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土壤水分监测传感器的分类与应用



摘要:通过调研,收集了国内外主流的土壤水分监测仪器资料,分析了仪器测量原理、主要性能和技术参数,进行了类型划分,根据《土壤墒情监测规范》的要求和墒情监测系统建设需求,在类比分析的基础上,提出了适合国内实际情况的土壤水分自动化监测仪器的产品型式,为国内墒情自动测报系统仪器的选型提供参考依据。
关键词:土壤水分;监测;传感器;墒情;自动测报
中图分类号:S153;TP393 文献标识码:B 文章编号:1674-9405(2010)04-0037-05
 
0 前言
土壤水分含量是表达旱情的最直接指标。国内外从 20世纪中叶就开始进行土壤水分的监测,国内外一直都在进行各种测量方法的研究,目前主要采用烘干称重、张力计、中子水分计和时域反射仪、频域发射仪等测量方法。这些方法虽然可以实现土壤水分的测量,但原理、特性各有不同。综观国内墒情自动监测现状,目前还没有一种产品在野外广泛应用,也没有一种主导产品实现大范围墒情信息自动采集、传输处理。
随着国家抗旱指挥系统的规划和实施,各省、市区域墒情自动监测即将全面展开,特别是 2010年春季我国西南部分省(区)干旱的出现,迫切需要自动化土壤水分监测仪器和信息传输系统,以获取连续、可靠的土壤水分信息,为区域旱情分析提供基础数据。本文根据国家旱情监测系统建设需要开展国内外土壤水分监测传感仪器的调查研究工作,对调研产品进行分类分析。
1 土壤水分监测仪器分类和特点分析
按照测量原理,土壤水分监测仪器可分成以下几种类型:
1)时域反射型仪器(TDR);
2)时域传输型仪器(TDT);
3)频域反射型仪器(FDR);
4)中子水分仪器(Neutron Probe);
5)负压仪器(Tension meter);
6)电阻仪器(Resister Method)。
传统的烘干法尽管也需要一些设备,但不属于土壤水分监测仪器的范畴,它只是一种方法。烘干法的内容和方法在 SL364-2006《土壤墒情监测规范》 节中有明确规定,目前烘干法依然是唯一校验仪器准确度的方法[1]。
时域反射仪仪器(TDR)
TDR是近年来出现的测量土壤含水量的重要仪器,是通过测量土壤中的水和其它介质介电常数之间的差异原理,并采用时域反射测试技术研制出来的仪器,具有快速、便捷和能连续观测土壤含水量的优点。
由于空气、干土和水中的介电常数相对固定,如果对特定的土壤和介电常数的关系已知,就可间接对土壤水分进行有效介电常数测量。根据电磁波在介质中传播速度与包围在传输体上的物质介电常数有关的基本原理,干燥土壤与水之间的介电常数具有很大的差别,所以该技术从理论上确立对土壤水分的测量有很好的响应和灵敏度。
土壤的表观介电常数 K a 可以按如下公式转换(Dirksen,1999):
式中:T 为电磁波延波导头传输的时间,ns;L 为测量用的波导头的长度,cm;C 为电磁波在真空中传播速,cm/ns。
或直接将传输时间 T 和介电常数 Ka 表达为:
TDR 信号脉冲延波导头的起点到端点传递需要的时间可以通过测量确定。
TDR 特点分析如下:
1)时域反射法土壤水分监测仪器沿着埋设在土壤中的波导头发射高频波,高频波在土壤的传输速度(或传输时间)与土壤的介电常数相关,介电常数与土壤的含水量相关,这样测量高频波的传输时间或速度可直接测量土壤的含水量。理论上这是测量土壤水分监测精度最高的技术。
2)因电磁波的传输速度很快,TDR 测定时间的精度需达 ns 级,因此 TDR 的时间电路成本高,测量结果受温度影响小。
3)TDR 水分传感器高频波的发射和测量在传感器体内完成,工作时产生 1 个 1 GHz以上的高频电磁波,传输时间为皮秒级,输出信号一般为模拟电压信号,可精确表达插入点处土壤的水分。根据不同的信号采集要求,TDR土壤水分传感器也可输出 4~20 mA,或 232 串行接口数据。TDR 的上述输出容易接入常规的数据采集器,形成自动测量系统。
4)目前市场上的 TDR 土壤水分传感器是典型的点式土壤水分测量仪器,体积小,重量轻,单个传感器损坏可更换,运行维护方便。
TDR 土壤水分传感器主体是 1个含有探针的密封探头,当探针完全插入土壤中时,测量输出信号通过有线电缆输出,可以接遥测终端,也可以接手持式仪表。 TDR产品水分监测示意图如图 1 所示。
 
时域传输型仪器(TDT)
TDT技术是另外一种土壤水分测量技术,TDT技术的特点就是电磁波在介质中是单程传播,检测电磁波单向传输后的信号,并不要求获取反射后的信号。该技术也是基于土壤介电常数的差异性来测定土壤含水率的[