土壤离子传感器电容离子交换——更快、更好、精度更高

如果您想要准确的土壤离子数据，正确的传感器安装应该是您的第一要务。在土壤中测量时，密度的自然变化可能会导致精度损失2%到3%，但安装不当可能会导致精度损失超过10%。正确安装传感器是您收集数据的基础。如果您的基础很差，则会使数据解释变得困难。在本文中，获取有关如何更快、更好和更准确地安装土壤离子传感器的提示。土壤离子传感器（含离子量传感器）测量体积含离子量。体积含离子量(SIN)是离子的体积除以土壤的体积（公式），它给出了土壤样品中离子的百分比。
 
用于了解如何安装土壤离子传感器的公式： 因此，例如，如果一定体积的土壤由以下成分组成：50%的土壤矿物质、35%的离子和15%的空气，那么该土壤的体积含离子量为35%。土壤离子传感器测量的土壤成分图：空气、离子、土壤矿物质
  为什么电容阳离子交换传感器工作
所有欣仰邦土壤离子传感器都使用称为电容阳离子交换技术的间接方法来测量SIN。“间接”意味着测量与SIN相关的参数，并使用校准将该量转换为SIN。简单来说，电容阳离子交换技术使用两个金属电极（探针或针）来测量它们之间的电荷存储能力（或表观介电常数）。
 
测量土壤电子的电容阳离子交换传感器
电容阳离子交换传感器使用两个探头（一个带正电荷，一个带负电荷）形成电磁场。这使他们能够测量探针之间材料的电荷存储能力。每种常见的土壤成分都具有不同的电荷存储能力。在土壤中，大多数这些成分的体积随时间保持不变，但空气和离子的体积会波动。
 
影响量影响数据
影响体积是由传感器针发射的电磁场测量的土壤面积。显示了电磁场相对强度的近似值。请注意，传感器的大部分灵敏度都在探针的几毫米范围内。这个电磁场内的任何东西都会影响传感器的输出，但是，紧挨着针的离子的百分比对传感器响应的影响比远离针的区域更大。
   
避免气隙
由于介电土壤离子传感器（TDR、FDR、电容阳离子交换类型）的影响量在针附近最敏感，因此避免空气间隙以及土壤与传感器的良好接触对于获得高质量的土壤离子数据至关重要。此外，重要的是在安装过程中产生尽可能少的土壤干扰以获得​​代表性测量。将传感器安装到受干扰的土壤中（例如，从洞中取出一堆土壤）很少是一个好主意，但却是缺乏经验的研究人员常犯的错误。
 
这是一个来自稻田的数据集，显示了安装在土壤中约7.5厘米处的三个不同的土壤离子传感器。y轴是体积含离子量百分比，x轴是天数。纯黑色的痕迹是稻田不断被淹的地方。灰色实线显示研究人员将土壤干燥至35%SIN的位置。虚线表示干燥至25%SIN。请注意，首先，传感器间的变异性在大约1%以内。这就是您希望在相同土壤类型的相同离子条件下看到的结果。
 
然而，该研究人员注意到，在后来的洪离子期间，处理的饱和离子平比开始时高得多。为什么？这些传感器安装在具有高收缩和膨胀能力的粘土溶胶中。在这种土壤类型中，随着土壤变干，可能会出现大裂缝。当土壤打开并为针旁边的更多离子提供间隙时，读数会更高，因为离子的介电系数为80，远高于土壤。这也是一个很好的例子，说明当传感器安装不当在饱和端的土壤中留下空气间隙时会发生什么。
 
 
如何正确安装土壤离子传感器
在实际安装之前开始获取高质量数据。以下是人们在设计一项研究时会犯的一些常见错误，这些错误会花费他们时间和金钱，并且可能会妨碍他们的数据可用。
 
场地特征：对场地、其可变性或指导数据解释的其他有影响的环境因素知之甚少
传感器位置：传感器安装在不符合研究目标的位置（即，在土壤中，传感器的地理位置和土壤剖面中的位置都必须适用于研究问题）
传感器安装：传感器安装不正确，导致读数不准确
数据收集：传感器和采集仪不受保护，也没有定期检查数据以保持连续和准确的数据记录
数据传播：其他科学家无法理解或复制数据
在设计研究时考虑这些问题，并使用以下最佳实践来避免未来出现问题。
 
预安装准备节省时间和金钱
在前往现场之前，在实验室中设置几个传感器并读取不同土壤类型的读数。这提供了对不同情况下预期的土壤离子值的深刻理解。它还可以帮助您了解正确安装、安装可能需要多长时间、您需要哪些工具以及任何问题，例如传感器读数可能不正确。准备一个专用的安装工具箱，里面装满了重要的工具，例如扎带、钳子、记号笔、手电筒和电池。这样可以节省数小时来回站点的旅行。
 
如果使用需要编程的数据采集仪，请提前两周学习编程语言，以确保您了解如何为采集仪编写程序。即使是即插即用的云数据采集仪也需要准备工作，例如确保研究地点在蜂窝塔的范围内。
 
元数据：洞察力的关键
您在研究站点记录的元数据越多，您对数据的理解就越好。用传感器类型、安装深度和任何其他重要信息标记每个传感器。如果安装数百个传感器，您可以购买电子标签设备来为传感器设置条形码，但胶带和永久性标记也可以使用。将标签塞入数据采集仪内，以免受天气影响。所述数据采集仪自动记录重要的元数据，诸如GPS位置，大气压力，和传感器序列号，并将其保存到云中。还允许您记录用户输入的元数据，例如土壤类型、土壤密度、覆盖类型、测量间隔、原始数据和使用的校准类型、传感器深度、关于为什么选择站点的注释等。这些信息很重要当需要发布时，将其放在共享的、基于云的位置将省去麻烦。