李 鵬， 余國河， 陳 濤， 朱東紅

(中國電子科技集團(tuán)公司 第二十七研究所，河南 鄭州 450045)

0 引 言

凍土測量是凍土區(qū)生產(chǎn)建設(shè)的基本需求，在氣候環(huán)境變化研究和凍土氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)等領(lǐng)域也是不可或缺的。目前,測量凍土的方法有遙感法、達(dá)尼林凍土器、坑測法、凍土鉆法等。其中，遙感法是近幾年國外研究者關(guān)注的熱點(diǎn)，但其只能獲取淺層地表的土壤凍融狀態(tài)并且數(shù)據(jù)分辨率粗，因此,只適用于探測區(qū)域尺度和全球尺度的凍融循環(huán)[1,2]。而國內(nèi)凍土觀測站測量凍土一般是用達(dá)尼林凍土器，其方法是通過人工摸測水的凍結(jié)情況來判斷凍土深度，由于土壤質(zhì)地、水溶液的成分和濃度及外界條件,如壓力的不同，其凍結(jié)(冰點(diǎn))溫度與純水的凍結(jié)溫度并不相同，用該方法測量凍土深度并不科學(xué)[3]。當(dāng)凍土層較深時(shí)，坑測法和凍土鉆法測量不方便，工作量大，數(shù)據(jù)密度不夠，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤凍融深度及其發(fā)展變化情況。

針對(duì)人工測量凍土不科學(xué)、工作量大、測量數(shù)據(jù)密度不夠等問題，本文設(shè)計(jì)了一種電容式凍土測量傳感器。其利用空氣、固態(tài)土、水和冰介電常數(shù)存在差異的原理，采用高頻電容測量技術(shù)、插管式結(jié)構(gòu)和柔性電路板工藝，可以準(zhǔn)確檢測土壤凍融變化、減少了安裝維護(hù)工作量、提高了垂直測量分辨力，可以代替人工觀測，實(shí)現(xiàn)無人值守凍土自動(dòng)觀測。

1 基本原理

凍土是指含有水分的土壤因溫度降到0 ℃或以下時(shí)而呈凍結(jié)的狀態(tài)[4]。由此可知，與凍土有關(guān)的要素主要是土壤水分和溫度。目前自動(dòng)測量土壤水分的方法主要有：電容法、電阻法、射線法、時(shí)域反射法(TDR)、紅外遙感法等[5]。其中，電容土壤水分傳感器以成本低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍寬等特點(diǎn)在土壤水分檢測中得到廣泛應(yīng)用。

土壤水分測量傳感元件主要由一對(duì)電極組成一個(gè)電容器，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容器與振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路，振蕩器工作頻率f0隨土壤電容的變化而變化

(1)

式中L為振蕩器的電感，C為土壤電容，Cb為與儀器有關(guān)的電容。C隨土壤含水量的增加而增加，于是振蕩器頻率與土壤含水量呈非線性反比關(guān)系。

由于L,C的差異性，設(shè)計(jì)的傳感器的振蕩頻率f0不可能完全一致，因此，在運(yùn)算前要進(jìn)行歸一化處理。這樣，雖然測量頻率是不同的，但是，測量頻率在以空氣頻率fa和水中頻率fw為端點(diǎn)的區(qū)間內(nèi)的相對(duì)位置是相同的。具體辦法是：將獲得的頻率fs代入下列公式

(2)

式中sf為歸一化頻率；fa為套管中對(duì)應(yīng)傳感器懸浮在空氣中的頻率；fw為套管中對(duì)應(yīng)傳感器處在水中的頻率；fs為套管中對(duì)應(yīng)傳感器在土壤中測得的頻率；將測得的歸一化頻率sf帶入工程模型中求得體積含水量θv

θv=a(sf-c)b,

(3)

式中a，b，c為擬合參數(shù)。

據(jù)上所述，土壤含水量的變化主要是由于介電常數(shù)發(fā)生變化引起的。因此，當(dāng)土壤中的水變?yōu)楸r(shí)，其介電常數(shù)發(fā)生了明顯的變化，傳感元件測得的水分值會(huì)明顯下降，而當(dāng)溫度上升，凍土解凍時(shí)，冰融化成水，介電常數(shù)變化，水分值會(huì)明顯上升。因此，電容式凍土測量傳感器是根據(jù)土壤水分和溫度建立凍土判別模型計(jì)算凍土深度[8]。

