今天想與大家分享的是關(guān)于土壤濕度測(cè)量系統(tǒng)的選擇及土壤濕度和電導(dǎo)率同步測(cè)量的重要性；為什么要對(duì)土壤含水量進(jìn)行高精度、寬時(shí)空范圍的測(cè)量？為何要進(jìn)行土壤濕度和電導(dǎo)率的同步測(cè)量？不同介電測(cè)量技術(shù)有什么區(qū)別？時(shí)域反射(TDR)的主要優(yōu)勢(shì)有哪些？我們一起來(lái)學(xué)習(xí)一下吧~

為何要對(duì)土壤含水量進(jìn)行高精度、寬時(shí)空范圍的測(cè)量？

       全球水文循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)作取決于土壤、植被和大氣之間復(fù)雜的相互作用。越來(lái)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(shè)的要大。隨著氣候模型的發(fā)展，研究人員越來(lái)越意識(shí)到土壤水供應(yīng)在模擬陸地表面水通量中的關(guān)鍵作用。不考慮降水脈沖和降水制度變化對(duì)蒸發(fā)量和生態(tài)系統(tǒng)總呼吸量的影響的模型，將無(wú)法準(zhǔn)確模擬伴隨的氣候反應(yīng)。土壤水分的時(shí)空變化會(huì)對(duì)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(guò)去，有關(guān)土壤水分的信息是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)土壤樣本進(jìn)行精準(zhǔn)分析，或通過(guò)使用原位土壤水分測(cè)量?jī)x（其中以介電測(cè)量技術(shù)為主，如電容式/FDR，TDR）進(jìn)行測(cè)量。這些方法都有缺點(diǎn)，或是時(shí)間分辨率低或/和勞動(dòng)要求高，或是購(gòu)置或/和維護(hù)成本高, 抑或是環(huán)境適應(yīng)性差（如高含鹽量的情況）。

什么是介電測(cè)量傳感器？

       介電常數(shù)是物質(zhì)的一種屬性，特別是對(duì)于不導(dǎo)電的材料來(lái)說(shuō)，介電常數(shù)的特征很明顯。純凈的水是不導(dǎo)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(chǔ)電荷與應(yīng)用電場(chǎng)的比率（高斯定律）。如果兩塊導(dǎo)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(fù)極板，并在板間形成電場(chǎng)。這就形成了一個(gè)電子的存儲(chǔ)機(jī)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(chǔ)存的電子數(shù)量將增加80倍（水在室溫下的相對(duì)允差為80）。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)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(duì)的體積電導(dǎo)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(jì)土壤中含有多少水。圍繞這一概念設(shè)計(jì)的傳感器經(jīng)常被稱為電容式傳感器，但更準(zhǔn)確的定義是高斯式傳感器，因?yàn)樗鼈兪腔�于高斯定律的。一些電容式傳感器從結(jié)構(gòu)上看不像是電容式傳感器，但還是以高斯定律為基礎(chǔ)。盡管高斯傳感器比它們的前輩更可信，但它們有一個(gè)嚴(yán)重的缺陷，那就是它們不能克服土壤電導(dǎo)率（EC）帶來(lái)的誤差。如果我們?cè)诓粚?dǎo)電的土壤中監(jiān)測(cè)土壤濕度，那么高斯傳感器會(huì)很好地工作。頻域傳感器（FDR）類似。

       但是，當(dāng)對(duì)土壤施加一點(diǎn)肥料或灌溉略帶鹽分的水時(shí)，歐姆定律所描述的電子流就會(huì)干擾測(cè)量 "電容 "電流和土壤電場(chǎng)的能力，而不管傳感器設(shè)計(jì)中使用的是什么特定的電路方法。當(dāng)土壤具有導(dǎo)電性時(shí)，在施加電場(chǎng)的情況下，電流會(huì)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(huì)在瞬時(shí)發(fā)生。電流在土壤中產(chǎn)生反向場(chǎng)（與外加場(chǎng)相反），削弱了土壤中的局部場(chǎng)。瞬態(tài)電流的增加也會(huì)發(fā)生。電場(chǎng)與電荷的比率隨之增加，導(dǎo)致嚴(yán)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(duì)他們的傳感器進(jìn)行電導(dǎo)率補(bǔ)償，但土壤電導(dǎo)率非常依賴于含水量。這兩個(gè)變量不是正交的，試圖用依賴水含量的電導(dǎo)率測(cè)量來(lái)補(bǔ)償水含量是徒勞的。

