如何根据个人应用选择土壤水分传感器

2019-08-01 15:51:00 27

         目前,由于市场上的土壤水分传感器类型众多,因此用户经常不知如何针对个人需求选择合适的传感器。要做出恰到好处的选择,我们首先要明白不同土壤水分传感器测量的究竟是什么值、怎样才称得上是好的土壤水分传感器、如何理解生产商的技术参数等。在此文章中,将针对这些主题,帮您做出合适的传感器选择。
土壤水分传感器测量的究竟是什么?
         我们发现,在目前市场上的土壤水分传感器中,并没有一种能够直接测量土壤水分。这些传感器通常测量的是土壤其他特性的变化,然后推测出土壤水分含量。通常,根据一些随土壤含水量变化而变化的特性,         包括介电常数、热导率、中子通量密度等,可以很容易计算出土壤水分的含量。在本文章中,重点介绍介电常数原理的传感器。
        介电常数传感器是目前市场上最常见的土壤水分传感器,这些传感器通过不同的技术,测量周围土壤的介电常数,常用的技术方法包括:
● 时域反射方法(TDR);
● 时域传播方法(TDT);
● 频域反射法(FDR);
● 电容充电时间方法;
● 传输线振动方法;
● 同轴阻抗介质反射方法;
● 同轴微分振幅反射方法;
以上无论何种技术,都应用同一原理:土壤的介电常数主要由土壤含水量决定。
简单来讲,可将介电常数看作内存电能。传感器在土壤中生成电场,由于水分子具有极性,土壤中的游离水分子会发生旋转,直至与电场方向一致。

图片关键词

        游离水分子在旋转的过程中需要能量,这种能量以势能的形式存在于对齐的水分子中。土壤中的含水量越高,势能也越大,土壤整体的介电常数也越大。
        土壤的其他组成成分,包括矿质离子、有机体、空气等,同样也带有电能,但水分中存储的电能约是其他成分电能的十几倍。因此,在传感器的量程范围内,水分含量主要决定了介电常数。
        土壤水分传感器的电信号会随介电常数的变化而变化,因此,也会随水分含量的变化而变化。一些传感器测量介电常数,然后转化成水分含量;还有一些将传感器的输出电信号直接转换为土壤容积含水量,无论属于哪种,其基本原理都是土壤中的水分决定着土壤的介电常数,而介电常数决定传感器的电信号输出。这点在用户比较仪器的准确性参数时,至关重要。
怎样才称得上是好的土壤水分传感器?
理想的高性能土壤水分传感器应具备以下特性:
● 可以满足用户对准确度和分辨率要求;
● 可持续正常工作的时间满足用户要求;
● 需要最少的标定、且不需要再次标定;
● 可以符合用户的预算要求;
● 易于安装和测量。
        可以看出,以上特性可能相互之间有所矛盾。比如,一个耐用、高准确度的传感器应该相对于较不耐用、较低准确度的传感器更贵一些。传感器制造商也应尽量均衡这些特性。客户在选择合适的传感器时,要明确哪项特性对于自己最重要,然后选择最符合自己需求的传感器。
以及如何理解生产商的技术参数
       要想真正清楚土壤水分传感器的技术参数,可以从了解含水量、介电常数、以及电信号随介电常数的变化,这三者之间的关系入手,以上三者的关系决定了传感器测量水分含量值的准确度、分辨率以及量程范围。

