1、背景

土壤水分是植物水分的直接來(lái)源，植物吸收土壤中的水分、有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行生長(zhǎng)。同時(shí)，土壤水分含量的多少，又決定著植物的生長(zhǎng)狀況的好壞。因此，測(cè)量土壤水分有著重要的實(shí)際意義。目前，國(guó)內(nèi)外有很多土壤水分測(cè)定方法。

探頭式土壤水溫鹽傳感器可方便、快速地測(cè)量土壤表層的水分、溫度、鹽分。

該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)、連續(xù)、原位監(jiān)測(cè)土壤水分、溫度、水勢(shì)的變化，是土壤水動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究設(shè)備。廣泛應(yīng)用于農(nóng)田蒸散、作物耗水、森林水文、濕地水文、草原生態(tài)、水土流失、環(huán)境污染、水循環(huán)研究等領(lǐng)域。

2、系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)

ENVIdata-DT 探頭式土壤水溫鹽水勢(shì)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器，探頭式土壤水分、溫度、鹽分傳感器，土壤水勢(shì)傳感器組成。按用戶設(shè)定的測(cè)量間隔定時(shí)、自動(dòng)測(cè)量土壤水分、溫度鹽分和土壤水勢(shì)。

該系統(tǒng)通過(guò)Internet傳輸數(shù)據(jù)，用戶無(wú)需到測(cè)點(diǎn)下載數(shù)據(jù)，只要能上網(wǎng)，可隨時(shí)查看系統(tǒng)運(yùn)行情況、下載最新和歷史數(shù)據(jù)。

3、技術(shù)參數(shù)

3.1探頭式土壤水分、溫度、電導(dǎo)率傳感器

3.1.1 TRIME-PICO64/32 土壤水分、溫度、電導(dǎo)率傳感器

結(jié)構(gòu)和原理：TRIME基于TDR（Time domain Reflectometry with Intelligent MicroElements）時(shí)域反射技術(shù)。用以直接測(cè)量土壤或其他介質(zhì)的介電常數(shù)，介電常數(shù)又與土壤水分含量的多少有密切關(guān)系，土壤含水量即可通過(guò)模擬電壓輸出被讀數(shù)系統(tǒng)計(jì)算并顯示出來(lái)。

測(cè)量時(shí)，金屬波導(dǎo)體被用來(lái)傳輸TDR信號(hào)，TRIME工作時(shí)產(chǎn)生一個(gè)1GHz的高頻電磁波，電磁波沿著波導(dǎo)體傳輸，并在探頭周圍產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)。信號(hào)傳輸?shù)讲▽?dǎo)體的末端后又反射回發(fā)射源。傳輸時(shí)間在10ps-2ns間。IMKO發(fā)明了這種測(cè)量技術(shù)，使得儀器可以檢測(cè)到小至3ps的時(shí)間信號(hào)。建立了時(shí)間采樣的方法。從而使得土壤水分的測(cè)量變得更為準(zhǔn)確和方便。

特點(diǎn)：

1）PICO探針有著很大的測(cè)量區(qū)域，最大可以達(dá)到2L。

2）測(cè)量范圍可以達(dá)到100%。但是，在35%-75%范圍內(nèi)，測(cè)量最為精確。

3）電導(dǎo)率測(cè)量范圍可以達(dá)到20dS/m。

4）對(duì)于大多數(shù)土壤類型來(lái)說(shuō)，PICO探頭在出廠前就已校準(zhǔn)。對(duì)于一些特殊的土壤或者應(yīng)用，例如純粘土，可以在15種不同的校準(zhǔn)曲線中選擇。

5） PICO探針涂有保護(hù)層，可以將探針桿隔絕起來(lái)，這樣就能保證探針桿上沒有電反應(yīng)。PICO探針是非常適合長(zhǎng)期的安裝在土壤中，并且能夠保證，在數(shù)十年內(nèi)，不會(huì) 發(fā)生測(cè)量漂移。