       由于市場(chǎng)上普遍存在高斯傳感器，因此在評(píng)估土壤水分傳感器性能時(shí)，將測(cè)量穩(wěn)定性與土壤電導(dǎo)率結(jié)合起來(lái)是非常重要的。傳感器的電導(dǎo)率穩(wěn)定性是重要的參數(shù)之一，比絕對(duì)精度重要得多。傳感器的精度可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)，但由于電導(dǎo)率的變化，其對(duì)錯(cuò)誤讀數(shù)的敏感性是無(wú)法補(bǔ)償?shù)摹８咚箓鞲衅髡`報(bào)的電導(dǎo)率的增加將被視為土壤含水量的增加，這種顯然是錯(cuò)誤的，即增加了科學(xué)相關(guān)研究的不確定性，也提高了含水量誤報(bào)下農(nóng)業(yè)灌溉的風(fēng)險(xiǎn)。

       幸運(yùn)的是，還有另一個(gè)基本物理定律可用于測(cè)量不受電導(dǎo)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(shí)際上是兩個(gè)定律）。電磁波的傳播速度受物質(zhì)的兩個(gè)特性控制：介電常數(shù)和磁導(dǎo)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(dǎo)率對(duì)電磁波速?zèng)]有影響，但會(huì)使電磁波減弱。如果我們可以測(cè)量土壤中的電磁波速，我們就可以在不受土壤電導(dǎo)率干擾的情況下找到介電常數(shù)，但我們必須能夠?qū)Πl(fā)生在十億分之一秒內(nèi)的事件進(jìn)行準(zhǔn)確的時(shí)間測(cè)量，準(zhǔn)確度和分辨率達(dá)到萬(wàn)億分之一秒。我們還必須能夠檢測(cè)到能量首次到達(dá)的時(shí)間，即使該波可能由于土壤導(dǎo)電性而嚴(yán)重減弱。執(zhí)行此操作的一種流行儀器稱為時(shí)域反射儀 (TDR)。 TDR 包含一個(gè)階躍函數(shù)發(fā)生器，可在傳輸線上發(fā)出瞬時(shí)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(dāng)波到達(dá)傳輸線的末端時(shí)，它會(huì)反射回原點(diǎn)。如果我們準(zhǔn)確測(cè)量電壓階躍返回所需的時(shí)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(wú)關(guān)。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(cè)量上升/下降時(shí)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(cè)介質(zhì)是非磁性的，且其導(dǎo)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(gè)簡(jiǎn)化關(guān)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(zhǎng)度，Δt是開放傳輸線的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的反射時(shí)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(lái)了。TDR技術(shù)中使用的傳感器是一條平行的傳輸線，通常是以兩個(gè)或三個(gè)鋼棒的形式放置在被測(cè)多孔介質(zhì)中。被測(cè)介質(zhì)的均勻性是TDR設(shè)備正常運(yùn)行的必要條件。

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

不同介電測(cè)量技術(shù)有什么區(qū)別？

       介電測(cè)量技術(shù)主要包含電容/FDR測(cè)量技術(shù)、TDR測(cè)量技術(shù)，其測(cè)量結(jié)果并不都是一樣的。事實(shí)上，根據(jù)其測(cè)量頻率和電路設(shè)計(jì)，有些可以更像電阻傳感器（因?yàn)榧夹g(shù)落后，不在本討論范疇內(nèi)）。成功地極化水分子，同時(shí)避免極化溶解的離子，取決于這種極化發(fā)生的速度，或測(cè)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(duì)土壤中的鹽分異常敏感，從而造成測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確。測(cè)量頻率越低，對(duì)鹽度響應(yīng)越明顯；只有1GHz左右及以上的測(cè)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(shè)計(jì)、選材和技術(shù)補(bǔ)償保證測(cè)量準(zhǔn)確度，因此高性能的數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生和采集器（高設(shè)計(jì)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(hào)傳輸）以及整套系統(tǒng)信號(hào)延遲和溫度補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)的集合，才能打造一款高性能的產(chǎn)品。

