石 元，鄧 霄，顧惠南，張 麗，崔麗琴，秦建敏

(1.太原理工大學(xué),新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030024；2.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,山西太原 030024)

0 引言

凍土是一種含有冰水的土壤和巖石混合物[1]。中國(guó)陸地的天然氣候和地理位置決定其擁有廣大的凍土面積，其所占比例近68.6%[1]。凍土一般分為季節(jié)性凍土和永久性凍土，季節(jié)性凍土區(qū)域的工業(yè)和民用建筑、農(nóng)田水利、輸油管道與礦山等工程建設(shè)因凍土凍融變化而出現(xiàn)變形、沉降甚至坍塌等現(xiàn)象[2-8]。由于在秋冬季節(jié)氣溫逐漸降低，土壤溫度低于結(jié)冰點(diǎn)而使土壤水凍結(jié)成冰或者冰水混合物，并且隨著溫度進(jìn)一步降低向縱深方向發(fā)展。這樣土壤顆粒整體強(qiáng)度就會(huì)因?yàn)楸鶋K的連結(jié)而增加，土體出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。這一過(guò)程在春季則呈現(xiàn)相反的情況，即由于溫度升高，凍土中未凍結(jié)水含量增加而出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。凍土這種季節(jié)性變化的特點(diǎn)對(duì)人民群眾的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，需要對(duì)其變化過(guò)程進(jìn)行深入研究，以減少災(zāi)害的發(fā)生[2，9]。

季節(jié)性凍土凍融過(guò)程研究的關(guān)鍵是對(duì)凍土中不同深度的未凍結(jié)水含量進(jìn)行檢測(cè)。目前對(duì)于土壤中水分的檢測(cè)主要有烘干法、張力計(jì)法、中子法等。烘干法檢測(cè)精度高，但需要人工采集土樣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且破壞土壤；張力計(jì)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但是其測(cè)量范圍在很大程度上受土質(zhì)的影響；中子法雖然具有檢測(cè)快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但這種方法的使用存在放射性危害[5-6，10-13]。時(shí)域反射法由于其快速簡(jiǎn)便，不需要標(biāo)定、精度高等優(yōu)點(diǎn)而受到了廣泛的關(guān)注[12，14]。但是其極高的成本以及局限單點(diǎn)檢測(cè)的缺陷致使其無(wú)法得到大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)以上問(wèn)題，為了滿足土壤水分剖面檢測(cè)的需求[15-16]，本文基于土壤和水分的介電常數(shù)差異設(shè)計(jì)了一種低成本的土壤水分檢測(cè)傳感器。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室與時(shí)域反射儀CS616進(jìn)行對(duì)比標(biāo)定，且在黑龍江漠河的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)，證明了這種剖面電容傳感器基本能夠滿足土壤水分的檢測(cè)需求，為凍土凍融過(guò)程中含水量的剖面檢測(cè)提供了一種低成本的方案。

1 傳感器的設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試原理

通常情況下，固態(tài)干土和冰的介電常數(shù)約為3～8，而水的介電常數(shù)約為80[17]，當(dāng)土壤內(nèi)部的水分或冰受溫度影響發(fā)生相變時(shí)其內(nèi)部介電特性會(huì)發(fā)生變化，因此對(duì)其電容值的研究可以實(shí)現(xiàn)凍土的未凍水含量檢測(cè)[16-19]。本設(shè)計(jì)選用MPR121觸摸電容感應(yīng)集成芯片，能在有效降低傳感器系統(tǒng)成本的前提下通過(guò)土壤介電特性進(jìn)行土壤水分的測(cè)量。工作時(shí)需要首先對(duì)其內(nèi)部恒流源設(shè)定工作電流I和時(shí)間T，然后進(jìn)行及時(shí)電壓采集并計(jì)算出電容值。其工作原理如圖1所示。

圖1 傳感器的檢測(cè)原理圖

由物理知識(shí)可知，電壓U與電容C的乘積是電量Q，而電量Q還可以通過(guò)恒定電流I和充電時(shí)間T獲取，因此我們可以得出電壓U與充電電流I、充電時(shí)間T之間的關(guān)系：

Q=CUQ=ITU=Q/C=IT/C

(1)

