做土壤水分传感器快10年了，我想该是时候和大家分享一些当前我们的实践经验和可改进方向。当然我已经离开土壤物理这个圈子也将近10年了，现在是作为一名工程师的角度去看待当前的土壤水分测量技术（我一直骄傲的称呼自己为工程师，我一直觉得这个不过分哦。），希望新的一代又一代的工程师在开发该领域的产品时吸取一些经验并做一些真正核心的传感技术，推动未来智慧农业或环境监测的发展。以下内容部分数据在中英文期刊上尚未公开，部分思路可能在九十年代出现过，但我认为今天来看还并不代表其不先进，反而很实用。感谢前辈们的严谨成果。这里我省去繁琐的土壤物理及数学分析方法，尽可能简单表述通俗易懂，让更多读者可以理解深刻。

1. 关于土壤含水量的测量精度问题

   很多使用者关注其精度如何，纵观国内外的各类土壤水分传感器，当前在国内被滥用并冠名FDR和TDR的传感器的精度为2~3%，这里面海外的产品说明书往往使用0.02~0.03cm3cm-3这种带单位的体积含水量标注。

   那么这个精度是怎么得来的呢？其实最早先的时候是利用TDR测量技术获得电信号和烘干法（将土壤中的水通过烘干处理一定时间，基于在此期间被烘干的只有水并在此期间全部被烘干的假设）获得的土壤质量含水量进行的建模，后来发现土壤容重对信号的影响也很大，所以又建立了各套土壤介电常数模型，其目的笔者认为就是去解释清楚土壤介电信号和土壤水分、土壤容重等的关系，最近甚至一些学者提出了冻土介电模型利用其电信号参数获得冰含量等等。如果你去看相关的文献实在是很多，也说明了很多科学家（注意：并非工程师）大胆的设想。告诉大家，土壤水分传感器测量的精度往往在学术圈子里喜欢用均方根误差去评估，也就是说我们去实验室配上土样，并设置不同含水量水平，并保持一定的土壤容重。然后进行率定，或者说校准。然后获得曲线拟合的均方根值。还有些文章用偏差曲线去偏置于拟合曲线上下进行度量偏差。其实都应该会很满意，甚至达到0.01cm3cm-3精度（1%）。很多学者因此非常高兴发表期刊或发表专利说自己发明了高精度土壤水分传感器。笔者先使用圈子里的话语进行说明，我在早些年进行了自制的土壤水分传感器用于100多个土样的测量评估，总的结论来说——TDR测量无法实现小于0.02cm3cm-3精度（2%），即使使用各种率定和校准的方法，只能达到0.02cm3cm-3精度（2%）左右；而FDR则可以改善到用户非常满意，甚至我在验证时发现了小于0.01cm3cm-3精度（1%）。但TDR在不校准时进行测量的偏差明显小于不校准时进行测量的FDR偏差。这说明土壤中应用TDR的技术所携带的噪声和FDR技术携带的噪声完全是两个不同的噪声，而且各自的噪声影响因子不一样，这里面可进行的改善潜力是有的。

   当然正如很多研究开发的同行工程师一样，我也很期待购买先进的矢量网络分析仪去进行介电测量，了解这里面的噪声和影响因子，去解释这里面的关系并进行改善。但不幸我之前所在单位所在几年没相关经费，也正因为这个原因，我便开展了另外一项大部分同行没有开展的工作——对土壤含水量本身稳定性能参数的基础研究。因为这项工作我只需要一个烘箱，一个天平，一个笔记本，多个地方取土壤样品，以及选择不同的人进行配置土壤含水量，我获得了4个重要参数1）不同人配置填充土壤的容重偏差；2）田间自然条件下土壤容重偏差；3）不同人配置土壤样品的水分空间偏差；4）田间自然条件下土壤水分空间偏差。

   现在我来告诉大家一些数据：实验室内以人为拌土法形式进行烘干测算土壤体积含水量的误差可达到0.023 cm3cm-3（高含水量时，土壤质量含水量引起的误差项为0.003 cm3cm-3，土壤容重引起的误差项为0.02 cm3cm-3）。以上说的是平均值，其实平均值本身不见得在这里合理的评估参数，所以我又列了其他的统计参数如下表：

   表1 标准烘干法测算土壤体积含水量的标准误分布特征

   样本来源	最小值cm3cm-3	最大值cm3cm-3	四分位数cm3cm-3		百分位数cm3cm-3
   			Q1	Q3	P5	P95
   填充土	0.0001	0.0265	0.0011	0.0062	0.0004	0.0137
   原位土	0.0019	0.0350	0.0077	0.0190	0.0021	0.0344

