做土壤水分傳感器快10年了，我想該是時候和大家分享一些當前我們的實踐經驗和可改進方向。當然我已經離開土壤物理這個圈子也將近10年了，現在是作為一名工程師的角度去看待當前的土壤水分測量技術（我一直驕傲的稱呼自己為工程師，我一直覺得這個不過分哦。），希望新的一代又一代的工程師在開發該領域的產品時吸取一些經驗并做一些真正核心的傳感技術，推動未來智慧農業或環境監測的發展。以下內容部分數據在中英文期刊上尚未公開，部分思路可能在九十年代出現過，但我認為今天來看還并不代表其不先進，反而很實用。感謝前輩們的嚴謹成果。這里我省去繁瑣的土壤物理及數學分析方法，盡可能簡單表述通俗易懂，讓更多讀者可以理解深刻。

1.關于土壤含水量的測量精度問題

      很多使用者關注其精度如何，縱觀國內外的各類土壤水分傳感器，當前在國內被濫用并冠名“FDR和TDR”的傳感器的精度為2~3%，這里面海外的產品說明書往往使用0.02~0.03cm3cm-3這種帶單位的體積含水量標注。

     那么這個精度是怎么得來的呢？最早先的時候是利用TDR測量技術獲得電信號和烘干法（將土壤中的水通過烘干處理一定時間，基于在此期間被烘干的只有水并在此期間全部被烘干的假設）獲得的土壤質量含水量進行的建模，后來發現土壤容重對信號的影響也很大，所以又建立了各套土壤介電常數模型，其目的筆者認為就是去解釋清楚土壤介電信號和土壤水分、土壤容重等的關系，最近甚至一些學者提出了凍土介電模型利用其電信號參數獲得冰含量等等。如果你去看相關的文獻實在是很多，也說明了很多科學家（注意：并非工程師）大膽的設想。告訴大家，土壤水分傳感器測量的精度往往在學術圈子里喜歡用均方根誤差去評估，也就是說我們去實驗室配上土樣，并設置不同含水量水平，并保持一定的土壤容重。然后進行率定，或者說校準。然后獲得曲線擬合的均方根值。還有些文章用偏差曲線去偏置于擬合曲線上下進行度量偏差。其實都應該會很滿意，甚至達到0.01cm3cm-3精度（1%）。很多學者因此非常高興發表期刊或發表專利說自己發明了高精度土壤水分傳感器。筆者先使用圈子里的話語進行說明，我在早些年進行了自制的土壤水分傳感器用于100多個土樣的測量評估，總的結論來說——TDR測量無法實現小于0.02cm3cm-3精度（2%），即使使用各種率定和校準的方法，只能達到0.02cm3cm-3精度（2%）左右；而FDR則可以改善到用戶非常滿意，甚至我在驗證時發現了小于0.01cm3cm-3精度（1%）。但TDR在不校準時進行測量的偏差明顯小于不校準時進行測量的FDR偏差。這里面外行人聽的糊里糊涂了，一會兒TDR好一會兒FDR好，我總結說這說明土壤中應用TDR的技術所攜帶的噪聲和FDR技術攜帶的噪聲完全是兩個不同的噪聲，而且各自的噪聲受環境的影響因子不一樣，這里面可進行的改善潛力是有的。

        當然正如很多研究開發的同行工程師一樣，我也很期待購買先進的矢量網絡分析儀去進行介電測量，了解這里面的噪聲和影響因子，去解釋這里面的關系并進行改善。但不幸我之前所在單位所在幾年沒相關經費，也正因為這個原因，我便開展了另外一項大部分同行沒有開展的工作——對土壤含水量本身穩定性能參數的基礎研究。因為這項工作我只需要一個烘箱，一個天平，一個筆記本，多個地方取土壤樣品，以及選擇不同的人進行配置土壤含水量，我獲得了4個重要參數1）不同人配置填充土壤的容重偏差；2）田間自然條件下土壤容重偏差；3）不同人配置土壤樣品的水分空間偏差；4）田間自然條件下土壤水分空間偏差。    

        現在我來告訴大家一些數據：實驗室內以人為拌土法形式進行烘干測算土壤體積含水量的誤差可達到0.023 cm3cm-3（高含水量時，土壤質量含水量引起的誤差項為0.003 cm3cm-3，土壤容重引起的誤差項為0.02 cm3cm-3）。以上說的是平均值，其實平均值本身不見得在這里合理的評估參數，所以我又列了其他的統計參數如下表：