根據(jù)以上原理，設(shè)定MPR121的充電電流I和充電時(shí)間T，通過(guò)檢測(cè)激勵(lì)極板電壓U(默認(rèn)接收極板電壓為0 V)，計(jì)算得到待測(cè)電容值C。在測(cè)量中可以直接得到模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓值A(chǔ)DCcounts，通過(guò)式(2)得出充電電壓U：

U=ADCcounts·Vdd/1 024

(2)

式中Vdd為驅(qū)動(dòng)電壓，再根據(jù)式(1)和式(2)可以得到待測(cè)電容值C：

C=(IT×1 024)/(ADCcounts·Vdd)

(3)

為了確保MPR121工作的穩(wěn)定性與可靠性，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，對(duì)其默認(rèn)的工作電流I和工作時(shí)間T分別設(shè)置為16 μA和4 μs。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2(a)為剖面電容傳感器的外觀結(jié)構(gòu)圖，其中極板和屏蔽層由印刷電路板(PCB)構(gòu)成，并與溫度傳感器同主PCB進(jìn)行電氣一體化連接。為了方便傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)量，整個(gè)極板表面覆有絕緣層并采用防水膠對(duì)電路進(jìn)行灌封處理，而傳感器屏蔽層的作用是在檢測(cè)中減少寄生電容對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

(a)外觀結(jié)構(gòu)圖

剖面電容傳感器的系統(tǒng)框圖如圖2(b)所示，整個(gè)系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控中心組成。其中傳感器部分直接通過(guò)數(shù)據(jù)采集部分的觸摸電容感應(yīng)集成芯片MPR121進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集部分包括主控制芯片MSP430F1611、MPR121、SD卡模塊、時(shí)鐘模塊以及GPRS通信模塊。監(jiān)控中心主要功能是在上位機(jī)完成數(shù)據(jù)的接收。系統(tǒng)工作時(shí)，主控制芯片命令觸摸電容感應(yīng)集成芯片MPR121給電容極板充電，緊接著經(jīng)過(guò)其內(nèi)部ADC進(jìn)行電壓采集，隨后將采集到的數(shù)據(jù)返回至主控制芯片，在執(zhí)行其命令后儲(chǔ)存于SD卡中。等待至規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)，控制芯片將儲(chǔ)存在SD卡中的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳至監(jiān)控中心。

2 傳感器的標(biāo)定

將所設(shè)計(jì)傳感器采集到的電容值以時(shí)域反射儀CS616所測(cè)到的土壤水分含量值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合確定其電容值與土壤水分含量之間的關(guān)系。具體流程為：首先將2種傳感器同時(shí)放入裝有配置均勻、水分飽和的土壤的圓筒容器中；然后將整個(gè)容器放入-30 ℃的低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行48 h的冷凍；最后將整個(gè)容器置于室溫環(huán)境中進(jìn)行解凍，利用時(shí)域反射儀CS616對(duì)解凍過(guò)程中凍土的體積含水量(VWC)進(jìn)行檢測(cè)，并同時(shí)用布設(shè)的電容傳感器采集這一過(guò)程中對(duì)應(yīng)的電容值。如圖3所示。

(a)低溫試驗(yàn)箱的凍結(jié)

(b)室溫環(huán)境中的解凍

圖4為使用電容傳感器檢測(cè)得到的5組數(shù)據(jù)。從圖中可以看出5組數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果相近，數(shù)據(jù)誤差值較小。

圖4 5次實(shí)驗(yàn)采集的電容曲線圖

從圖5可以看出5組數(shù)據(jù)的均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差變化情況，其變異系數(shù)最小為1.4%，最大為6.4%。從圖6可以看出，凍土凍融過(guò)程含水量值與電容值有著較強(qiáng)的相關(guān)性，凍土凍融過(guò)程含水量在30%以內(nèi)時(shí)，其平均誤差為3.83%；超過(guò)這個(gè)范圍，其結(jié)果平均誤差值達(dá)到5.2%。這主要是由于土壤水分含量變大導(dǎo)致土壤顆粒之間的緊實(shí)程度(黏著力)下降，這直接影響到傳感器的檢測(cè)環(huán)境，從而影響了電容值的檢測(cè)[20]。圖7為電容傳感器檢測(cè)到的凍土凍融過(guò)程含水量值與時(shí)域反射儀CS616檢測(cè)值的擬合結(jié)果圖，其決定系數(shù)R2為0.969，表明具有較高的測(cè)量精度。

