凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)

冶林茂，余國河，陳　濤，曹淑超，張廣周，李　鵬

(1．河南省氣象科學(xué)研究所，河南鄭州　450003；2．中國電子科技集團(tuán)公司第27研究所，河南鄭州　450047)

1　研究現(xiàn)狀

目前針對(duì)有關(guān)凍土深度、凍土?xí)r間的研究已有很多[1-7]。國內(nèi)傳統(tǒng)的測(cè)量凍土深度的方法是將灌滿蒸餾水、兩端密封的塑膠管，垂直放在埋入土中的銅管中，根據(jù)水的凍結(jié)情況來判斷凍土深度，該方法實(shí)際上是觀測(cè)地溫0 ℃的位置，并不能準(zhǔn)確測(cè)量凍土的位置。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))溫度并不相同，因此該方法觀測(cè)的凍土深度并不科學(xué)，而且當(dāng)凍土層較深時(shí)，觀測(cè)不方便、工作量大、耗時(shí)耗力，且測(cè)量數(shù)據(jù)密度不夠，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍土深度及其發(fā)展變化情況。而干土層的觀測(cè)完全依靠目測(cè)，無定量化標(biāo)準(zhǔn)、客觀性差。

衛(wèi)星遙感的方式也可對(duì)凍土及干土層進(jìn)行一定的監(jiān)測(cè)，但是只適用于大范圍的監(jiān)測(cè)，還不能對(duì)凍土深度和干土層厚度進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)測(cè)。目前用于凍土及干土層的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備基本上還屬空白。

凍土深度及干土層厚度的判定需要確定土壤溫度和含水量。目前，測(cè)量土壤含水量的方法有很多[8-15]。自動(dòng)測(cè)量土壤水分的傳感器便是其中一種，在結(jié)構(gòu)工藝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)插管式傳感器首先使用專用安裝工具在不破壞土壤結(jié)構(gòu)的前提下把防護(hù)管打入地下土壤中，銅環(huán)傳感器安裝在防護(hù)管內(nèi)，但由于機(jī)械加工和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題，傳感器的感應(yīng)部分與防護(hù)管壁很難緊密接觸，會(huì)影響測(cè)量精度。而且，通常自動(dòng)地溫和土壤水分觀測(cè)是分離的，不能自動(dòng)獲取凍土深度和干土層厚度。

為了解決凍土及干土層人工觀測(cè)存在的原理不客觀、觀測(cè)不方便、工作量大、垂直分辨率低、數(shù)據(jù)密度不夠、測(cè)量精度低，不能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)觀測(cè)和分析凍土深度及干土層厚度隨時(shí)間演變規(guī)律等技術(shù)問題，研究了一種可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、環(huán)境保護(hù)、交通建設(shè)、氣候變化研究等提供客觀自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的凍土及干土層測(cè)量傳感器。

2　凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)傳感器的原理

凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)傳感器是集數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸于一體的智能自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備，它基于電容式土壤水分測(cè)量技術(shù)和半導(dǎo)體測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)凍土及干土層深度的測(cè)量。土壤水分含量的測(cè)量是基于電容傳感器工作原理，即土壤充當(dāng)電介質(zhì)，土壤含水量變化可以轉(zhuǎn)換為電容量變化。將土壤視為由空氣、水或冰及固態(tài)土組成，其中，空氣的介電系數(shù)約為1，水的介電系數(shù)則約為80，冰的約為3～4，固態(tài)土約為3～8。由于電容量的變化會(huì)受介電常數(shù)的影響，當(dāng)部分水與冰之間發(fā)生相變，土壤的介電系數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致土壤總電容量值的改變。土壤水分測(cè)量傳感元件主要由一對(duì)電極構(gòu)成一個(gè)電容，電容與固定電感組成一個(gè)振蕩電路，振蕩器工作頻率隨土壤電容的變化而變化。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(cè)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，介電系數(shù)變化，水分值會(huì)明顯上升。

根據(jù)建立的凍土深度及干土層厚度判定數(shù)學(xué)模型，判定凍土及干土層需要確定土壤的凍結(jié)溫度、土壤含水量、地溫、凍結(jié)(融化)周期和經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其中土壤含水量、地溫通過土壤水分和溫度傳感器測(cè)量實(shí)現(xiàn)；土的凍結(jié)溫度、凍結(jié)(融化)周期和經(jīng)驗(yàn)常數(shù)通過土壤類型凍結(jié)特性試驗(yàn)研究分析確定。

3　凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)

為了減少測(cè)量誤差，凍土及干土層測(cè)量傳感器在結(jié)構(gòu)工藝上采用柔性電路板設(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、重量輕、厚度薄的特點(diǎn)。土壤水分和溫度測(cè)量傳感元件設(shè)計(jì)集成到柔性電路板上，當(dāng)傳感器安裝到管內(nèi)后，柔性電路板通過自身的張力能夠與管壁緊密接觸，避免了過去由于機(jī)械加工的問題而引起的傳感器誤差。數(shù)據(jù)采集器基于嵌入式微處理器技術(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各層傳感器的數(shù)據(jù)采樣、遠(yuǎn)程命令控制、數(shù)據(jù)計(jì)算處理、質(zhì)量控制、通信和傳輸，并通過大容量存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的存儲(chǔ)和傳輸。

