為何土壤水分傳感器在水中輸出不是100%？

使用我們的CS650/CS655或者TDR200系統測量土壤水分的用戶經常會提出這樣一個問題：將傳感器放在水中，為何體積含水量（Volumetric Water Content, VWC）的輸出值不是100%（或者1.0 cm³/cm³，單位表示為體積含水量）？這是由于此類傳感器直接測量的是介質的（相對）介電常數，進而通過Topp經驗公式等介電模型來計算土壤體積含水量。如下圖所示，Topp經驗模型其適用條件為非飽和礦物質土壤（下圖左半部分）。將常溫下水的介電常數（≈80）代入模型中得到此時VWC 約為0.96 cm³/cm³，并非100%。

此外，水的介電常數并非定值，不同溫度下水的介電常數可由下圖中的多項式表示，在20℃和25℃下水的介電常數分別為80.36和78.54。如果進行上述測試時水溫為25℃，那么代入Topp公式中可得到VWC約為0.93 cm³/cm³，相去100%更遠。

因此，在檢驗CS655等土壤水分傳感器工作是否正常時，查看傳感器置于水中的介電常數而非體積含水量更為合理。如果條件允許，可以同時測量水體溫度，計算在當前溫度下水的介電常數作為參考值，與傳感器輸出進行對比。我們的不同傳感器其測量誤差稍有差異，在電導率未超出范圍時，介電常數測量誤差通常保持在±2個單位之內。

還需要特別說明的是，在測試時傳感器探針應當全部浸沒在水中。此外，由于水分傳感器探針上傳導的高頻電磁波會有一定程度的邊緣場效應，因此測試時探針距離盛水容器內壁和底部應保持一定間距，以3至5cm為宜，否則會導致傳感器感應到容器材料或者空氣，造成介電常數測量結果偏小。基于同樣原因，試驗容器應選用塑料或玻璃等非金屬材質。

參考文獻：

●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.