6） PICO探針探頭和管式探頭安裝的深度，可達(dá)50m（或者更深）。

7） PICO探頭可以測(cè)量土壤含水量，電導(dǎo)率和溫度。而且，土壤的鹽分含量，可以根據(jù)創(chuàng)新性的TRIME方法（1GHz高頻電磁波）進(jìn)行計(jì)算。

8） PICO探針適合于沙質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和粘性土壤。甚至純粘性土壤也可以被測(cè)量。

9） 因?yàn)?/span>TDR電子元件是安裝在PICO探頭里面的，所以對(duì)電纜的長(zhǎng)度以及其它常有的不利影響（如水覆蓋）沒有限制。

10）PICO探針式探頭最大探針長(zhǎng)為160mm。對(duì)于探針長(zhǎng)度可達(dá)1米的TDR儀器在測(cè)量時(shí)，會(huì)有問(wèn)題，用戶需特別留意，特別是土壤剖面水分含量不同時(shí)，例如：淺層是10%，深層是35%。

測(cè)量原理：TDR

適應(yīng)土壤電導(dǎo)率范圍：0-20dS/m，>20 dS/m可標(biāo)定

土壤水分測(cè)量范圍: 0-100%體積含水量

測(cè)量精度： ±1%（0-40%）、±2%（40-70%）

土壤溫度測(cè)量范圍：-15℃~+50℃（可定制其他溫度量程）

土壤溫度測(cè)量精度：±1.5°C (絕對(duì)); ±0.5°C (相對(duì))

防水等級(jí)：IP68

供電：7-24V DC

尺寸：155mm x Ф32mm

測(cè)量體積：0.25L（110mm x Ф50mm）

探針長(zhǎng)度探針長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)110mm，可選50mm，直徑：3.5mm

3.1.2 SM150T土壤水分、溫度傳感器

SM150T采用FD 原理，研究級(jí)土壤水分傳感器，其體積含水量測(cè)量結(jié)果可以達(dá)到2.5%。

該儀器不僅能夠?qū)Ω黝愅寥肋M(jìn)行水分測(cè)量，也可對(duì)多種介質(zhì)的水分進(jìn)行有效測(cè)量，它既可用于科研，作為水分定點(diǎn)監(jiān)測(cè)或移動(dòng)測(cè)量的基本工具，也可用于生產(chǎn)中的水分自動(dòng)控制傳感器。在食品及糧食行業(yè)，它可對(duì)粉狀或顆粒狀的介質(zhì)進(jìn)行水分測(cè)量。另外，在建筑領(lǐng)域，可用來(lái)對(duì)攪拌料水分進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

土壤水分量程0-100% ，精度：±3% （校準(zhǔn)后）

土壤溫度量程-20 to +60°C，精度：± 0.5°C（ 0 to 40°C），± 0.75°C（ -20 to +60°C ）

輸出：0-1v

供電：5-14v  

防水等級(jí)：IP68

尺寸：長(zhǎng)158mm，直徑 40mm

探針：長(zhǎng)60mm，直徑3.2mm

纜線：5m

3.1.3 Hydra土壤水分、溫度、電導(dǎo)率傳感器

儀器探頭中產(chǎn)生高頻電信號(hào)，測(cè)量土壤的電導(dǎo)與電容特性，從而計(jì)算出土壤的含鹽量與含水量，同時(shí)，儀器用電熱調(diào)節(jié)器測(cè)量土壤的溫度。

