基于平面電容的凍土檢測傳感器

摘 "要： 在土壤凍融過程實驗中，通過對空氣、水、冰及干土的介電特性進行分析研究，發現了土壤中水和冰發生相變引起土壤總的電容發生很大變化，基于這一特性和LC振蕩電路頻率響應的原理，設計了一種基于平面電容分層檢測凍土的傳感器，實現了土壤凍融狀態的判別和凍土深度的自動測量。與人工觀測進行對比實驗證明，當土壤中未凍水含量相對變化率在0.3以上時，土壤已經凍結。因此，利用基于平面電容的凍土檢測傳感器檢測土壤的凍結狀態，實現凍土深度自動化測量是可行的。

關鍵詞： 凍土檢測; LC振蕩電路; 平面電容; 傳感器

中圖分類號： TN710?34; TP212 " " " " " " " " "文獻標識碼： A " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）02?0124?04

Frozen soil detection sensor based on planar capacitance

YU Guo?he1， LI Peng1， YE Lin?mao2， WU Su1， LIU Feng?lei1， ZHANG Guang?zhou2

（1. The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Zhengzhou 450047， China;

2. Henan Institute of Meteorological Sciences， Zhengzhou 450003， China）

Abstract： In the experiment of soil freezing and thawing process， through the analysis and study of air， water， ice and dry soil dielectric properties， it is found that the phase change of water and ice in soil results in the change of soil total capacitance. Based on this characteristic and the frequency response principle of the LC oscillation circuit， a planar capacitance based sensor for frozen soil layered detection was designed， which realized the discrimination of soil freezing/thawing states and automatic measurement of frozen soil depth. The experiment result from comparison with that of artificial observation proves that when the relative change rate of the unfrozen water content in soil is more than 0.3， the soil has been frozen. Therefore， it is feasible for frozen soil detection sensor based on planar capacitance to detect the freezing/thawing state of soil， and achieve the depth measurement of frozen soil.

Keywords： frozen soil detection; LC oscillating circuit; planar capacitive; sensor

0 "引 "言

凍土是地面氣象觀測領域很難實時自動觀測的物理指標之一。目前我國氣象部門冬季對凍土的檢測方法基本上采用達尼林凍土器或人工挖坑進行，凍土自動觀測更是我國地面氣象觀測與災害預警系統的一個技術和設備盲區。國內外應用的凍土檢測技術主要包括以下三種：一類是直接測量法（如人工坑挖或凍土鉆鑿洞法），缺點是觀測不方便，勞動強度大，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;二類是達尼林凍土器[1]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;三類是遙感法[2]，是近幾年國外研究者關注的熱點，實現了區域或全球尺度的凍土深度探測，缺點是無法掌握局部范圍凍土層結構內部的生消變化過程，難于應用到地面氣象觀測領域的凍土深度測量。利用平面電容傳感器進行凍土檢測，能夠很好的解決上述問題。平面電容凍土傳感器即將電容的兩極板設計在同一平面上，并將其接入振蕩器的LC諧振回路中，通過檢測振蕩頻率的變化，判斷土壤的凍結狀態，利用垂直分層檢測的思路，計算出凍土層的深度，實現凍土深度的自動監測。

1 "空氣、水、冰及干土的電容值隨溫度變化特性

理想化平面電容計算公式[c=lεnπln（2b+aa）]，電容量的大小取決于介電常數ε，電容兩極板的間距a，電容極板的寬度b和電容極板的長度l。對于電容兩極板間距及電容極板寬度和長度固定的電容，其電容值C隨電容電場感應范圍內介質的介電常數ε不同而變化[3]。

這里將土壤視為由空氣、水或冰及固態土組成[4]，常溫下，空氣的介電常數約為1，水的介電常數則約為80，冰的約為3～4，固態土約為3～8。由于電容量的變化會受土壤總介電常數[εn]的影響，[εn]為整體土壤按照體積比例混合的相對介電常數（[εn=inViεi]）。其中：Vi 為土壤中物質i的體積占整體體積的比例;[εi] 為土壤中物質i的相對介電常數。 實驗中選用單一平面電容傳感器對空氣、水、冰和固態干土在溫度為13～-13 ℃范圍內進行電容測量，測量電路采用調頻電路，通過檢測LC振蕩頻率推導出電容大小，即 "[c=14π2f2L]，其中L為固定電感大小，f為振蕩頻率，得到結果如圖1所示。對曲線的結果分析可知，當電容兩極周圍的介質是空氣時，電容值隨溫度的變化趨勢不明顯，幾乎穩定在15.44～15.49 pF之間，而電容兩極周圍的介質是水、冰或冰水混合物狀態時，電容值隨溫度變化與介質為空氣時有明顯的差異。溫度在13～0 ℃范圍內變化時（介質為完全液態狀的水），電容值由25.17 pF降低到25.01 pF;在0 ℃時水開始結冰，水由液態水相變為固態冰，介電常數變化很大，電容值發生階躍跳變。溫度繼續下降，當其在0～-13 ℃時，電容值在17～19 pF范圍內單調減小。當電容兩極周圍是干土時，電容隨溫度的變化在16.3～16.7 pF之間單調變化。 綜上所知，溫度變化過程中，土壤總電容的變化主要取決于水和冰相變，空氣和干土對土壤的總電容影響基本可忽略。

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圖1 空氣、水、冰及干土的電容值隨溫度變化曲線圖

2 "凍土檢測的基本原理

把電容的兩極板設置為長條形，并排列在同一平面上，成為平面電容傳感器。當不同介電常數的介質靠近平面電容傳感器時，電容值發生變化，通過檢測LC振蕩電路上由于電容變化引起的振蕩頻率的變化，便能確定電容周圍不同的介質。單一同面電容傳感器的理想模型[5]如圖2所示。單一平面電容電場線示意如圖3所示。

