土壤水分仪传感器电路原理

水分是天然土壤的一个重要组成部分，它不仅影响到土壤的物理性质，制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动，而且是构成土壤肥力的一个重要因素，更是一切植物赖以生存的基本条件。因此测定土壤含水量，对实施精准农业，节水灌溉，提高农业生产效率有重要的意义。目前测定土壤水分的方法归纳起来有两大类，一类是变动位置取样测定(如烘干称重法等)，另一类是原位取样测定(如中子法、γ射线法、时域反射仪法、频域发射仪法、传感器法等)。不同的方法各有优缺点，烘干称重法原理简单，精度高，但其操作烦琐，又不能在田间实时连续监测。中子法和γ射线法虽可在室外快速准确监测，但是存在放射性物质危害人体健康。时域反射仪法和频域发射仪法价格比较昂贵，而传感器法安全可靠、测定土壤水分快速直读，具有不必采土样，不破坏土壤结构，可连续监测并输出电信号，十分适合于监测田间土壤水分动态分布和变化情况，便于长期的观测和积累田间水势资料等，因此被广泛应用在田间监测土壤水分上。土壤水分速测仪就是运用土壤水分传感器将土壤含水量的大小θ(%)转换为土壤水吸力的大小并作用于压阻传感器，压阻传感器将土壤水吸力转换为差动电压信号输出给双端输入单端输出差动放大器。此处采用差动放大器是由于其具有较好的抑制零漂和抗干扰的作用，同时可将双端输入信号转换为单端输出信号。由于差动放大器的输出与输入是反相的，故将此输出的信号再送给反相放大器，在放大信号的同时将输出再次反相，从而转变为与压阻传感器的输出同相的电压信号。为了根据需要调节反相放大器的放大倍数，在其反馈回路上串接一电位器，同时对信号进行调零和校正。最后将电路输出的信号送给电压表，显示最终的输出电压值，根据测试数据标定情况制做一土壤含水量表头，由此可直接读出土壤含水量的数值。从测量结果可看出，用土壤水分速测仪与烘干称重法测量值的差值率均在5%以内，说明土壤水分速测仪测量准确度是比较高的。特别是利用土壤水分速测仪测量土壤含水量速度快(测量一次仅需几秒钟)，数值显示，非常直观，使用简单，体积小便于携带，可随时测量含水量的情况，很适合在田间、温室大棚、草坪等场合使用。由于压阻传感器是由半导体材料制做的，在测量精度要求比较高的场合，温度的影响是必须要考虑的。实验表明压阻传感器表现为负温度特性，当温度升高时压阻系数变小，当温度降低时压阻系数变大。为了减小温度的影响，一方面要尽可能采用恒流源供电，另一方面是采用正温度系数的材料作温度补偿电路并使其与压阻传感器尽量贴近，可达到较好的补偿效果。

土壤水分是指保持在土壤孔隙中的水分，又称土壤湿度。通常可以通过把土样放在电烘箱内烘干（温度控制在105～110℃），然后从土壤孔隙中测得释放的水量作为土壤水分含量。土壤水分并非纯水，而是稀薄溶液，还含有胶体颗粒。土壤水分主要来源是大气降水和灌溉水，此外尚有近地面水气的凝结、地下水位上升及土壤矿物质中的水分。而大气降水渗入土壤中的多少，主要取决于降水量的大小、降水的强度和性质。一般来说，降水量大，进入土壤中的水分就可能多。强度大的降水或者阵性降水，因易造成地面流失，故渗入土壤中的水分就少 而强度小的连续性降水，有利于土壤对水分的吸收和储存。土壤水分依其物理形态可分为固态、气态及液态 3种。固态水仅在低温冻结时才存在，气态水常存在于土壤孔隙中，液态水存在于土粒比面和粒间孔隙中。在一定条件下，三者可以相互转化，其中以液态土壤水分数量较多。 　　土壤水分的含水量可以用以下几种方法表示：　　土壤水重量百分数：土壤中实际所含的水分重量占烘干土重量的百分数。