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，土壤水分傳感器在結(jié)構(gòu)上大多采用插針地埋式或銅環(huán)插管式。插針地埋式傳感器雖然能夠與土壤緊密接觸，但是其安裝維護(hù)特別困難，安裝時(shí)需要首先挖一個(gè)剖面深坑，工作量非常大。另外，一旦傳感器出現(xiàn)問題，就需要把傳感器挖出來，重新安裝，而且還需要一個(gè)土壤自然沉降和儀器穩(wěn)定的過程，因此,大面積推廣難度較大。銅環(huán)插管式傳感器雖然安裝維護(hù)方便，但受機(jī)械加工條件的制約，垂直測量分辨力只能達(dá)到10 cm。

凍土測量傳感器采用插管式結(jié)構(gòu)，傳感單元的檢測電路采用柔性電路板設(shè)計(jì)，柔性電路板是以聚酰亞胺或聚酯薄膜為基材制成的一種具有高度可靠性，絕佳可撓性的印刷電路板具有配線密度高、質(zhì)量輕、厚度薄的特點(diǎn)。柔性電路板上每2.5 cm設(shè)計(jì)一組檢測電容器和一個(gè)溫度傳感器，提高了垂直測量分辨力。

傳感器由一個(gè)提環(huán)、一個(gè)控制處理板、一個(gè)異形槽、若干傳感單元和橡膠材質(zhì)填充材料組成，傳感器外部有保護(hù)套管，套管頂部有防雨水帽，底部有防水堵頭。安裝時(shí)首先使用專用安裝工具把防護(hù)管打入地下土壤中，然后把傳感器卷成圓柱狀插入防護(hù)管內(nèi)，橡膠的彈性和柔性電路板自身的張力使測量元件與管壁緊密接觸。這種結(jié)構(gòu)不破壞土層，安裝維護(hù)方便，是一種較理想的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

2.2.1 傳感單元設(shè)計(jì)

傳感單元主要完成土壤水分和溫度的測量，由檢測電容、信號(hào)處理電路、溫度傳感器和接口電路組成，如圖2所示。

圖2 傳感單元原理框圖

2.2.2 檢測電容和溫度傳感器的設(shè)計(jì)

檢測電容是傳感單元的敏感器件，周圍水分的變化即是電容的介質(zhì)變化，于是電容值就會(huì)改變，從而引起LC振蕩器的振蕩頻率變化。

檢測電容采用柔性電路板工藝，柔性電路板中的覆銅作為LC振蕩電路的一部分，即電容器的2個(gè)電極，土壤作為電容器的介質(zhì)，土壤水分的變化引起電容的變化，從而引起振蕩頻率的變化，振蕩電路的振蕩頻率變化在65～110 MHz之間。

柔性電路板上還安裝有DS18B20溫度傳感器，在供電后，處理單元可以通過特征碼，分別采集各個(gè)溫度傳感器的數(shù)據(jù)。

2.2.3 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)處理板由振蕩電路和分頻電路組成，主要把檢測電容器的容量變化變換為頻率變化，然后對(duì)該高頻信號(hào)分頻后輸出到接口板,如圖3。

振蕩電路采用LC振蕩器。核心器件是壓控振蕩放大器MC1648。為了ARM微處理器計(jì)數(shù)器的正常工作和便于傳輸，該頻率需要等比例地降低，這就是分頻電路的工作。分頻比設(shè)定為2048，這需要兩級(jí)分頻器來完成，前一級(jí)采用12015，分頻比為64，后一級(jí)采用SN74HC4040D，分頻比為32。為了保證頻率傳輸穩(wěn)定可靠，信號(hào)幅度為12 V。

圖3 信號(hào)處理電路原理圖

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 土壤凍結(jié)過程中土壤水分變化實(shí)驗(yàn)

將3只電容式凍土測量傳感器分別裝置在模擬冬季環(huán)境實(shí)驗(yàn)室砂土、壤土和粘土3種土槽中，其中，3種土壤的初始含水量分別為6.7 %,27.2 %,32.3 %(實(shí)驗(yàn)過程中不考慮蒸發(fā)和傳感器周圍水分的遷移)。每10 min采集一次數(shù)據(jù)，整理得到土壤凍結(jié)過程土壤水分變化曲線如圖4所示。

