土壤水分传感器又称土壤湿度传感器，由不锈钢探针和防水探头构成，可长期埋设于土壤和堤坝内使用，对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量。与数据采集器配合使用，可作为水分定点监测或移动测量的工具（即农田墒情检测仪）。
土壤水分含量是表达旱情的最直接指标。国内外从20世纪中叶就开始进行土壤水分的监测，国内外一直都在进行各种测量方法的研究，目前主要采用烘干称重、张力计、中子水分计和时域反射仪、频域发射仪等测量方法。这些方法虽然可以实现土壤水分的测量，但原理、特性各有不同。综观国内墒情自动监测现状，目前还没有一种产品在野外广泛应用，也没有一种主导产品实现大范围墒情信息自动采集、传输处理。
随着国家抗旱指挥系统的规划和实施，各省、市区域墒情自动监测即将全面展开，特别是2010年春季我国西南部分省（区）干旱的出现，迫切需要自动化土壤水分监测仪器和信息传输系统，以获取连续、可靠的土壤水分信息，为区域旱情分析提供基础数据。本文根据国家旱情监测系统建设需要开展国内外土壤水分监测传感仪器的调查研究工作，对调研产品进行分类分析。
1 土壤水分监测仪器分类和特点分析
按照测量原理，土壤水分监测仪器可分成以下几种类型：
1）时域反射型仪器 （TDR）;
2）时域传输型仪器 （TDT）;
3）频域反射型仪器 （FDR）;
4）中子水分仪器 （Neutron Probe）;
5）负压仪器（Tension meter）;
6）电阻仪器（Resister Method）。
传统的烘干法尽管也需要一些设备，但不属于土壤水分监测仪器的范畴，它只是一种方法。烘干法的内容和方法在SL364-2006《土壤墒情监测规范》5.2 节中有明确规定，目前烘干法依然是唯一校验仪器准确度的方法[1]。
1.1 时域反射仪仪器（TDR）
TDR是近年来出现的测量土壤含水量的重要仪器，是通过测量土壤中的水和其它介质介电常数之间的差异原理，并采用时域反射测试技术研制出来的仪器，具有快速、便捷和能连续观测土壤含水量的优点。
由于空气、干土和水中的介电常数相对固定，如果对特定的土壤和介电常数的关系已知，就可间接对土壤水分进行有效介电常数测量。根据电磁波在介质中传播速度与包围在传输体上的物质介电常数有关的基本原理，干燥土壤与水之间的介电常数具有很大的差别，所以该技术从理论上确立对土壤水分的测量有很好的响应和灵敏度。
土壤的表观介电常数 K a 可以按如下公式转换（Dirksen，1999）：
式中：T 为电磁波延波导头传输的时间，ns;L 为测量用的波导头的长度，cm;C 为电磁波在真空中传播速，cm/ns。
或直接将传输时间 T 和介电常数 Ka 表达为：
TDR 信号脉冲延波导头的起点到端点传递需要的时间可以通过测量确定。
TDR 特点分析如下：
1）时域反射法土壤水分监测仪器沿着埋设在土壤中的波导头发射高频波，高频波在土壤的传输速度（或传输时间）与土壤的介电常数相关，介电常数与土壤的含水量相关，这样测量高频波的传输时间或速度可直接测量土壤的含水量。理论上这是测量土壤水分监测精度最高的技术。
2）因电磁波的传输速度很快，TDR 测定时间的精度需达 0.1 ns 级，因此 TDR的时间电路成本高，测量结果受温度影响小。
3）TDR 水分传感器高频波的发射和测量在传感器体内完成，工作时产生 1 个 1GHz以上的高频电磁波，传输时间为皮秒级，输出信号一般为模拟电压信号，可精确表达插入点处土壤的水分。根据不同的信号采集要求，TDR土壤水分传感器也可输出4～20 mA，或 232 串行接口数据。TDR 的上述输出容易接入常规的数据采集器，形成自动测量系统。