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圖2 單一同面電容傳感器模型

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圖3 單一平面電容電場線示意圖

多組平面電容傳感器[6?7]是把單一平面電容兩極板按照一定的距離排列在同一平面上，檢測時，其中一個電容傳感器加電，其余電容傳感器不工作，當不同介電常數的介質靠近平面電容傳感器時，電容值發生變化，通過檢測各層LC振蕩電路上由于電容變化引起的振蕩頻率的變化，便能確定各層電容周圍不同的介質。多組平面電容傳感器模型如圖4所示。

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圖4 多組平面電容傳感器模型及電場線分布示意圖

氣象領域凍土觀測深度最深達到3.2 m。為了能夠檢測出凍土深度，提出了分層檢測的思想，即在檢測過程中，把土壤的垂直剖面從上到下，依次按照凍土層和未凍土層進行分層檢測，各層內都設置一個平面電容傳感器，由于各層內介電特性不同，各層感應電容保持在不同的范圍，表現在各層的振蕩頻率不同。測量凍土深度時，檢測振蕩頻率發生跳變的電容傳感器，就可以確定土壤的凍融界面，也就能夠計算出凍土深度。測量原理如圖5所示。

3 "傳感器設計與實驗

3.1 "傳感器結構設計

由于凍土深度是從上到下垂直測量，結合自主研制的土壤水分傳感器[8?9]一些現場安裝的經驗，從整體上采用插管式結構，基本結構示意圖如圖6所示。外形安裝結構選定后，需要對傳感器內部結構進行合理設計，傳感器內部主要有電容兩極板的布設，檢測電路板的布設。電容兩極板布設時盡量避開其他金屬物，以避免對電容的電場造成干擾;檢測電路布設時要盡可能把電路板直接與電容的兩極板焊接，不要用導線，以免導線帶來寄生電容。

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圖5 平面電容式凍土傳感器測量原理示意圖

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圖6 傳感器基本結構示意圖

為了更好地保證電容兩極板的密封，在布設電極前，選用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，絕佳可撓性的柔性印刷電路板，一般敷設0.02 mm左右，電容兩極板間隔11 mm，電容極板寬度4 mm，電容極板長度16 cm，每2.5 cm設置一對電容極板。把電容布設好后，柔性電路板上留有每個電容兩極焊接的焊盤，直接把電容兩極與檢測電路板焊接，避免了導線的連接。傳感器內部布設完成后，固定在PVC材質的內芯上，用橡膠材質填充材料進行填充，卷成圓柱形，然后套上熱縮膜，再用熱風機輕吹，保證緊縮密封。測量時，將PVC套管通過專用安裝工具埋入土壤中，然后將傳感器，插入PVC套管中即可對土壤凍融狀態進行實時檢測。

3.2 "傳感器電路設計

3.2.1 "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7所示。

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圖7 傳感單元原理框圖

3.2.2 "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，即電容的兩個電極，土壤作為電容的介質，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。

3.2.3 "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。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2 048，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，如圖8所示。

3.3 "土壤凍結實驗

利用分層理論檢測凍土深度，電容傳感器分別處于不同的介質中，理想情況下，各層傳感器測量的頻率數據為二段階梯狀，可以直接通過單點閾值判斷找出分界點，但是在實際測試中，由于土壤性質及受溫度及傳感器其他參數的影響，數據并不是理想的二段階梯狀，雖然有二段階梯狀的趨勢，但僅通過單點固定閾值去判斷的話很容易導致判斷的結果與實際不符。

由于傳感器本身的特性，導致同一層傳感器測量的頻率值在相同的測量環境下會出現不一致的現象，為此定義傳感器在空氣中頻率相對量為1，在水中的相對量為0，將傳感器在空氣和水中的頻率做歸一化處理，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，即[SF=Fa-FsFa-Fw]。式中：SF為歸一化頻率;[Fa]為傳感器懸浮在空氣中的頻率;[Fw]為傳感器處在水中的頻率;[Fs]為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：θ=a*（SF-C）b，求得土壤含水量θ，其中a，b，C為擬合參數。

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圖8 信號處理電路原理圖

由于每層傳感器對應土壤的初始含水量不同，土壤凍結后，測量的未凍水含量是不同的，為此定義土壤水分相對變化率為：

[Δθ=θt0-θtθt0]

傳感器測量時，根據每層傳感器的土壤水分相對變化率跟閾值比較，就可以判斷該層傳感器所測量的土壤是否凍結，計算出凍結的層數和凍土的深度及其上下限等信息。

表1是4天人工觀測的凍土深度和傳感器對應測量深度的土壤未凍含水量及相對變化率的數據。圖9是土壤凍結過程中土壤水分相對變化率的變化曲線。從圖中可反映出土壤水逐漸相變成冰的過程。經過和人工觀測的數據對比驗證，當水分相對變化率在0.3以上時，確定該層土壤已逐漸凍結。

表1 青海省剛察縣凍土自動觀測數據

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圖9 水分相對變化率隨時間變化曲線

4 "結 "語

通過實驗對空氣、水、冰及干土的介電特性進行了分析研究，可看出土壤中水和冰發生相變后電容變化較為明顯，可以很方便的分辨出土壤的凍結狀態，據此設計了一種基于平面電容分層檢測凍土的傳感器，經過土壤凍結過程實驗確定這種實時測量的方法是可行的，并且這種傳感器結構簡單，易于安裝，非常適合野外無人值守自動化監測。

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（上接第127頁）

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