表1 標準烘干法測算土壤體積含水量的標準誤分布特征

        所以筆者認為用當前所謂的精度和精度實驗去評估傳感器性能已經是完全失敗的做法，而目前氣象、水利等行業標準的關鍵參數，甚至招投標中所用的參數，都習慣于使用精度實驗去評估。

        以上的數據公開發布過，是在我創業那年2018年參加的介電常數測量技術會議上，還是個國際會議，當時美國和波蘭的幾位科學家，包括國內的幾個做介電測量的學者都在現場，但是我用的英文表達，表達的不是清楚也不流暢，估計大家也沒有明白我的意思，各位大牛都是大談特談高端的介電測量技術。我所表達的是，在土壤上，其實這個空間標準誤的范圍客觀存在著，你們還在研究怎么把2%的精度提升到1%？好比這個空間水分分布的誤差和烘干法測算土壤體積含水量的誤差已經大于測量技術本身的偏差，你怎么還用烘干法去評估介電測量技術呢？

        為此，我認為使用穩定性試驗和有效分辨率來評估土壤水分傳感器的性能，并替代當前流行的土壤水分精度實驗。

        否則如果還繼續使用土壤水分精度實驗作為標準去評估，那么人為配土因子和率定方法一定超過硬件本身的測量穩定性和精度，我想行業內不需要制造高性能的計量儀器，只要你委托我，我會進行控制配土的流程和獨家率定方法將幫助你很順利的拿到行業計量證書！但那又說明什么呢？這樣的做法對行業發展有推動作用嗎？

2. 關于土壤含水量的測量長期穩定性問題

        大部分的評估實驗都是短期的，一般是幾周，甚至幾天。關于土壤含水量測定的長期穩定性這個命題是我在開展土壤電導率傳感器開發時遇到類似的問題聯想到的?，F在大家還沒有流行起土壤水分測量，我發現甚至全世界專業制造土壤水分傳感器的廠家也沒有意識到這個問題，畢竟這項技術才開始被普及使用。

        你覺得土壤水分傳感器的探頭埋到土壤中四五年之后其探針金屬材料對介電特性的影響和剛出廠時的影響沒有變化？或者可以忽略不變？你拿些數據我看看？我看不到（可能我離開土壤物理這個圈子一段時間了，孤陋寡聞，如果讀者發現有相關資料和數據，歡迎告知我）。所以我們又開展了這部分評估工作，當然這工作是近幾年才開始的——每生產一批產品我們都會留樣同步開展長期穩定性試驗。如果若干年后發現電極常數有較大的偏差影響我們可以及時反饋給我們的客戶。

        而我們在好多客戶那邊看到好多土壤水分傳感器在若干年后被挖出來之后，有些探針被腐蝕，有些探針卻未被腐蝕，這說明本身金屬探針在土壤中的腐蝕速率對于不同環境（包括土壤含水量、土壤電導率、土壤溫度、土壤pH等）而不一樣，當然這本身就是一個科學問題，我們之前參與國家電網的金屬腐蝕速率原位測量方法討論有一些詳細方案說明，當然電網這個巨無霸暫時不會看上我們這種小科技型公司而寧愿去高價選擇進口的“好產品”，感興趣的讀者可以聯系我們進行合作。這里面我們已經提出了直接獲得腐蝕速率的電信號的測量方法，但從設想到實現一定還有一段路要走，如果想和我們合作請務必帶好錢。值得備注說明的是，該方法不是“大數據”反推腐蝕速率等時髦用語的方法，反而是古老的經典電化學原理。

        關于土壤含水量的長期穩定性問題，我認為由以下幾個因子決定：1）探針材料，2）電路器件壽命，3）土壤環境-這第三個參數是無法控制量，只能做一個極大極小范圍進行模擬。

3. 關于土壤含水量測量時其他參數的影響

       這幾年我們測試統計發現溫差 15℃引起的FD傳感器測量土壤含水量最大誤差大約是±5%（0.05 cm3cm-3）左右，這可能是由測量介電參數中溫度系數敏感引起的。而電導率影響則更大，現在不管你是否相信，但這就是事實。不管進口怎么樣的傳感器都存在這個問題，這也是為什么先進的制造商都會使用溫度同步測量，但大部分廠家不會告訴你土壤溫度測量一個很大的目的是用來溫度補償，而只會告訴你他會增加產品單價，說這個傳感器可以同時測定土壤溫度，甚至告訴你他們的最新發布的產品還包含電導率測量，價格更高。其實這里面如何補償的科學問題還沒有被完全揭示。我瀏覽的整個圈子還沒見過操作可行的補償系數的實驗設計。