4）目前市场上的 TDR 土壤水分传感器是典型的点式土壤水分测量仪器，体积小，重量轻，单个传感器损坏可更换，运行维护方便。
TDR 土壤水分传感器主体是1个含有探针的密封探头，当探针完全插入土壤中时，测量输出信号通过有线电缆输出，可以接遥测终端，也可以接手持式仪表。TDR产品水分监测示意图如图 1 所示。
1.2 时域传输型仪器（TDT）
TDT技术是另外一种土壤水分测量技术，TDT技术的特点就是电磁波在介质中是单程传播，检测电磁波单向传输后的信号，并不要求获取反射后的信号。该技术也是基于土壤介电常数的差异性来测定土壤含水率的[2]。
TDT 特点分析如下：
1）以 TDT 原理研制出的水分测定仪工作频率较低，线路设计比较简单，成本比 TDR 仪器低;
2）典型产品为带状土壤水分传感器，在部分土质不均匀土壤类型应用中具有推广应用潜力;
3）基于 TDT 原理研制出的水分测定仪输出信号一般为模拟量，可以接入常规的数据采集器，形成自动测量系统。
是一种长 3 m 的带状TDT水分传感器应用示例，土中所测植物根部土壤水分是围绕着带状传感器的圆柱体土壤水分的均值，因测量范围是圆柱型土体带，测量土体体积多，可有效避免点状测量的偶然性，能取得测定地带土壤水分的空间平均值。图片上方是一些外挂的采集和显示仪表。
1.3 频域反射型仪器（FDR）
FDR土壤水分监测传感器的测量原理是插入土壤中的电极与土壤（土壤被当作电介质）之间形成电容，并与高频震荡器形成1个回路。通过特殊设计的传输探针产生高频信号，传输线探针的阻抗随土壤阻抗变化而变化。阻抗包括表观介电常数和离子传导率。应用扫频技术，选用合适的电信号频率使离子传导率的影响最小，传输探针阻抗变化几乎仅依赖于土壤介电常数的变化。这些变化产生1个电压驻波。驻波随探针周围介质的介电常数变化增加或减小由晶体振荡器产生的电压。电压的差值对应于土壤的表观介电常数。
FDR 特点分析如下：
1）频域测量技术用于土壤科学是近年才得到应用的，采用在某个频率上测定相对电容，即介电常数的方法测量土壤水分含量，已开展了近半个世纪了（Halbertsma等，1987）。频域法，相比时域法结构更简单，测量更方便。但是，在过去，通常人们很难得到准确的介电常数测量值。可靠的土壤水分含量必须对每一个应用通过后续的标定来得到。近年来，随着电子技术和元器件的发展，测量介电常数的频域水分传感器已研制成功，由于频域法采用了低于TDR的工作频率，在测量电路上易于实现，造价较低。
2）频域法仪器一般工作在 20～150MHz的频率范围内，由多种电路可将介电常数的变化转换为直流电压或其它模拟量输出形式，输出的直流电压在广泛的工作范围内与土壤含水量直接相关。对传输电缆没有十分严格的要求。
3）最初国内研制 FDR 传感器采用的是高频电容式传感器，后来逐渐更新为驻波式 FDR 传感器。国内最早研制的驻波式FDR土壤水分监测传感器因参照国外第 1 代 FDR 传感器的设计思路，没有温度补偿，测量结果变异大。国外驻波式FDR土壤水分监测传感器也在不断革新，逐步增加了温度补偿等功能，相应提高了测量精度。但是，FDR 土壤水分监测传感器采用的是 100MHz左右的电磁波，所以，波在传输过程中受土壤的温度和电导率（盐份）的影响较大时，导致测量精度比 TDR 和TDT土壤水分监测传感器要低一些。
4）土壤水分监测传感器一般输出为直流电压量，容易接入常规的数据采集器实现连续、动态墒情监测，可组建墒情监测网络，系统建设费用比前2种低。