        所以笔者认为用当前所谓的精度和精度实验去评估传感器性能已经是完全失败的做法，而目前气象、水利等行业标准的关键参数，甚至招投标中所用的参数，都习惯于使用精度实验去评估。

        其实以上的数据公开发布过，是在我创业那年2018年参加的介电常数测量技术会议上，还是个国际会议，当时美国和波兰的几位科学家，包括国内的几个做介电测量的学者都在现场，但是我用的英文表达，表达的不是清楚也不流畅，估计大家也没有明白我的意思，各位大牛都是大谈特谈高端的介电测量技术。我说表达的是，在土壤上，其实这个空间标准误的范围客观存在着，你们还在研究怎么把2%的精度提升到1%？好比这个空间水分分布的误差和烘干法测算土壤体积含水量的误差已经大于测量技术本身的偏差，你怎么还用烘干法去评估介电测量技术呢？

        为此，我认为使用稳定性试验和有效分辨率来评估土壤水分传感器的性能，并替代当前流行的土壤水分精度实验。

        否则还继续使用土壤水分精度实验作为标准去评估，那么人为配土因子和率定方法一定超过硬件本身的测量稳定性和精度，我想行业内不需要制造高性能的计量仪器，只要你委托我，我会进行控制配土的流程和独家率定方法将帮助你很顺利的拿到行业计量证书！但那又说明什么呢？这样的做法对行业发展有推动作用吗？

2. 关于土壤含水量的测量长期稳定性问题

        大部分的评估实验都是短期的，一般是几周，甚至几天。关于土壤含水量测定的长期稳定性这个命题是我在开展土壤电导率传感器开发时遇到类似的问题联想到的。现在大家还没有流行起土壤水分测量，我发现甚至全世界专业制造土壤水分传感器的厂家也没有意识到这个问题，毕竟这项技术才开始被普及使用。

        你觉得土壤水分传感器的探头埋到土壤中四五年之后其探针金属材料对介电特性的影响和刚出厂时的影响没有变化？或者可以忽略不变？你拿些数据我看看？我看不到（可能我离开土壤物理这个圈子一段时间了，孤陋寡闻，如果读者发现有相关资料和数据，欢迎告知我）。所以我们又开展了这部分评估工作，当然这工作是近几年才开始的——每生产一批产品我们都会留样同步开展长期稳定性试验。如果若干年后发现电极常数有较大的偏差影响我们可以及时反馈给我们的客户。

        而我们在好多客户那边看到好多土壤水分传感器在若干年后被挖出来之后，有些探针被腐蚀，有些探针却未被腐蚀，这说明本身金属探针在土壤中的腐蚀速率对于不同环境（包括土壤含水量、土壤电导率、土壤温度、土壤pH等）而不一样，当然这本身就是一个科学问题，我们之前参与国家电网的金属腐蚀速率原位测量方法讨论有一些详细方案说明，当然电网这个巨无霸暂时不会看上我们这种小科技型公司而宁愿去高价选择进口的“好产品”，感兴趣的读者可以联系我们进行合作。这里面我们已经提出了直接获得腐蚀速率的电信号的测量方法，但从设想到实现一定还有一段路要走，如果想和我们合作请务必带好钱。值得备注说明的是，该方法不是“大数据”反推腐蚀速率等时髦用语的方法，反而是古老的经典电化学原理。

        关于土壤含水量的长期稳定性问题，我认为由以下几个因子决定：1）探针材料，2）电路器件寿命，3）土壤环境-这第三个参数是无法控制量，只能做一个极大极小范围进行模拟。

3. 关于土壤含水量测量时其他参数的影响

       这几年我们测试统计发现温差 15℃引起的FD传感器测量土壤含水量最大误差大约是±5%（0.05 cm3cm-3）左右，这可能是由测量介电参数中温度系数敏感引起的。而电导率影响则更大，现在不管你是否相信，但这就是事实。不管进口怎么样的传感器都存在这个问题，这也是为什么先进的制造商都会使用温度同步测量，但大部分厂家不会告诉你土壤温度测量一个很大的目的是用来温度补偿，而只会告诉你他会增加产品单价，说这个传感器可以同时测定土壤温度，甚至告诉你他们的最新发布的产品还包含电导率测量，价格更高。其实这里面如何补偿的科学问题还没有被完全揭示。我浏览的整个圈子还没见过操作可行的补偿系数的实验设计。

