土壤湿度传感器原理及机理

    土壤湿度传感器是一种测量土壤中含水量的装置。土壤湿度传感器大致可分为两种类型：利用土壤介电特性的传感器和利用基质势（指示土壤湿度保持情况）的传感器。两种类型都使用埋在地下的相同传感器部分，但在原理和机制上存在重大差异。国家农业和食品研究组织是专门从事农业和食品领域研究的国家研究机构。我们的研究范围广泛，从基础技术到应用技术。近年来，我们的重点是“提高粮食自给率和安全”，“增强农业和食品工业的竞争力，扩大出口”， ”和“提高生产力和环境”。我们正在推动旨在在农业和食品工业中实现“社会5.0”的举措，以“平衡保护”为三个目标。 我们还利用土壤湿度传感器进行了多项研究，展示了如何使用土壤湿度传感器进行柑橘种植。土壤中所含的水分含量可以通过土壤表面的颜色和用手触摸土壤的感觉来确定，但即使表面看起来干燥，实际上可能还残留有大量的水分。国家农业和食品研究农村工程表示，测量土壤含水量最可靠的方法是测量土壤的重量，并将其放入105°C至110°C的烘箱中进行烘烤。大约1到2天，直到重量不再变化。虽然建议使用干燥后测量重量的方法，但建议使用土壤湿度传感器，因为它可以减少收集土壤时损坏作物根部的风险，并减少测量所花费的时间负担。利用土壤介电特性的土壤湿度传感器利用了“在构成土壤、水、空气和土壤颗粒的三种元素中，水具有最高的介电常数，它决定了土壤的介电常数：这是一个测量土壤湿度的土壤湿度传感器。
 
 
水、空气和土壤颗粒介电常数的差异
・水：80程度
・空气：1
・土粒子：2～5程度
 
其特点是即使土壤密度或矿物成分发生微小变化，也能准确测量数值，能够使用TDR法、TDT法、WCR法、ADR法等方法测量介电特性，和电容法。分为几种。
 
1）TDR方式（Time Domain Reflectometry ※時間領域反射法）
TDR法是一种土壤湿度传感器，通过测量微波穿过埋在土壤中的金属棒所需的时间来测量土壤的介电常数。这种测量方法是加拿大于 20 世纪 70 年代开发的，据说是基于介电特性测量土壤湿度的原始方法。
 
2）TDT方式（Time Domain Transmission ※時間領域透過法）
与TDR法一样，TDT法是一种土壤湿度传感器，通过测量微波通过所需的时间来测量土壤的相对介电常数。不同之处在于，传感器部分呈 U 型环状，测量从一侧照射的微波返回检测器所需的时间。由于其形状，很难将其埋入土壤中，只能在犁过的土层或沙土中使用。
 
3）WCR方式（Water Content Reflectometer ※含水率反射率計）
WCR 法是一种土壤湿度传感器，根据微波穿过金属棒反射回来的次数来测量土壤的介电常数。它的传感器部分设计得比平常更厚，并且仅输出根据制造商创建的校准公式计算出的值。
 
4）ADR方式（Amplitude Domain Reflectometry ※振幅領域反射法）
ADR法与TDR、TDT、WCR法一样，是一种利用土壤介电特性来测量土壤湿度的土壤湿度传感器。与其他方法相比，其优点是受土壤电导率影响较小，测量精度较高，但许多产品价格昂贵，其他方法目前已能测量足够的精度，国内使用已不再报道。
 
5）电容法
电容法是一种土壤湿度传感器，通过施加电压的传感器内部的电容器测量的电容来测量土壤湿度。由于“电容受介电常数影响”的特性，被称为利用土壤介电特性的土壤湿度传感器，类似于TDR方法。使用基质势的土壤湿度传感器是利用“土壤吸水力（基质势）”测量土壤湿度的土壤湿度传感器。它的特点是利用植物“以与基质电位相当的力从土壤中吸收水分”的特性，有张力计法、使用电容式土壤湿度传感器的方法、电极电位法等多种方法。 .有几种类型。
 
1）张力计法
张力计法是一种土壤湿度传感器，使用称为多孔杯的无釉杯。当传感器周围的土壤水分被基质势吸收时，张力计内充满的水被吸出到外部，用于测量土壤水分含量。通过测量粘土杯内的水压（允许水通过但不允许空气通过），可以确定土壤的基质势。
 
2）采用电容式土壤湿度传感器的方法
该方法是一种土壤湿度传感器，其中无釉板夹在电容式土壤湿度传感器的传感器部分之间。其特点是将土壤的介电特性转化为基质势，适合张力计能力较弱的干燥土壤的测量。
 
3）电极电位法
电极电位法是一种土壤湿度传感器，利用包裹在纤维材料（例如尼龙材料）中的电极棒内产生的电阻来测量土壤湿度。尽管由于利用土壤介电特性的方法的传播，它曾经变得过时，但当它应用于利用基质势的方法时，它的有效性被重新考虑。尽管测量精度低于张力计，但由于其价格低廉且易于维护，其在农业领域的使用正在增加。为了有效地利用土壤湿度传感器，了解测量土壤湿度的基本原理和机制非常重要。