土壤水分量程0-100% ，精度：≤±3%；分辨率：0.1%

土壤溫度量程-10℃ - 60℃，精度：± 0.3℃；分辨率：0.1℃

土壤電導(dǎo)率量程0-15ds/m ，精度：±2% or 0.2ds/m；分辨率：0.01

供電：9-20v  

功耗：＜10mA（工作），＜1mA（休眠）

輸出：SDI-12

工作環(huán)境：-10℃ - 60℃ 可定制其他溫度范圍

傳感器尺寸：長(zhǎng)度115mm，直徑40mm

探針：長(zhǎng)度56mm，材質(zhì)316不銹鋼

3.1.4  AZS-3 土壤水分、溫度、電導(dǎo)率傳感器

土壤水分量程0-100% ，精度：≤±3%、≤±2%（原位率定后）；分辨率：0.1%

土壤溫度量程-30℃- 55℃，精度：± 0.3℃；分辨率：0.1℃

土壤電導(dǎo)率量程0-15ds/m ，精度：5%FS ；分辨率：0.01

輸出：SDI-12

供電：6-24v  

功耗：36mA（工作），＜15mA（休眠）

防水等級(jí)：IP68

3.2 Aquaflex 帶狀土壤水分傳感器

用來(lái)測(cè)量大塊土體的含水量同時(shí)測(cè)量土壤溫度，傳感器測(cè)量長(zhǎng)度3米，測(cè)量土體體積6升。埋設(shè)式測(cè)量，可連接數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。特別適用于菜園、葡萄園或草坪體育場(chǎng)、高爾夫球場(chǎng)或城市綠化帶，對(duì)灌溉進(jìn)行高效管理。

原理：Time Domain Transmission. (TDT)原理，與TDR原理相似，但有不同，美國(guó)技術(shù)，號(hào)：US Patent 5148125，根據(jù)介質(zhì)導(dǎo)電性質(zhì)對(duì)沿帶狀傳感器發(fā)射的脈沖信號(hào)速度和波形的影響來(lái)確定含水量。

特點(diǎn)：

l 測(cè)量土體大，Φ50mm×3000mm圓柱型土體，容積約6升，避免單點(diǎn)測(cè)量的偶然性；

l 耐用、穩(wěn)定性好，易于安裝、操作簡(jiǎn)單；

l 測(cè)量條帶可任意彎曲以適應(yīng)測(cè)量需要；

l 內(nèi)建溫度傳感器，可同時(shí)測(cè)量土壤溫度，并對(duì)溫度和電導(dǎo)率進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償；

水分測(cè)量范圍：0-60%容積含水量；  

水分測(cè)量分辨率：±0.5%容積含水量；

水分測(cè)量精度：±2%容積含水量；

溫度測(cè)量范圍： -10 - 50℃；

溫度測(cè)量精度： ±0.5℃；

操作溫度：-10 - 50℃；

輸出類型：4到20mA，RS232，頻率和*的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；

供電：標(biāo)準(zhǔn)電池或外部電源供電；6~26V，；平均電流150uA，峰值150mA（60ms測(cè)量時(shí)）

3.3 Th2土壤溫度傳感器

測(cè)量單點(diǎn)的溫度，可測(cè)量土壤，液體和氣體的溫度。細(xì)長(zhǎng)的身體和尖利的頂端可減少土壤的影響，保持良好的傳熱性。特殊的結(jié)構(gòu)可減少纜線溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

測(cè)量范圍：-50°C...+70°C

精度：±0,1 K at 0°C; ±0,2 K at ± 20°C; ±0,1 K at ± 40°C

感應(yīng)區(qū)域: Length 15 mm ,? 5 mm

3.4 土壤水勢(shì)傳感器

3.4.1  TEROS 32 野外高精度土壤水勢(shì)、溫度張力計(jì)

原理：采用與植物根系從土壤中吸收水分相似的原理，當(dāng)土壤中的水分減少，水勢(shì)降低時(shí)，埋置在土壤中的張力計(jì)管中的水分會(huì)從多孔的陶瓷頭滲出，此時(shí)張力計(jì)管中形成一定的真空度，通過(guò)測(cè)量張力計(jì)管中的真空度，就可以反映出土壤中水勢(shì)的變化。

水勢(shì)測(cè)量范圍：-80 ~ +50 kPa

準(zhǔn)確度：±0.15 kPa

分辨率：0.0012 kPa

溫度量程：-30 ~ +60 kPa

準(zhǔn)確度：±0.1℃（-20℃~40℃）;±1℃（此范圍之外）

分辨率：0.001 ℃

輸出：SDI-12

尺寸：總長(zhǎng)400 mm、800mm、1200mm 可選，特殊尺寸可定制

直徑：25mm  

3.4.2 EQ3土壤水勢(shì)、溫度傳感器

原理：精密的土壤水分探頭植入在多孔滲水材料中，該材料的土壤水分和水勢(shì)的關(guān)系已知且穩(wěn)定。探頭插入土壤后，土壤水勢(shì)迅速達(dá)到平衡，土壤水分探頭測(cè)量該材料的水分含量并轉(zhuǎn)化成土壤水勢(shì)。

