土壤水分监测技术

    土壤的介电特性任何非金属，甚至一定的金属都属于电介质，在电磁场的作用下，产生电较化和磁化，并反过来影响电磁场的空间分布和电磁波的传播。土壤是一种由固体颗粒、水（冰）、空气及水蒸汽组成固-液-气三相组成的复杂电介质，含有多种不同性质的介质成分，其介电特性主要用相对介电常数来表示。由于电介质在外电场作用下产生感应电荷而消弱原有电场，电容发生变化，相对介电常数定义为在原电场中的介电常数与真空中的介电常数的比值。在不同测试频率下，各组分介电常数有一定的差异性，在100MHZ下，空气和水蒸汽的介电常数接近且较小，水的相对介电常数较大，远大于空气和土壤固体颗粒的介电常数。因此土壤介电常数主要受电磁波测试频率、土壤含水量等因素的影响。

测试频率的影响 

    土壤介电常数的测量过程中，信号源一般为电磁波脉冲或连续信号，在电场作用下，介质中的正、负电荷朝相反方向发生偏移而产生较化，但建立较化过程总需要一定的时间，介电常数受到电磁波频率的影响，当测试频率很低时，介电常数为一个实数，当测试频率增加，分子固有较化落后于外场的变化。

土壤含水量的影响 

    当土壤的性质确定后，土壤的固态物质基本不变，电磁波频率高于100MHz时，土壤的介电常数变化主要取决于土壤水分的体积含量，土壤体积含水量与土壤的介电常数有一定的正相关性。目前主要通过经验公式法和介电混合模型法描述两者的关系。

土壤水分传感器的原理 

    土壤水分传感器测量土壤含水率的关键问题是对土壤介电常数的测量，目前土壤介电常数测量方法有很多种，其中时域反射法、时域传输法、频率分解法、驻波比法、为目前应用广泛的技术方法。 

时域反射法 

    TDR是根据电磁波在不同介电常数的介质中传播速度有所改变的物理现象而提出的一种方法。高频脉冲信号产生器产生具有较小上升时间的阶跃电压信号，通过同轴传输线传输，由于同轴传输线阻抗不发生变化，此时，示波器显示的是一条平滑的波信号，当信号传到土壤水分探针，由于同轴传输线与探针阻抗不匹配，一部分电磁波在探针与传输线连结处沿同轴传输线反射回来，剩余部分电磁波继续沿探针方向传输到探针的另一端，由于探针与土壤阻抗不匹配造成电磁波的再次反射。

频域反射法

    FDR原理，与TDR测量类似，是体积测定土壤或基质中的水含量。测量原理是基于发射电磁波传输时间改变，电磁波再次被传感器接受。因传感器反应迅速以及通用适合所有类型土壤和基质，FDR传感器对自动灌溉控制非常有用。水含量数据(Vol%表示)可立刻显示灌溉水需求状况。与常用的时控技术相比,因传感器反应迅速，甚至可关闭湿度依赖的灌溉。另一个优点是土壤化学性质(pH, 盐度)基本对测量结果没有影响或影响甚微。传感器采用防霜设计、无需维护、使用寿命长。需要指出的是评估期间测量值应该与土壤或基质组份相适。另外电容测量法要求精心安装传感器，要与土壤接触良好，传感器上空气隙和空隙会影响测量精度。