解析土壤水分測定儀的應用問題以及原理
土壤水分測量儀又名:土壤墑情測定儀、土壤水分測量儀、土壤水分儀、土壤水分測定儀、快速土壤水分儀、土壤水分速測儀。
定義
土壤水分測定儀，又名：土壤水分傳感器，土壤濕度計，土壤墑情儀，土壤墑情傳感器，主要用來測量土壤含水量(土壤含水率)。土壤含水量有重量含水量和體積含水量(容積含水量)兩種表示方法。重量含水量通過取土烘干法測量得到，通過土壤水分傳感器測量得到的含水量均為體積含水量。即，土壤水分傳感器就是測量單位土壤總容積中水分所占比例的儀器。些土壤水分傳感器能同時測量土壤的水分含量、土壤溫度及土壤中總鹽分含量三個參數。
用途
土壤水是植物吸收水分的主要來源(水培植物除外)，土壤水分含量的狀態和變化，是植物的生長狀況好壞的主要決定因素，由此影響到人類的食品安和生態環境。因而，地上的土壤和水是人類乃至所有生命生存的基礎，通過土壤水分傳感器測量土壤中的含水量，目前廣為人知的主要有以下用途：
目前，農業用水已占到淡水資源消耗的92%。在中，農業灌溉用水的平均利用率僅為45%(參閱百度百科“灌溉水利用系數”)，55%的水以過量灌溉后大量滲漏滲透到植物根以下、地表徑流流失、輸水渠道滲漏等方式被浪費。在45%被保存在土壤的水中，又因盲目灌溉、非按需灌溉、水肥體化不到位等原因，很多的水未能被作物有效利用。
使用土壤水分傳感器能動態跟蹤掌握農作物根系在土層中的具體深度位置、作物根系的動態吸收消耗水分情況;使用土壤水分傳感器所記錄生成的土壤水分曲線圖，能夠以直觀、量化的方式展現出土壤中不同土層的水分含量隨著時間的變化情況，而做出農田灌溉中的灌溉深度、灌溉量、灌溉開始時間、灌溉持續時間、灌溉量上限、土壤水分含量下限等關鍵因素。
科學的灌溉決策，使農作物生活在個農作物真正感到舒服的土壤環境中，對提農作物的產量大有裨益。
另方面，人們也不總是希望控制農作物生存在舒服的環境當中以提產量，人們也會考慮農產品的質量因素。比如，合適的土壤濕度會使葡萄的產量很，但葡萄就會不定很甜。在法、西班牙、美等優質的葡萄酒產區，在葡萄生育的后期，人們使用土壤水分傳感器的目的卻是監測土壤水分含量，使土壤水分含量保持相對偏低的狀態。
土壤水分傳感器被廣泛的應用于土壤學、植物生長于水的關系研究、垃圾填埋場的滲漏監測、肥料利用率優化、變暖的影響研究等域。
原理
目前，內外有很多種土壤水分測定方法，而有不同的土壤水分傳感器。比如：時域反射法(TDR)，石膏法，紅外遙感法，頻域反射法/頻域法(FDR/FD法)，滴定法，電容法，電阻法，微波法，中子法，Karl Fischer法，γ射線法和核磁共振法等。
DR(TimeDomainReflectometry)法水分傳感器
TDR法是上紀80年代發展起來的種土壤水分測定方法，中文為時域反射儀。這種方法在外應用相當普遍，內才剛開始引，各門都相當重視。TDR是個類似于雷達系統的系統，有較強的立性，其結果與土壤類型、密度、溫度基本無關。而且還有很重要的點就是，TDR能在結冰下測定土壤水分，這是其他方法無法比擬的。另外，TDR能同時監測土壤水鹽含量，且前后兩次測量的結果幾乎沒有差別。這種測定方法的度可見斑。
FDR和FD法水分傳感器
因為TDR法設備昂貴，在80年代后期，許多公司(如AquaSPY, Sentek. Delta-T， Decagon)開始用比TDR更為簡單的方法來測量土壤的介電常數，FDR和FD法不僅比TDR便宜，而且測量時間更短，在經過定的土壤校準之后，測量度，而且探頭的形狀不受限制，可以多深度同時測量，數據采集實現較容易。
電阻法水分傳感器
電阻法利用石膏、尼龍、玻璃纖維等的電阻和它們的含水量有關。當把這些中間物加上電放置在潮濕的土壤中，然后段時間后，這些東西的含水量達到平衡。由于電阻和含水量間的關系，我們前標定電阻和百分數間定的對應關系，然后就可以通過這些組件，得到1~15大氣壓吸力范圍內的水分讀數。
