目前，由于市場上的土壤水分傳感器類型眾多，因此用戶經常不知如何針對個人需求選擇合適的傳感器。要做出恰到好處的選擇，我們首先要明白不同土壤水分傳感器測量的究竟是什么值、怎樣才稱得上是好的土壤水分傳感器、如何理解生產商的技術參數等。在此文章中，將針對這些主題，幫您做出合適的傳感器選擇。
土壤水分傳感器測量的究竟是什么？
我們發現，在目前市場上的土壤水分傳感器中，并沒有一種能夠直接測量土壤水分。這些傳感器通常測量的是土壤其他特性的變化，然后推測出土壤水分含量。通常，根據一些隨土壤含水量變化而變化的特性，包括介電常數、熱導率、中子通量密度等，可以很容易計算出土壤水分的含量。在本文章中，重點介紹介電常數原理的傳感器。
介電常數傳感器是目前市場上最常見的土壤水分傳感器，這些傳感器通過不同的技術，測量周圍土壤的介電常數，常用的技術方法包括：
●時域反射方法（TDR）；
●時域傳播方法（TDT）；
●頻域反射法（FDR）；
●電容充電時間方法；
●傳輸線振動方法；
●同軸阻抗介質反射方法；
●同軸微分振幅反射方法；
以上無論何種技術，都應用同一原理：土壤的介電常數主要由土壤含水量決定。
簡單來講，可將介電常數看作內存電能。傳感器在土壤中生成電場，由于水分子具有極性，土壤中的游離水分子會發生旋轉，直至與電場方向一致。

游離水分子在旋轉的過程中需要能量，這種能量以勢能的形式存在于對齊的水分子中。土壤中的含水量越高，勢能也越大，土壤整體的介電常數也越大。
土壤的其他組成成分，包括礦質離子、有機體、空氣等，同樣也帶有電能，但水分中存儲的電能約是其他成分電能的十幾倍。因此，在傳感器的量程范圍內，水分含量主要決定了介電常數。
土壤水分傳感器的電信號會隨介電常數的變化而變化，因此，也會隨水分含量的變化而變化。一些傳感器測量介電常數，然后轉化成水分含量；還有一些將傳感器的輸出電信號直接轉換為土壤容積含水量，無論屬于哪種，其基本原理都是土壤中的水分決定著土壤的介電常數，而介電常數決定傳感器的電信號輸出。這點在用戶比較儀器的準確性參數時，至關重要。
怎樣才稱得上是好的土壤水分傳感器？
理想的高性能土壤水分傳感器應具備以下特性：
●可以滿足用戶對準確度和分辨率要求；
●可持續正常工作的時間滿足用戶要求；
●需要最少的標定、且不需要再次標定；
●可以符合用戶的預算要求；
●易于安裝和測量。
可以看出，以上特性可能相互之間有所矛盾。比如，一個耐用、高準確度的傳感器應該相對于較不耐用、較低準確度的傳感器更貴一些。傳感器制造商也應盡量均衡這些特性。客戶在選擇合適的傳感器時，要明確哪項特性對于自己最重要，然后選擇最符合自己需求的傳感器。
以及如何理解生產商的技術參數
要想真正清楚土壤水分傳感器的技術參數，可以從了解含水量、介電常數、以及電信號隨介電常數的變化，這三者之間的關系入手，以上三者的關系決定了傳感器測量水分含量值的準確度、分辨率以及量程范圍。