測(cè)量參數(shù)：土壤水勢(shì)（基質(zhì)勢(shì)）和土壤溫度

土壤水勢(shì)測(cè)量范圍：0~-1000 kPa (-10bar)

土壤水勢(shì)精度：±10 kPa（0to-100kPa）； 讀數(shù)的10％（-100 to-1000kPa）

土壤溫度測(cè)量范圍：0 to 40°C

土壤溫度精度：±0.5℃（0~40℃），±0.75℃（-20 ~ + 60℃）

輸出：0~1.0 V

供電：5-14 V，18mA/s

防水等級(jí)：IP68

尺寸：長(zhǎng)181 mm，直徑40.5 mm

重量：0.3kg

傳感器校準(zhǔn)：建議每2年校準(zhǔn)1次（取決于使用情況） 

3.4.3  EQ系列土壤水勢(shì)傳感器

測(cè)量范圍：0 到–1500 kPa (0 到 –15 巴)

精度：0 kPa 到-100 kPa: ±10 kPa；-100 kPa 到 -1500 kPa: 10%

使用條件：除過(guò)電導(dǎo)率大于 1 mS/cm的鹽堿土外，可用于所有土壤

輸入輸出：輸入： 5-15 V 直流電壓,  最大 23 mA,；輸出: 100 -800 mV 直流電壓

外殼：不銹鋼，尺寸重量：17 cm × 4 cm × 2 cm, 標(biāo)準(zhǔn)電纜長(zhǎng)度：5 m,  最多可延長(zhǎng)至100 m, 350 g

4、數(shù)據(jù)采集器

4.1 DT 數(shù)據(jù)采集器

一款堅(jiān)固、獨(dú)立、低能耗的數(shù)據(jù)采集器，具有支持U盤、18位分辨率、通訊性能可擴(kuò)展及內(nèi)嵌顯示屏等特性。DT80的雙通道隔離概念可同時(shí)使用多達(dá)10個(gè)隔離或15個(gè)共用參考模擬輸入，配置擴(kuò)展模塊后最多可通道可擴(kuò)展至600個(gè)。

DT系列數(shù)據(jù)支持SDI-12傳感器組網(wǎng)，支持SCADA系統(tǒng)的Modbus、 FTP和Web接口、具有可控12V電源為傳感器供電。工作溫度可達(dá)-45℃。

處理器：采用18位A/D轉(zhuǎn)換器,精度±0.025%

存儲(chǔ)：128Mb可無(wú)限擴(kuò)展，內(nèi)存可存儲(chǔ)130,000個(gè)讀數(shù)，可使用PC卡或閃存可（可存儲(chǔ)65,000個(gè)讀數(shù)）

U盤存儲(chǔ)：兼容USB1.1或USB2.0驅(qū)動(dòng)，每兆約90,000采集數(shù)字點(diǎn)

LCD液晶顯示，2線16字母的LCD液晶顯示和6個(gè)按鍵用于查看通道及數(shù)采狀態(tài)和功能執(zhí)行

通訊：RS232、USB、以太網(wǎng)等

采樣間隔：10ms至天，可自定義

輸出值種類：平均值, 最大值, 最小值, 取樣值 (Sample), 向量值, 累計(jì)值 ( Totalize )等

工作溫度范圍-45~70℃，工作濕度85%（無(wú)水汽凝結(jié)）

時(shí)鐘精準(zhǔn)度：約±1分鐘/年0-40℃；約±4分鐘/年-40-70℃

供電電壓：10~30VDC

4.2 ENVILog 數(shù)據(jù)采集器

CPU：32位處理器FPU，180MHz

模擬通道：8個(gè)模擬輸入通道，可定制擴(kuò)展到100個(gè)  