圖4 土壤凍結(jié)過程水分變化曲線圖

從圖4曲線分析可知，在不同的土壤類型，不同的初始土壤含水量情況下，凍結(jié)過程中不能通過土壤含水量精確確定土壤是否凍結(jié)，但能看到土壤中水結(jié)冰的過程中土壤含水量在急劇減小，說明水相變成冰后介電常數(shù)在急劇減小，當(dāng)水完全結(jié)冰，即土壤完全凍結(jié)后，隨著溫度的降低，土壤含水量變化幅度不大，即介電常數(shù)變化幅度不大。由此可知，0 ℃并不能做為判定凍土的唯一條件，土壤凍結(jié)過程開始后有2種狀態(tài)存在，即正凍土和已凍土[4]，在正凍土狀態(tài)下判定是凍土還是未凍土要根據(jù)不同的土壤類型，結(jié)合土壤水分含量和溫度變化情況綜合來考慮。

3.2 外場凍土深度實(shí)驗(yàn)

根據(jù)QX/T 58—2007,地面氣象觀測規(guī)范第14部分凍土觀測的要求，凍土觀測時(shí)間是從地表溫度降到0 ℃或0 ℃以下，土壤開始凍結(jié)時(shí)，每日8時(shí)觀測，直到次年土壤完全解凍為止[3]。因此，凍土測量傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料為全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一部分，取土壤凍結(jié)期內(nèi)每天8時(shí)的傳感器測量的數(shù)據(jù)與人工進(jìn)行對(duì)比，分析整理了某試驗(yàn)站的數(shù)據(jù)資料(見表1)，其中，數(shù)據(jù)資料時(shí)間從2012年10月4日至2012年12月23日。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

人工測量凍土深度值與傳感器測量深度值對(duì)比曲線圖如圖5所示。

圖5 人工機(jī)測值對(duì)比圖

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，從2012年10月4日至2012年12月23日，凍土深度由0 cm變化到80 cm，平均絕對(duì)誤差在2.5 cm以下，但是最大誤差偏高，因此,凍土深度判定算法還需改進(jìn)。

4 結(jié) 論

本文提出的利用空氣、固態(tài)土、水和冰物理特性存在

差異的原理設(shè)計(jì)的電容式凍土測量傳感器，通過進(jìn)行外場人工對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:其相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.99，凍土深度平均絕對(duì)誤差小于2.5 cm，測量誤差的一致性較好，滿足凍土自動(dòng)測量技術(shù)要求，并且能夠在無人值守的情況下連續(xù)自動(dòng)觀測土壤凍融狀態(tài)變化，減少了工作量，降低了安裝維護(hù)成本，填補(bǔ)了我國凍土自動(dòng)測量儀器的空白，加速了我國凍土觀測自動(dòng)化進(jìn)程。

參考文獻(xiàn):

[1]張廷軍，晉 銳，高 峰.凍土遙感研究進(jìn)展：可見光、紅外及主動(dòng)微波衛(wèi)星遙感方法[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2009(9)：963-972.

[2]張廷軍，晉 銳，高 峰.凍土遙感研究進(jìn)展：被動(dòng)微波遙感[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2009(10)：1073-1085.

[3]涂滿紅，關(guān)彥華，馬舒慶,等.QX/T 58—2007.地面氣象觀測規(guī)范第14部分凍土觀測[S].北京：氣象出版社，2007.

[4]徐斅祖，王家澄，張立新.凍土物理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2010.

[5]胡建東，趙向陽，李振峰,等.參數(shù)調(diào)制探針式電容土壤水分傳感技術(shù)研究[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20(5)：1057-1060.

[6]秦建敏，程 鵬，秦明琪.冰層厚度傳感器及其檢測方法[J].水科學(xué)進(jìn)展，2008，19(3)：418-421.

[7]秦建敏，程 鵬，李 霞.電容式冰層厚度傳感器及其檢測方法的研究[J].微納電子技術(shù)，2007(7)：185-187.

[8]尚松浩，毛曉敏.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土壤凍結(jié)溫度及未凍水含量預(yù)測模型[J].冰川凍土，2001，23(4)：414-418.