        其实笔者认为测量温度和测量电导率是为了测准水分含量的基础，一支合格的土壤水分传感器必须要进行温度和电导率的测量，而后进行对土壤水分测量项电信号进行补偿。这里面温度测量和电导率测量时高精度土壤含水量测准的必要条件，这层逻辑关系普通的用户应该要了解并理解。当然你告诉我你的精度要求不高，那我无话可说，我使用手摸一下眼睛看一下精度也能达到10%，何必使用介电传感器。关键需要思考的是我们实际应用时精度要求是多少呢？这方面我针对灌溉控制的事专门再整理一个专题和大家分享分享。

        另外一层更加要命的是这里面标称“可以进行测量土壤电导率的土壤水分传感器”，笔者特别关注其中的原理，其实关于土壤电导率的测量根本就不是土壤电导率的测量，只是大部分厂家为了校准提出的一套套测定电导率的方法，其实就还是围绕着介电原理的进行电路设计。后来大量的一些学者，也不懂电导率是什么鬼？盐度？土壤电导率是什么鬼？土壤盐度？开展了大量的使用这类土壤水分传感器（带温度和电导测量的功能）进行盐度测量，笔者看了很多文献数据，没有人怀疑过动摇过这类电导率测量原理可以测量土壤电导率这个参数的基本假设。

        到底什么是土壤电导率？进一步的关于土壤电导率的测量笔者等有时间了还想和读者们拿出来一起分享。其实好多老外做这类传感器也并非是专业做仪器仪表行业的（当然笔者也是半路出家从事这个方向），很多土壤学的基础知识和计量的基础知识远远不够的。另外我发现老外挺懒的，喜欢滥用各种文献数据，自己不动手做做验证，可能也没明白这里面的实际参数，或者也不敢去怀疑学术圈的结论。

4. 关于所谓的TDR和FDR测量技术在土壤水分测量上应用真的是合适吗？

        该命题我一开始从事就已经怀疑过，并开展过其他的原理进行测量比较，早年我设计了一个轻松振荡的RC和LC电路，在之前单位还拿到了一个专利，那就是电容式原理测量，但是大家还是太迷信TDR和FDR测量技术，至今没人愿意支持研究和开发，这个专利现在就是一张证书而已。最近我基于此前的思路又升级设计了一个新的电路，但愿不就将来可以让大家见到该产品。

        一来早年引进的这些传感器都是这类DR和FDR，学者圈子里面凡是使用TDR或者FDR的传感器，文章发表的数据才准确，这是一种时髦标志；甚至连Meter公司（原Decagon）的现在的新产品设计也采用了FDR，哈哈，自己把自己忽悠了，殊不知早年Decagon公司创始人开展的一项测量技术由于当时受限于nV测量技术而没有成功进而没有继续坚持，现在反而收购了UMS公司去吸收了人家的FDR，我相信Gaylon S. Campbell先生一定也很无奈。

        二是最原始的TDR测量技术在土壤水分测量上的应用是Topp为了消除测量极化而设计的测量方法，本质还是电容测量，只是进行测量的时间很快（超过了极化速度），所以结合当时的技术可能性，就发展应用了TDR这一个手段。后人便硬搬FDR技术来替代TDR，做了一些有意思的技术应用。这一点Meter公司（原Decagon）的Gaylon S. Campbell毕竟是老先生，设计的经典的5TE、EC5等产品原型都是电容测量，目的也是为了减小极化，虽然学术圈子里很多人说这些产品是TDR，但老先生自己从未公开说自己的产品是FDR或者TDR。

        当然笔者的创业团队也入了这个坑，而且现在也在市场上生产和出售这类传感器，其实测量效果也不错。但我的意思并非说这个TDR或FDR技术没有价值，笔者认为该项TDR或FDR技术应用在土壤水分测量基本已到了瓶颈，更受限于我前面所述的1和2和3。千万不要再增加该项所谓的TDR或FDR研发成本在土壤水分领域的测量应用了，倒是可以做一些减低该项技术背景下的噪声的研究及提升验证。

        的确现在作为一名工程师，好久没有如那时科学家的角色发表严谨的言语，如果文中不严谨的地方请多包涵，我希望能尽可能的提供一些有价值的内容供大家分享和讨论。我现在创业初期，平时工作也比较忙，琐碎的事很多我需要处理，所以发表博文的习惯一直没有养成，最近想起了科学网，便试着写下这些，看看是否可以养成这个习惯。