電容式凍土測量傳感器設計*

李 鵬， 余國河， 陳 濤， 朱東紅

(中國電子科技集團公司 第二十七研究所，河南 鄭州 450045)

0 引 言

凍土測量是凍土區生產建設的基本需求，在氣候環境變化研究和凍土氣象災害預報等領域也是不可或缺的。目前,測量凍土的方法有遙感法、達尼林凍土器、坑測法、凍土鉆法等。其中，遙感法是近幾年國外研究者關注的熱點，但其只能獲取淺層地表的土壤凍融狀態并且數據分辨率粗，因此,只適用于探測區域尺度和全球尺度的凍融循環[1,2]。而國內凍土觀測站測量凍土一般是用達尼林凍土器，其方法是通過人工摸測水的凍結情況來判斷凍土深度，由于土壤質地、水溶液的成分和濃度及外界條件,如壓力的不同，其凍結(冰點)溫度與純水的凍結溫度并不相同，用該方法測量凍土深度并不科學[3]。當凍土層較深時，坑測法和凍土鉆法測量不方便，工作量大，數據密度不夠，不能實時監測土壤凍融深度及其發展變化情況。

針對人工測量凍土不科學、工作量大、測量數據密度不夠等問題，本文設計了一種電容式凍土測量傳感器。其利用空氣、固態土、水和冰介電常數存在差異的原理，采用高頻電容測量技術、插管式結構和柔性電路板工藝，可以準確檢測土壤凍融變化、減少了安裝維護工作量、提高了垂直測量分辨力，可以代替人工觀測，實現無人值守凍土自動觀測。

1 基本原理

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

土壤水分測量傳感元件主要由一對電極組成一個電容器，其間的土壤充當電介質，電容器與振蕩器組成一個調諧電路，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系。

由于L,C的差異性，設計的傳感器的振蕩頻率f0不可能完全一致，因此，在運算前要進行歸一化處理。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為端點的區間內的相對位置是相同的。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為套管中對應傳感器懸浮在空氣中的頻率；fw為套管中對應傳感器處在水中的頻率；fs為套管中對應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。

據上所述，土壤含水量的變化主要是由于介電常數發生變化引起的。因此，當土壤中的水變為冰晶時，其介電常數發生了明顯的變化，傳感元件測得的水分值會明顯下降，而當溫度上升，凍土解凍時，冰融化成水，介電常數變化，水分值會明顯上升。因此，電容式凍土測量傳感器是根據土壤水分和溫度建立凍土判別模型計算凍土深度[8]。

2 傳感器設計

2.1 傳感器結構設計

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

凍土測量傳感器采用插管式結構，傳感單元的檢測電路采用柔性電路板設計，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、質量輕、厚度薄的特點。柔性電路板上每2.5 cm設計一組檢測電容器和一個溫度傳感器，提高了垂直測量分辨力。

傳感器由一個提環、一個控制處理板、一個異形槽、若干傳感單元和橡膠材質填充材料組成，傳感器外部有保護套管，套管頂部有防雨水帽，底部有防水堵頭。安裝時首先使用專用安裝工具把防護管打入地下土壤中，然后把傳感器卷成圓柱狀插入防護管內，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。這種結構不破壞土層，安裝維護方便，是一種較理想的結構，其結構簡圖如圖1所示。

圖1 傳感器結構簡圖

2.2 傳感器電路設計

2.2.1 傳感單元設計

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計

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變化，于是電容值就會改變，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個電極，土壤作為電容器的介質，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，分別采集各個溫度傳感器的數據。

2.2.3 信號處理電路的設計

信號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，然后對該高頻信號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微處理器計數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。分頻比設定為2048，這需要兩級分頻器來完成，前一級采用12015，分頻比為64，后一級采用SN74HC4040D，分頻比為32。為了保證頻率傳輸穩定可靠，信號幅度為12 V。

圖3 信號處理電路原理圖

3 實 驗

3.1 土壤凍結過程中土壤水分變化實驗

將3只電容式凍土測量傳感器分別裝置在模擬冬季環境實驗室砂土、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 %(實驗過程中不考慮蒸發和傳感器周圍水分的遷移)。每10 min采集一次數據，整理得到土壤凍結過程土壤水分變化曲線如圖4所示。

圖4 土壤凍結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，凍結過程中不能通過土壤含水量精確確定土壤是否凍結，但能看到土壤中水結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在急劇減小，當水完全結冰，即土壤完全凍結后，隨著溫度的降低，土壤含水量變化幅度不大，即介電常數變化幅度不大。由此可知，0 ℃并不能做為判定凍土的唯一條件，土壤凍結過程開始后有2種狀態存在，即正凍土和已凍土[4]，在正凍土狀態下判定是凍土還是未凍土要根據不同的土壤類型，結合土壤水分含量和溫度變化情況綜合來考慮。

3.2 外場凍土深度實驗

根據QX/T 58—2007,地面氣象觀測規范第14部分凍土觀測的要求，凍土觀測時間是從地表溫度降到0 ℃或0 ℃以下，土壤開始凍結時，每日8時觀測，直到次年土壤完全解凍為止[3]。因此，凍土測量傳感器實驗數據資料為全部實驗數據的一部分，取土壤凍結期內每天8時的傳感器測量的數據與人工進行對比，分析整理了某試驗站的數據資料(見表1)，其中，數據資料時間從2012年10月4日至2012年12月23日。

表1 實驗結果

人工測量凍土深度值與傳感器測量深度值對比曲線圖如圖5所示。

圖5 人工機測值對比圖

通過對比發現，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。

4 結 論

本文提出的利用空氣、固態土、水和冰物理特性存在

差異的原理設計的電容式凍土測量傳感器，通過進行外場人工對比實驗，結果表明:其相關系數達到了0.99，凍土深度平均絕對誤差小于2.5 cm，測量誤差的一致性較好，滿足凍土自動測量技術要求，并且能夠在無人值守的情況下連續自動觀測土壤凍融狀態變化，減少了工作量，降低了安裝維護成本，填補了我國凍土自動測量儀器的空白，加速了我國凍土觀測自動化進程。

參考文獻:

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

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

[3]涂滿紅，關彥華，馬舒慶,等.QX/T 58—2007.地面氣象觀測規范第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[M].北京:科學出版社，2010.

[5]胡建東，趙向陽，李振峰,等.參數調制探針式電容土壤水分傳感技術研究[J].傳感器技術學報，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].水科學進展，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，2007(7)：185-187.

[8]尚松浩，毛曉敏.基于BP神經網絡的土壤凍結溫度及未凍水含量預測模型[J].冰川凍土，2001，23(4)：414-418.