁锂电池内部供电（+3.3VDC）（GPRS通讯模式）或外部+12VDC供电（串口通讯）。

“中国管”土壤水分、温度监测仪配套手机端app，目前手机端app支持安卓4.0及以上系统。通过手机app可以完成实时数据列表浏览、数据图表浏览、设备定位。

1、土壤水分含量随灌溉、降雨变化的曲线图

2、土壤不同土层冰冻曲线图

3、土壤不同土层温度变化曲线图

4、从2mm/天到4mm/天，显示了在作物的不同阶段，每天对水的消耗量的发展变化图

5、250px深处土壤水分曲线显示，在虚线以上部分，含水量下降速度非常快，说明水直接排渗流失图

6、发生水涝曲线图

饱和含水量的症状是含水量曲线呈水平状态，土壤水中渗走，新的水分立即补充到空隙中，直到灌溉停止，才看到明显的含水量下降曲线。

7、单天耗水量曲线图

通过分析计算曲线，我们同时知道了当天作物消耗水的持续时间(本例子为9小时)及当天的作物耗水量(本例子为6.5毫米水)

8、日消耗水速率变化图

9、作物根系深度动态变化图

随着作物由小到长大到成熟，作物吸收水分的主要区域由地表逐渐往深处发展

土壤水分测定仪，又名：土壤水分传感器，土壤湿度计，土壤墒情仪，土壤墒情传感器，主要用来测量土壤含水量（土壤含水率）。土壤含水量有重量含水量和体积含水量（容积含水量）两种表示方法。重量含水量通过取土烘干法测量得到，通过土壤水分传感器测量得到的含水量均为体积含水量。即，土壤水分传感器就是测量单位土壤总容积中水分所占比例的仪器。一些土壤水分传感器能同时测量土壤的水分含量、土壤温度及土壤中总盐分含量三个参数。