圖5 均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線圖

圖6 電容值與凍土凍融水分含量關(guān)系圖

圖7 電容與土壤水分含量擬合曲線圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證剖面電容傳感器的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，在相同環(huán)境下繼續(xù)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。通過(guò)數(shù)據(jù)分析知道，多次測(cè)量結(jié)果的最大誤差為4.45%。這表明傳感器具有較高的穩(wěn)定性。

表1 電容傳感器驗(yàn)證結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

傳感器的野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)間為2017年4月3日至2017年12月8日，為期208 d。測(cè)試地點(diǎn)選擇在黑龍江漠河的凍土區(qū)(53°28′40″N，122°21′34″E)進(jìn)行。漠河地處中俄界黑龍江南岸，全年平均氣氣溫在-10 ℃以下，冬季漫長(zhǎng)且寒冷，極端最低溫度可降至-53 ℃。由于傳感器在冬季凍土區(qū)的安裝十分困難，所以選擇在4月初進(jìn)行安裝，傳感器的埋設(shè)深度分別為10 cm和20 cm。傳感器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖8所示。

(a)黑龍江漠河的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)(標(biāo)記為安裝位置)

(b)傳感器安裝現(xiàn)場(chǎng)圖8 傳感器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

圖9為傳感器在不同深度所測(cè)水分含量與對(duì)應(yīng)溫度隨時(shí)間的變化曲線(每日9時(shí)數(shù)據(jù))。從圖9可以看出，傳感器于2017年4月3日開(kāi)始工作，凍土中的水含量維持在一定水平(10 cm處為10.9%；20 cm處為5.5%)，這一狀態(tài)持續(xù)二十多天。凍土中的水含量在4月26日出現(xiàn)了明顯的上升，10 cm處增加至13.7%，同比增長(zhǎng)25.69%；20c m處增加至8.8%，同比增長(zhǎng)60%。而同期對(duì)應(yīng)地表下10 cm和20 cm處溫度穩(wěn)定維持在零上(10 cm處為1.2 ℃，20 cm處為1.6 ℃)。之后在4月28日20 cm處水分含量繼續(xù)上升至9.2%，同期10 cm處水分含量保持不變。這一時(shí)期氣溫持續(xù)升高，地表的積雪融化，水分下滲，可能是導(dǎo)致凍土中水含量增加的主要原因。7月至9月期間，土壤水分含量存在上下波動(dòng)的特點(diǎn)，其中10 cm處土壤中的水分含量長(zhǎng)期保持在11.7%～15%之間，20 cm處保持在4.78%～8.8%之間，這種現(xiàn)象主要來(lái)自于土壤近地表面的蒸發(fā)或者降雨。9月底，土壤水分含量開(kāi)始持續(xù)下降(地表下10 cm處土壤水分降至9%，20 cm處土壤水分降至5.5%)，同期溫差變化較大。此后，凍土未凍結(jié)水含量逐漸降低并基本穩(wěn)定。

(a)地表以下10 cm的含水量；(b)地表以下20 cm的含水量；(c)地表以下10 cm的溫度；(d)地表以下20 cm的溫度圖9 傳感器在不同深度所測(cè)含水量與對(duì)應(yīng) 溫度隨著時(shí)間的變化曲線(每日9時(shí)數(shù)據(jù))

4 結(jié)論

本文是基于凍土水分含量的介電常數(shù)差異而設(shè)計(jì)的一款剖面電容傳感器，從實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的電容傳感器與時(shí)域反射儀CS616在含水量為30%以內(nèi)時(shí)，其平均誤差為3.83%，超過(guò)此范圍的平均誤差為5.2%，擬合公式得到?jīng)Q定系數(shù)R2為0.969。經(jīng)過(guò)對(duì)黑龍江漠河縣凍土區(qū)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為期208 d的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出該地點(diǎn)的表層凍土在4月底出現(xiàn)了消融現(xiàn)象(累計(jì)溫度在0℃以上)，在11月初出現(xiàn)了再次凍結(jié)的現(xiàn)象(累計(jì)溫度在0℃以下)，反映出該地點(diǎn)凍土監(jiān)測(cè)層凍融過(guò)程中含水量的變化情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和黑龍江漠河的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，初步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的低成本電容傳感器對(duì)凍土凍融過(guò)程含水量檢測(cè)的可行性，具有一定的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。