準確度
傳感器測量容積含水量的準確度取決于以下幾個因素：
●電信號測量的準確度；
●溫度對電信號測量的影響；
●溫度對介電常數和土壤電導率的影響；
●傳感器測量不同介質介電常數的準確度；
●傳感器將測量的電信號或介電常數值轉換為容積含水量的函數的準確度；
●傳感器周圍土壤對校正函數的適用度。
如果所有的廠家提供的都是測量介電常數的準確度參數，那么我們很容易對比不同傳感器的性能。但事實上，許多用戶并不真正了解介電常數與容積含水量之間的關系，同時不夠清楚，某些狀況可能會導致最終測量值的誤差。
由于對于不同的土壤類型，沒有統一的校正函數，制造廠商通量選擇一種或幾種“有代表性”的土壤進行測試，并給出含水量準確度參數。因此，對于形如“±1%容積含水量”的準確度參數描述，其真正含義是:在進行校正工作的環境下，其準確度為±1%，這種環境通常為室內環境、溫度變化不大、且只有一種或幾種代表性土壤。
●如果用戶的實驗環境滿足校正的環境，那傳感器的準確度符合技術參數描述；
●如果傳感器在野外自然環境下使用，應用環境可能千差萬別，那除非用戶再次校正，否則其準確度可能會不符合技術參數描述。
另外一個重要問題需要注意:當土壤處于極端干燥狀況時，介質土壤水分傳感器的準確度會降低。當土壤中的含水量很低時，水分對于土壤總介電常數的貢獻就會變小，甚至小到傳感器監測不到水分含量的變化。在干燥土壤中，溫度對最終測量值的影響甚至超過土壤水分含量的影響。
提示：當參數顯示在土壤含水量很低的狀況下，儀器具有很高的測量精度時，需要特別謹慎。
注意：準確度可能指的是絕對精度（%水分/%干土壤）或者讀數的百分比。將讀數百分比轉換成絕對精度時，應乘以量程的最大和最小值。
例如：Campbell CS655的介電常數準確度參數是：在≤8ds/m的電導率溶液中，當介電常數范圍為1~40時，準確度為：±（3%的讀數+0.8）.即當傳感器的介電常數讀數為1時（空氣中），讀數的準確度是：±（1×0.03+0.8）=±0.83；如果傳感器的介電常數為40時，讀數的準確度是±（40×0.03+0.8）=±2.
對準確度總結：制造廠商在寫技術參數時，必須覆蓋多種應用環境下的應用。如果用戶在自己特定的監測土壤環境下做標定，那最終的測量準確度可能會優于技術參數所描述的。

分辨率
分辨率參數描述的是：當土壤水分改變多少時，傳感器能夠監測到這種變化，主要取決于傳感器電信號測量的質量。（測量可能是通過傳感器內部電子或外部設備，如數據采集器，來實現）。儀器的分辨率還可能受信號的數學計算以及數字數據格式的舍入誤差的影響。高品質的土壤水分傳感器應同時具備高準確度和高分辨率。

量程
當我們對比不同土壤水分傳感器的量程時，首先很重要的一點是：理解如何定義量程以及介電常數方法的局限性。
容積含水量的量程有以下表達方式：
0~100%：通常理解為：從空氣環境到水環境條件下，介電常數變化值所對應的傳感器示數；
干~飽和：無數字描述，傳感器經廣范圍介電常數條件校準，適用于各土壤、不同含水量條件的測定；
0~××%：通常理解為：傳感器在土壤處于絕對干燥直至飽和之間進行的測試；
×%~××%：描述的是傳感器測量數據最為準確的一個區間。這種描述方式可能使傳感器性能看上去略劣于同類產品，但由于介電常數類傳感器在極端干燥土壤中的精度會下降，因此這種參數描述是傳感器實際準確應用過程中最負責任的描述。
注意：容積含水量有時會以小數的形式表達，若想將小數的形式轉換為百分比表達，只需乘以100%即可。
例如：Delta-T公司的ML3傳感器，其含水量量程參數是0~0.5m3/m3，將量程兩端的值均乘以100%可以得到其百分比量程是：0~50%。
如果傳感器的量程可以覆蓋實驗者的測試土壤，那說明選擇了合適的傳感器。絕大多數的礦質土壤的最大水分含量為40%~50%。某些粘土或有機土的含水量可高達60%~70%。因此在選擇傳感器時，一定要適合實驗土壤的類型。
總結
事實上，目前并沒有完美的土壤水分傳感器。所有的傳感器均有其優勢及其不足。對于不同用戶，最好的傳感器應該是，能夠滿足實驗者最關注的要點。目前市場上有很多性能不錯的傳感器，如果用戶真正理解了這些傳感器到底測量的是什么，那么就很容易對這些傳感器做出對比、然后選擇出適合自己應用的傳感器。

審核編輯：符乾江