即 W(%)=(W1-W2)/W2*100式中W(%)为土壤含水量（百分数）；W1为样土湿重；W2为样土烘干重。 土壤水容积百分数：指土壤水分容积占单位土壤容积的百分数。即 式中 W容(％)为土壤容积含水量（百分数）；P为土壤容重，即单位体积原状土体的干土重。土壤容积百分数与土壤重量百分数之间的关系通常用下式表示： 　　 W容(％)=W(％)×P土壤水层厚度：指一定厚度土层内土壤水分的总贮量，即相当于一定土壤面积中，在一定土层厚度内有多少毫米厚的水层。即 　　 W厚=H×W(％)×P×10式中W厚为土壤水层厚度；H为计算土层厚度 10为单位换算系数。而国内外的土壤水分测定方法主要有以下几种：滴定法，Karl Fischer法，称重法，电容法，电阻法，γ射线法，微波法，中子法，核磁共振法，时域反射法（TDR），土壤张力法，土壤水分测定仪法，土壤水分传感器法，石膏法和红外遥感法。下面着重介绍土壤测定方法中常用的几种方法，（1）称重法：又称烘干法，即取土样放入烘箱，烘干至恒重。此时土壤水分中自由态水以蒸汽形式全部散失掉，再称重量从而获得土壤水分含量。烘干法还有红外法、酒精燃烧法和烤炉法等一些快速测定法。（2）中子法：将中子源埋入待测土壤中，中子源不断发射快中子，快中子进入土壤介质与各种原子离子相碰撞，快中子损失能量，从而使其慢化。当快中子与氢原子碰撞时，损失能量最大，更易于慢化，土壤中水分含量越高，氢原子就越多，从而慢中子云密度就越大。中子仪测定水分就是通过测定慢中子云的密度与水分子间的函数关系来确定土壤中的水分含量。（3）γ射线法：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。（4）土壤水分传感器法：目前采用的传感器多种多样，有陶瓷水分传感器，电解质水分传感器、高分子传感器、压阻水分传感器、光敏水分传感器、微波法水分传感器、电容式水分传感器等等。（5）时域反射法：即TDR（Time Domain Reflectometry）法，它是依据电磁波在土壤介质中传播时，其传导常数如速度的衰减取决于土壤的性质，特别是取决于土壤中含水量和电导率。以上五种土壤水分测定方法各有优缺点，如称重法简单直观，中子法可反复测量，时域反射法是目前用的最多的方式。那么，在实际操作过程中，我们要有所抉择，多方面考虑，再确定具体使用哪种测定方法。

一、土壤含水量测试方法概述：土壤水分贮存量及其变化规律的监测是农业气象、生态环境及水文环境监测的基础性工作之掌握土壤水分变化规律，对农业生产、墒情监测预测和其化相关生态环境监测预测服务和理论都具有重要意义。二、目前国内主要使用的测定水分的方法：1、 传统的土钻取样然后烘干称重法（重量比）：虽然能够较准确地度量土壤水分含量，但工作量大，耗时耗力，特别是当天气条件恶劣时，农业工作人员将付出更大的工作量。另外取样会破坏土壤,深层取样困难,定点测量时不可避免由取样换位而带来误差,在很多情况下不可能长期定点监测，受土壤空间变异性影响也比较大。2、 FDR单点采集法（容积比）：利用FDR的原理来测定土壤的容积含水量，测试精确度与以上第一种有所差距，但是快速简便，但只能一定测定一个点。3、 TDR单点采集法（容积比）：利用TDR的原理来测定土壤的容积含水量，测试精确度与以上第一种有所差距，但是比第二种的稳定性要好一些。三、国内墒情与旱情的概念与监测的特点：1、 长期性：单一的探头测量可称作是土壤容积含水量，而长期的土壤水分的动态监测存储一段时间以来的水分变化被水利及气象部门称为土壤的墒情。也就是说有意义的墒情监测是长期的，动态的。