為何要進(jìn)行土壤濕度和電導(dǎo)率的同步測(cè)量？

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

時(shí)域反射（TDR）的主要優(yōu)勢(shì)

       時(shí)域反射儀（TDR）是測(cè)量土壤含水量和電導(dǎo)率的更好方法。這兩個(gè)量對(duì)各種水文過(guò)程以及土壤和大氣之間的相互作用對(duì)氣候預(yù)測(cè)都很重要。1980年，Topp等人報(bào)告了TDR在土壤水分測(cè)量中的首次應(yīng)用，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了介電常數(shù)和含水量之間的基本關(guān)系。與其它土壤含水量測(cè)量方法相比，TDR的主要優(yōu)勢(shì)在于。

• 優(yōu)異的準(zhǔn)確度，體積含水量在1或2%以內(nèi)；
• 校準(zhǔn)要求更低--許多情況下不需要針對(duì)土壤的校準(zhǔn)，但對(duì)于要求高精度的應(yīng)用，可以進(jìn)行針對(duì)土壤的校準(zhǔn)；
• 沒(méi)有與中子傳感器或伽馬射線衰減技術(shù)相關(guān)的輻射危險(xiǎn)；
• 應(yīng)用多點(diǎn)TDR傳感器可以獲得出色的空間和時(shí)間分辨率；
• 測(cè)量快速、無(wú)損、簡(jiǎn)單；
• 該方法能夠通過(guò)自動(dòng)化和多路連用或物聯(lián)網(wǎng)提供連續(xù)測(cè)量。

“普瑞億科”時(shí)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(xué)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(duì)該研究所上個(gè)世紀(jì)80年代末由Malicki和Skierucha研發(fā)的帶有針狀脈沖信號(hào)的TDR土壤含水量測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了升級(jí)。相關(guān)工作在波蘭國(guó)家研究與發(fā)展中心（NCBR）資助的兩個(gè)研發(fā)項(xiàng)目及“普瑞億科”立項(xiàng)的研發(fā)項(xiàng)目下進(jìn)行，主要就信號(hào)的時(shí)間延遲單位和溫度補(bǔ)償步驟對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響進(jìn)行優(yōu)化，并就其它硬件問(wèn)題如TDR傳感器的設(shè)計(jì)、封裝，以及電源、無(wú)線傳輸對(duì)系統(tǒng)整體性能提升進(jìn)行了工藝改進(jìn)。不得不提的是，我們采用的針狀脈沖信號(hào)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(shí)間，這種窄的針脈沖信號(hào)發(fā)生器是比較容易產(chǎn)生的。同時(shí)，來(lái)自TDR傳感器的針狀脈沖反射比來(lái)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(shù)相比，測(cè)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(shù)更可靠。

小結(jié)

       在水文、農(nóng)業(yè)、生態(tài)和氣象等相關(guān)領(lǐng)域，TDR土壤水分儀主要用于水文科學(xué)研究、土壤灌溉技術(shù)的優(yōu)化、陸表水通量精細(xì)研究、或用于驗(yàn)證和校準(zhǔn)衛(wèi)星圖像的土壤表層水分監(jiān)測(cè)，以評(píng)估土壤水分對(duì)全球氣候的影響。以往定制設(shè)計(jì)或商業(yè)化的TDR傳感器在結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、材料特定校準(zhǔn)和波形解釋等方面都有全面的描述，但相對(duì)較高的價(jià)格限制了這種測(cè)量技術(shù)的應(yīng)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(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)均采用了1.5GHz測(cè)量頻率，是真正的TDR技術(shù)，因此土壤濕度結(jié)果受鹽度影響不敏感；同時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)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(hào)延遲和溫度補(bǔ)償，為穩(wěn)定的TDR系統(tǒng)提供了技術(shù)保證；硬件工藝的改進(jìn)和IoT物聯(lián)技術(shù)的嫁接以及國(guó)內(nèi)高標(biāo)準(zhǔn)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(jià)格TureTDR土壤溫度、濕度和電導(dǎo)率測(cè)量解決方案的國(guó)內(nèi)供應(yīng)商。