數(shù)字通道：24個(gè)，其中8個(gè)DI口、16個(gè)DO口

計(jì)數(shù)通道：12個(gè)，8個(gè) 32位低速計(jì)數(shù)端口，最大計(jì)數(shù)速度10Hz；4個(gè) 32位高速計(jì)數(shù)輸入，最大計(jì)數(shù)速度100KHz

串行通道：4個(gè)SDI-12總線端口、1個(gè)RS232端口（可定制擴(kuò)展）、2個(gè)RS485端口（定制可擴(kuò)展）

計(jì)算通道：使用變量和各種函數(shù)的表達(dá)式對(duì)模擬通道、數(shù)字通訊和串行傳感器通道的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算；函數(shù)包括有算術(shù)函數(shù)、三角函數(shù)、關(guān)系函數(shù)、邏輯函數(shù)和統(tǒng)計(jì)函數(shù)等。

報(bào)警：條件、延遲、動(dòng)作等多種模式

采集頻率：1s-1天 可設(shè)置

顯示：2.54’OLED屏，8個(gè)按鍵可查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

狀態(tài)指示燈：6個(gè)，包括采集狀態(tài)、存儲(chǔ)指示、警告顯示和電源指示，內(nèi)部電池充電指示和充滿指示

內(nèi)存：內(nèi)置512MB（約1千萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)）；可插拔U盤，最大支持32G容量

通訊：USB、以太網(wǎng)、RS232、RS485；支持U盤下載數(shù)據(jù)

無(wú)線功能：內(nèi)置4G DTU模塊，全網(wǎng)通，支持ENVIData云平臺(tái)；內(nèi)置WIFI模塊

時(shí)鐘精度：±5分鐘/年

供電：9-30v DC，

功耗@12Vdc：<1mA(待機(jī))，100mA（運(yùn)行)。

尺寸：202*136*77mm

重量：1Kg

工作條件：溫度-45℃到+70℃，濕度0-85%RH不冷凝的

5、ENVIdata數(shù)據(jù)傳輸和管理平臺(tái)（云平臺(tái)）

該系統(tǒng)直接將數(shù)據(jù)傳送到ENVIdata數(shù)據(jù)服務(wù)器上，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)的生態(tài)環(huán)境因子的時(shí)序變化和相關(guān)性分析，確定監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)發(fā)展。 

ENVIdata 服務(wù)器軟件既可以作為獨(dú)立的應(yīng)用軟件，運(yùn)行在用戶的服務(wù)器上；也可以運(yùn)行在澳作公司安全的服務(wù)器上，為多個(gè)用戶提供數(shù)據(jù)接收服務(wù)，同時(shí)幫助用戶監(jiān)控野外測(cè)點(diǎn)硬件系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

澳作公司ENVIdata系列生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是業(yè)內(nèi)成功獲得 ISO9001國(guó)際質(zhì)量體系認(rèn)證，于2010年獲得 ISO9001 質(zhì)量認(rèn)證書，至今全部通過(guò)專家的年度復(fù)核，確保系統(tǒng)集成的品質(zhì)

用戶采用用戶名和密碼登陸，只要能上網(wǎng)，就能瀏覽實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)

特點(diǎn)：

1） 生態(tài)環(huán)境信息以各種時(shí)間間隔 （分鐘、每小時(shí)、每天）發(fā)送到網(wǎng)站上。

2） 用戶只要能上網(wǎng)，既可瀏覽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3） 中心服務(wù)器中文界面，便于操作和管理

4） 提供多參數(shù)、實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)曲線圖

5） 系統(tǒng)提供多站點(diǎn)地圖顯示

ENVIdata 數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)已為國(guó)內(nèi)的客戶服務(wù)多年，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

6、支架

兩種支架可供選擇，三角支架（圖一）和十字底座支架（圖二）

建議根據(jù)場(chǎng)地條件選擇：

1、 三角支架，整體比較大氣、平穩(wěn)，適合安裝在平整的場(chǎng)地中，整體高度約2.3米；

2、 十字底座支架，占地范圍更小，適宜安裝在林地或有坡度的場(chǎng)地中。

圖一：                                          圖二：

7、產(chǎn)地： 德國(guó)、中國(guó)