为何土壤水分传感器在水中输出不是100%？

使用我们的CS650/CS655或者TDR200系统测量土壤水分的用户经常会提出这样一个问题：将传感器放在水中，为何体积含水量（Volumetric Water Content, VWC）的输出值不是100%（或者1.0 cm³/cm³，单位表示为体积含水量）？这是由于此类传感器直接测量的是介质的（相对）介电常数，进而通过Topp经验公式等介电模型来计算土壤体积含水量。如下图所示，Topp经验模型其适用条件为非饱和矿物质土壤（下图左半部分）。将常温下水的介电常数（≈80）代入模型中得到此时VWC 约为0.96 cm³/cm³，并非100%。

此外，水的介电常数并非定值，不同温度下水的介电常数可由下图中的多项式表示，在20℃和25℃下水的介电常数分别为80.36和78.54。如果进行上述测试时水温为25℃，那么代入Topp公式中可得到VWC约为0.93 cm³/cm³，相去100%更远。

因此，在检验CS655等土壤水分传感器工作是否正常时，查看传感器置于水中的介电常数而非体积含水量更为合理。如果条件允许，可以同时测量水体温度，计算在当前温度下水的介电常数作为参考值，与传感器输出进行对比。我们的不同传感器其测量误差稍有差异，在电导率未超出范围时，介电常数测量误差通常保持在±2个单位之内。

还需要特别说明的是，在测试时传感器探针应当全部浸没在水中。此外，由于水分传感器探针上传导的高频电磁波会有一定程度的边缘场效应，因此测试时探针距离盛水容器内壁和底部应保持一定间距，以3至5cm为宜，否则会导致传感器感应到容器材料或者空气，造成介电常数测量结果偏小。基于同样原因，试验容器应选用塑料或玻璃等非金属材质。

参考文献：

●Lide, D.R., 1992. Handbook of chemistry and physics. 73rd ed. CRC Press, Boca Raton, FL, USA.

●Topp, G.C., Davis, J.L., Annan, A.P., 1980. Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines. Water Resour. Res. 16:574–582.