准确度
传感器测量容积含水量的准确度取决于以下几个因素:
● 电信号测量的准确度;
● 温度对电信号测量的影响;
● 温度对介电常数和土壤电导率的影响;
● 传感器测量不同介质介电常数的准确度;
● 传感器将测量的电信号或介电常数值转换为容积含水量的函数的准确度;
● 传感器周围土壤对校正函数的适用度。
          如果所有的厂家提供的都是测量介电常数的准确度参数,那么我们很容易对比不同传感器的性能。但事实上,许多用户并不真正了解介电常数与容积含水量之间的关系,同时不够清楚,某些状况可能会导致最终测量值的误差。
       由于对于不同的土壤类型,没有统一的校正函数,制造厂商通量选择一种或几种“有代表性”的土壤进行测试,并给出含水量准确度参数。因此,对于形如“±1%容积含水量”的准确度参数描述,其真正含义是:在进行校正工作的环境下,其准确度为±1%,这种环境通常为室内环境、温度变化不大、且只有一种或几种代表性土壤。
 如果用户的实验环境满足校正的环境,那传感器的准确度符合技术参数描述;
● 如果传感器在野外自然环境下使用,应用环境可能千差万别,那除非用户再次校正,否则其准确度可能会不符合技术参数描述。
另外一个重要问题需要注意:当土壤处于极端干燥状况时,介质土壤水分传感器的准确度会降低。当土壤中的含水量很低时,水分对于土壤总介电常数的贡献就会变小,甚至小到传感器监测不到水分含量的变化。在干燥土壤中,温度对最终测量值的影响甚至超过土壤水分含量的影响。
提示:当参数显示在土壤含水量很低的状况下,仪器具有很高的测量精度时,需要特别谨慎。
注意:准确度可能指的是绝对精度(%水分/%干土壤)或者读数的百分比。将读数百分比转换成绝对精度时,应乘以量程的最大和最小值。
例如:Campbell CS655的介电常数准确度参数是:在≤8ds/m的电导率溶液中,当介电常数范围为1~40时,准确度为:±(3%的读数+0.8).即当传感器的介电常数读数为1时(空气中),读数的准确度是:±(1×0.03+0.8)=±0.83;如果传感器的介电常数为40时,读数的准确度是±(40×0.03+0.8)=±2.
对准确度总结:制造厂商在写技术参数时,必须覆盖多种应用环境下的应用。如果用户在自己特定的监测土壤环境下做标定,那最终的测量准确度可能会优于技术参数所描述的。

分辨率
分辨率参数描述的是:当土壤水分改变多少时,传感器能够监测到这种变化,主要取决于传感器电信号测量的质量。(测量可能是通过传感器内部电子或外部设备,如数据采集器,来实现)。仪器的分辨率还可能受信号的数学计算以及数字数据格式的舍入误差的影响。高品质的土壤水分传感器应同时具备高准确度和高分辨率。

量程
当我们对比不同土壤水分传感器的量程时,首先很重要的一点是:理解如何定义量程以及介电常数方法的局限性。
容积含水量的量程有以下表达方式:
0~100%:通常理解为:从空气环境到水环境条件下,介电常数变化值所对应的传感器示数;
干~饱和:无数字描述,传感器经广范围介电常数条件校准,适用于各土壤、不同含水量条件的测定;
0~××%:通常理解为:传感器在土壤处于绝对干燥直至饱和之间进行的测试;
×%~××%:描述的是传感器测量数据最为准确的一个区间。这种描述方式可能使传感器性能看上去略劣于同类产品,但由于介电常数类传感器在极端干燥土壤中的精度会下降,因此这种参数描述是传感器实际准确应用过程中最负责任的描述。
注意:容积含水量有时会以小数的形式表达,若想将小数的形式转换为百分比表达,只需乘以100%即可。
例如:Delta-T公司的ML3传感器,其含水量量程参数是0~0.5m3/m3,将量程两端的值均乘以100%可以得到其百分比量程是:0~50%。
如果传感器的量程可以覆盖实验者的测试土壤,那说明选择了合适的传感器。绝大多数的矿质土壤的最大水分含量为40%~50%。某些粘土或有机土的含水量可高达60%~70%。因此在选择传感器时,一定要适合实验土壤的类型。
总结
事实上,目前并没有完美的土壤水分传感器。所有的传感器均有其优势及其不足。对于不同用户,最好的传感器应该是,能够满足实验者最关注的要点。目前市场上有很多性能不错的传感器,如果用户真正理解了这些传感器到底测量的是什么,那么就很容易对这些传感器做出对比、然后选择出适合自己应用的传感器。