中子散射(neutronscattering)法水分傳感器
中子法適合測定野外土壤水分。它根據氫在急劇減低快中子的速度并把它們散射開的原則，現在市面上已經有1測定土壤水分的中子水分計。中子水分計有很多方面的優點，但是對有機質土壤有相當的限制，而且它不適宜測定0-15cm的土壤水分含量。
應用問題
相對于落后的生產應用現實，科學研究中的土壤水分研究可謂歷史悠久，而且主要的檢測術往往是由科學家們從研究角度發明的。他們直以提度為主要目標，執著地關注土壤微觀性對含水量的影響。然而現實生活中對土壤含水量的要求卻是大相徑庭：
水分數據盡可能與土壤征無關
這樣，產生的經驗知識便于、傳播和推廣。目前所有的術都是計算體積或重量含水量，由于缺乏現場實時獲得田間持水量的術，所以很難獲得真正準確的相對含水量數據，導致土壤含水量測量無法直接用于對農業生產的導。
安裝方便，操作簡單，便于現場署
在安裝和校準儀器設備方面，科學研究所需要的度和操作規程在實際生產操作過程中是無法保證的，導致相關設備應用到生產上無法保證得到可用可靠的數據。提供簡單方便免現場校準設備是這類現場安裝設備須具備的點。
有效消除實際應用過程中環境的影響
在傳感設備的運行過程中，很多因素對測量度和可靠性影響較大，例如：戶外溫度變化對電池能量轉換效能的影響，終影響設備輸出可靠性;土壤溫度和鹽分變化對水分測量度的影響;由于田間農業設備作業等因素引發的土壤震動對測量可靠性的影響;安裝方式導致的土壤擾動對測量度的影響;目標土壤有變化(耕作等)，但是由于傳感器未移動并且周邊土壤未變化，導致目標被測土壤和實際測量土壤產生差別引起的誤差;傳感器件長期和土壤接觸產生的相互作用對度的影響。
土壤水分信息需要關聯其他信息
在生產實踐中，土壤水分傳感器往往和其它外系統或參數關聯使用，例如土壤水分突然增加，可能是灌溉系統開始作、也可能是降雨、又可能是地下水向地表運動導致，所以往往需要增加不同位置和不同深度的水分傳感器數量、關聯地面氣象站或者氣象局數據、連通灌溉控制系統來確定數據的意義。這其實是對更大規模的土壤水分數據應用和處理提出的要求，但是目前市場上的產品對此需求的響應者寥寥。
常見傳感器
內外從 20紀中葉就開始行土壤水分的監測，直都在行各種測量方法的研究，盡然原理、性各有不同，但從終端設備的結構和能來看，目前已經市場化的可以分為以下4類。
折插針式土壤水分傳感器
插針式土壤水分傳感器由不銹鋼探針和防水探頭構成，可長期埋設于土壤和堤壩內使用，對表層和深層土壤行墑情的定點監測和在線測量。與數據采集器配合使用，可作為水分定點監測或移動測量的具。
缺點：
A. 所測量土壤水分的土樣代表性不夠
感應的土壤范圍是直徑125毫米、為200毫米的圓柱體，土壤水分代表性不足夠，當插針位置土質不均勻，影響數據準確性。
B. 破壞土層結構，成土壤擾動
當監測不同土層深度土壤含水量時，需要挖開土壤剖面，在土壤中插入針式水分儀后，再回填土壤。這種不得已的做法實際上已經破壞了土壤的結構，因為回填土壤的容重、土壤顆粒間的結合方式已經被改變。
C. 安裝現場組成復雜，易受到外界信號干擾
插針式是半數字化的，從傳感探針到數模轉換模塊之間傳輸的是十分微弱的模擬量，這段就十分容易受到外界信號干擾，影響分辨率、可靠性和準確性。
插針式要成組多點應用的時候就涉及復雜的連線，實施時需要在土壤中挖個深坑掩埋，安裝時如此維護時也需要同樣的作。由此產生的是設備的不可靠、安裝和維護時對被測對象的徹底干擾，作量和人員因素影響大。
D. 使用壽命有限
外露的鋼針，鋼針長期使用會變形、表面會有腐蝕或者污染。
E. 能耗，安裝現場作量大，后期設備殘留。
插針式組成的系統往往結構復雜、大量的連線及連結裝置、耗能較(電源般采用鉛酸電池)。別是大規模野外實施時，旦需要回收，插針式系統即使地面上的電池以及太陽能板和無線發射單元拆卸收回，人們往往不會再將其地下件挖出，勢會有大量傳感器探頭、金屬連線留在土壤中成長期重金屬、塑料等污染。
