目前,由于市場上的土壤水分傳感器類型眾多,因此用戶經(jīng)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(chǎn)商的技術(shù)參數(shù)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(fā)現(xiàn),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(jù)一些隨土壤含水量變化而變化的特性,包括介電常數(shù)、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(shù)原理的傳感器。
介電常數(shù)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(shù),測量周圍土壤的介電常數(shù),常用的技術(shù)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(zhì)反射方法;
●同軸微分振幅反射方法;
以上無論何種技術(shù),都應用同一原理:土壤的介電常數(shù)主要由土壤含水量決定。
簡單來講,可將介電常數(shù)看作內(nèi)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(fā)生旋轉(zhuǎn),直至與電場方向一致。
游離水分子在旋轉(zhuǎn)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(shù)也越大。
土壤的其他組成成分,包括礦質(zhì)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(nèi),水分含量主要決定了介電常數(shù)。
土壤水分傳感器的電信號會隨介電常數(shù)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(shù),然后轉(zhuǎn)化成水分含量;還有一些將傳感器的輸出電信號直接轉(zhuǎn)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(shù),而介電常數(shù)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(shù)時,至關(guān)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(xù)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(chǎn)商的技術(shù)參數(shù)
要想真正清楚土壤水分傳感器的技術(shù)參數(shù),可以從了解含水量、介電常數(shù)、以及電信號隨介電常數(shù)的變化,這三者之間的關(guān)系入手,以上三者的關(guān)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(shù)和土壤電導率的影響;
●傳感器測量不同介質(zhì)介電常數(shù)的準確度;
●傳感器將測量的電信號或介電常數(shù)值轉(zhuǎn)換為容積含水量的函數(shù)的準確度;
●傳感器周圍土壤對校正函數(shù)的適用度。
如果所有的廠家提供的都是測量介電常數(shù)的準確度參數(shù),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(shù)與容積含水量之間的關(guān)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(tǒng)一的校正函數(shù),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(shù)。因此,對于形如“±1%容積含水量”的準確度參數(shù)描述,其真正含義是:在進行校正工作的環(huán)境下,其準確度為±1%,這種環(huán)境通常為室內(nèi)環(huán)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(huán)境滿足校正的環(huán)境,那傳感器的準確度符合技術(shù)參數(shù)描述;
●如果傳感器在野外自然環(huán)境下使用,應用環(huán)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(shù)參數(shù)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(zhì)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(shù)的貢獻就會變小,甚至小到傳感器監(jiān)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(shù)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(shù)的百分比。將讀數(shù)百分比轉(zhuǎn)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(shù)準確度參數(shù)是:在≤8ds/m的電導率溶液中,當介電常數(shù)范圍為1~40時,準確度為:±(3%的讀數(shù)+0.8).即當傳感器的介電常數(shù)讀數(shù)為1時(空氣中),讀數(shù)的準確度是:±(1×0.03+0.8)=±0.83;如果傳感器的介電常數(shù)為40時,讀數(shù)的準確度是±(40×0.03+0.8)=±2.
對準確度總結(jié):制造廠商在寫技術(shù)參數(shù)時,必須覆蓋多種應用環(huán)境下的應用。如果用戶在自己特定的監(jiān)測土壤環(huán)境下做標定,那最終的測量準確度可能會優(yōu)于技術(shù)參數(shù)所描述的。
分辨率
分辨率參數(shù)描述的是:當土壤水分改變多少時,傳感器能夠監(jiān)測到這種變化,主要取決于傳感器電信號測量的質(zhì)量。(測量可能是通過傳感器內(nèi)部電子或外部設備,如數(shù)據(jù)采集器,來實現(xiàn))。儀器的分辨率還可能受信號的數(shù)學計算以及數(shù)字數(shù)據(jù)格式的舍入誤差的影響。高品質(zhì)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(shù)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(huán)境到水環(huán)境條件下,介電常數(shù)變化值所對應的傳感器示數(shù);
干~飽和:無數(shù)字描述,傳感器經(jīng)廣范圍介電常數(shù)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(shù)據(jù)最為準確的一個區(qū)間。這種描述方式可能使傳感器性能看上去略劣于同類產(chǎn)品,但由于介電常數(shù)類傳感器在極端干燥土壤中的精度會下降,因此這種參數(shù)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(shù)的形式表達,若想將小數(shù)的形式轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)的礦質(zhì)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(jié)
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(yōu)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(guān)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
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