        其實筆者認為測量溫度和測量電導率是為了測準水分含量的基礎，一支合格的土壤水分傳感器必須要進行溫度和電導率的測量，而后進行對土壤水分測量項電信號進行補償。這里面溫度測量和電導率測量時高精度土壤含水量測準的必要條件，這層邏輯關系普通的用戶應該要了解并理解。當然你告訴我你的精度要求不高，那我無話可說，我使用手摸一下眼睛看一下精度也能達到10%，何必使用介電傳感器。關鍵需要思考的是我們實際應用時精度要求是多少呢？這方面我針對灌溉控制的事專門再整理一個專題和大家分享分享。

        另外一層更加要命的是這里面標稱“可以進行測量土壤電導率的土壤水分傳感器”，筆者特別關注其中的原理，其實關于土壤電導率的測量根本就不是土壤電導率的測量，只是大部分廠家為了校準提出的一套套測定電導率的方法，其實就還是圍繞著介電原理的進行電路設計。后來大量的一些學者，也不懂電導率是什么鬼？鹽度？土壤電導率是什么鬼？土壤鹽度？開展了大量的使用這類土壤水分傳感器（帶溫度和電導測量的功能）進行鹽度測量，筆者看了很多文獻數據，沒有人懷疑過動搖過這類電導率測量原理可以測量土壤電導率這個參數的基本假設。

        到底什么是土壤電導率？進一步的關于土壤電導率的測量筆者等有時間了還想和讀者們拿出來一起分享。其實好多老外做這類傳感器也并非是專業做儀器儀表行業的（當然筆者也是半路出家從事這個方向），很多土壤學的基礎知識和計量的基礎知識遠遠不夠的。另外我發現老外挺懶的，喜歡濫用各種文獻數據，自己不動手做做驗證，可能也沒明白這里面的實際參數，或者也不敢去懷疑學術圈的結論。

4. 關于所謂的TDR和FDR測量技術在土壤水分測量上應用真的是合適嗎？

        該命題我一開始從事就已經懷疑過，并開展過其他的原理進行測量比較，早年我設計了一個輕松振蕩的RC和LC電路，在之前單位還拿到了一個專利，那就是電容式原理測量，但是大家還是太迷信TDR和FDR測量技術，至今沒人愿意支持研究和開發，這個專利現在就是一張證書而已。最近我基于此前的思路又升級設計了一個新的電路，但愿不就將來可以讓大家見到該產品。

        一來早年引進的這些傳感器都是這類TDR和FDR，學者圈子里面凡是使用TDR或者FDR的傳感器，文章發表的數據才準確，這是一種時髦標志；甚至連Meter公司（原Decagon）的現在的新產品設計也采用了FDR，哈哈，自己把自己忽悠了，殊不知早年Decagon公司創始人開展的一項測量技術由于當時受限于nV測量技術而沒有成功進而沒有繼續堅持，現在反而收購了UMS公司去吸收了人家的FDR，我相信Gaylon S. Campbell先生一定也很無奈。

        二是最原始的TDR測量技術在土壤水分測量上的應用是Topp為了消除測量極化而設計的測量方法，本質還是電容測量，只是進行測量的時間很快（超過了極化速度），所以結合當時的技術可能性，就發展應用了TDR這一個手段。后人便硬搬FDR技術來替代TDR，做了一些有意思的技術應用。這一點Meter公司（原Decagon）的Gaylon S. Campbell畢竟是老先生，設計的經典的5TE、EC5等產品原型都是電容測量，目的也是為了減小極化，雖然學術圈子里很多人說這些產品是TDR，但老先生自己從未公開說自己的產品是FDR或者TDR。

        當然筆者的創業團隊也入了這個坑，而且現在也在市場上生產和出售這類傳感器，其實測量效果也不錯。但我的意思并非說這個TDR或FDR技術沒有價值，筆者認為該項TDR或FDR技術應用在土壤水分測量基本已到了瓶頸，更受限于我前面所述的1和2和3。千萬不要再增加該項所謂的TDR或FDR研發成本在土壤水分領域的測量應用了，倒是可以做一些減低該項技術背景下的噪聲的研究及提升驗證。

        的確現在作為一名工程師，好久沒有如那時科學家的角色發表嚴謹的言語，如果文中不嚴謹的地方請多包涵，我希望能盡可能的提供一些有價值的內容供大家分享和討論。我現在創業初期，平時工作也比較忙，瑣碎的事很多我需要處理，所以發表博文的習慣一直沒有養成，最近想經常的分享給大家，便試著寫下本文開始，看看是否可以養成這個習慣。

王亮亮

2021.07.09凌晨

發布于南京

發布于科學網