2、 多点性：对于植物生长来说，真正测量土壤表面的水分是不够的，正常的植物都需要深一度的水分值才能表明他是否可以吸收，在水利国家标准里要求，实验站必须要长期监测多层多点水分，有些地区要求为分布于地面10 cm，20 cm，40 cm，60 cm，80cm，100 cm处的水分的长期动态的监测，以了解墒情与旱情的情况 四、现在国内快速土壤水分仪器的情况：在我国的农田指导水利灌溉方面，FDR和TDR容积法快速水分仪很受欢迎，因为这两种水分仪可以长期将传感器埋于地下，实现长期监测。不受实验条件的影响，而精度也达到了指导农业生产的作用，对作业人员素质无任何要求，属于非常适用于进行田间推广的一种便携式快速仪器（具体参见http://www.top17.net/product/2029.html ）。优点：快速，也可长期监测，将数据保存缺点：单点采集，如需多点就必须要将土壤切开，在剖面10 cm，20 cm，40 cm，60 cm，80cm，100 cm上多插几个探头。费力费时，前期工作量大。由以上分析看来，在墒情监测方面国内需求的要点是：携带方便；精确度高；插入方便，无需大量前期工作的仪器。但这种仪器只在国外有做，国内所有生产的企业都没有做出能满足以上所有要求的土壤水分速测仪现浙江托普仪器有限公司也开发出一种剖面水分仪，这个产品市场前景很好，这就是我们要强调的重点，也是我们以后推广的重点。现在我们要对这款仪器有所了解：土壤剖面水分测定仪用途：可用来测量土壤等被测物的不同深度剖面含水量。原理：利用FDR原理（Frequency Domain Reflectometry）,根据探测器发出的电磁波在不同介电常数物质中的反射不同。计算出被测物含水量。功能特点：l 完全遵循ISO9001质量体系标准要求进行产品设计、开发、生产和服务；l 在硬件元器件方面以最大限度的延长产品寿命和和稳定性为前提，充分考虑降额和冗余设计；l 在电源和通讯接口加装防雷和电涌保护设备；l 软件设计充分考虑界面操作的友好性、系统的兼容性、容错性和健壮性，具有数据自动补抄、自动上传功能；l 生产使用的元器件全部进行环境应力老炼、筛选；l 出厂设备根据需要要进行环境防护三防(防潮湿、防盐雾和防霉菌)设计，并进行温度、冲击和振动试验。组成：探头：圆柱式土壤水分探头（标配为4或6个点位），这些点位可以自由定位用户想测的深度，自由固定操作软件：Windows友好操作界面，用于数据的存储和下载预埋探管：由PVC材质制成，重量轻，抗腐蚀，除标配长度外，还可选长度0.9米、1.2米、1.5米 基本技术指标：传感器测量原理 高频电容 测量范围 0~100%Vol（土壤体积含水量） 准确度 +2%土壤体积含水量 分辨率 0.1%体积含水量 输出选项 RS232和RS485 电流消耗 400uA 静态100mA 采样 校准时的精度 R2 = 0.992 精度 +/- 2.5% 有效温度 +/-3% ，5-35℃ 工作温度 0～75℃ 感应范围 99％是从管子外部10cm以内的范围读取 采集数据 1000组 传感器直径 50.5毫米 管道直径 56.5毫米 仪器组成图： 五、我们的土壤剖面水分仪与国外土壤剖面水分仪对比的优势 国内产品 国外产品 价格 价格合理 价格奇高 专业性 有专业的人员进行指导 国内没有特别熟悉的技术人员进行指导 适用性 全中文软件，适用性广 全英文软件，不适用于基层人员操作 合理性 探头点位可按自己的要求定位，可以随意改动，线长可按客户要求定做 探头点位距离固定化，不能改动，线长不能定做 精度 出厂前进行标定，精度高。也可以按客户提供的土壤进行重新标定 国外土质与国内不太一样，所以出厂前标定不适用于中国，精度会有影响