3．1整體設(shè)計(jì)

凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為硬質(zhì)電路板和柔性板結(jié)合，外部有熱縮性保護(hù)膜，采用插管式結(jié)構(gòu)，在不破壞土壤結(jié)構(gòu)的前提下使用專用安裝工具把防護(hù)管打入地下土壤中，將傳感器安裝在防護(hù)管內(nèi)。傳感器由控制處理單元、頻率采集單元以及溫度采集單元組成(圖1)。

圖1　凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)傳感器原理圖

控制處理單元用于數(shù)據(jù)的計(jì)算、通訊、分時(shí)采集控制、采集單元分時(shí)供電控制，通過供電線及通訊線與采集器連接；頻率采集單元負(fù)責(zé)接收控制處理單元的控制信號(hào)，進(jìn)行頻率信號(hào)的采集；溫度采集單元負(fù)責(zé)接收控制處理單元的控制信號(hào)，進(jìn)行溫度信號(hào)的采集。

凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)儀由凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)傳感器、采集器及服務(wù)器組成。傳感器將采集的頻率信號(hào)及溫度信號(hào)傳送至采集器，采集器通過有線或無線的方式，將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器，最終實(shí)現(xiàn)凍土及干土層的觀測(cè)(圖2)。

圖2　凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖

3．2控制處理單元的設(shè)計(jì)

控制處理單元包括一個(gè)嵌入式微處理器CPU，該處理器具有多組I/O接口，具備一個(gè)SPI總線，一個(gè)USART串口，一個(gè)供電單元?？刂铺幚韱卧€包括一個(gè)4芯的插頭和一個(gè)10芯的排線端子，4芯插頭與采集器連接實(shí)現(xiàn)供電及通訊，10芯排線端子通過排線與頻率采集單元連接(圖3)。該控制處理單元通過控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率采集單元的分時(shí)供電、頻率信號(hào)的最終采集、溫度信號(hào)的最終采集，并對(duì)采集的頻率、溫度信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸和相應(yīng)的通訊功能。

圖3　控制處理單元原理圖

3．3頻率采集單元的設(shè)計(jì)

頻率采集單元(圖4)包括2組10芯的排線端子、2個(gè)8路電子開關(guān)、16組頻率采集電路。2組10芯的排線端子，一組和控制處理單元的10芯排線端子利用排線相連，另一組用于擴(kuò)展額外的一組頻率采集單元。10芯排線端子中+5 V連接兩個(gè)8路電子開關(guān)，負(fù)責(zé)給2組8路電子開關(guān)供電，+3.3 V負(fù)責(zé)給溫度采集單元溫度傳感器供電，+15 V接入兩個(gè)8路電子開關(guān)的選擇輸入端，控制處理單元通過控制4根開關(guān)控制信號(hào)線(開關(guān)使能、開關(guān)時(shí)鐘、開關(guān)控制1、開關(guān)控制2)，實(shí)現(xiàn)接入電子開關(guān)輸入端的+15 V從兩組8路開關(guān)的16個(gè)輸出端分時(shí)輸出，而1組輸出端接16路頻率采集單元的供電線，實(shí)現(xiàn)16路頻率采集電路分時(shí)供電。16路頻率采集電路的頻率輸出線最終匯聚到10芯排線端子的頻率信號(hào)線上，傳送至控制處理單元。

圖4　頻率采集單元原理圖

頻率采集單元還包括32個(gè)電容焊接點(diǎn)連接溫度采集單元上的覆銅，每2個(gè)1組作為頻率采集電路LC振蕩電路的電容；包括16個(gè)溫度信號(hào)焊接點(diǎn)，連接溫度采集單元16個(gè)溫度傳感器的溫度信號(hào)輸出線；包括2個(gè)電源焊接點(diǎn)，分別為+3.3 V和GND，連接溫度采集單元的電源焊接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)所有溫度傳感器的供電。

3．4溫度采集單元的設(shè)計(jì)

溫度采集單元包括16組等間隔的覆銅，32個(gè)電容焊接點(diǎn)，16個(gè)溫度傳感器，16個(gè)溫度信號(hào)焊接點(diǎn)、2個(gè)電源焊接點(diǎn)。16組覆銅作為頻率采集單元頻率采集電路LC振蕩電路的電容，通過32個(gè)電容焊接點(diǎn)與頻率采集單元連接；16個(gè)溫度傳感器采集的16個(gè)溫度信號(hào)，通過16個(gè)溫度信號(hào)焊接點(diǎn)與頻率采集單元的16個(gè)溫度信號(hào)焊接點(diǎn)連接，最終將16個(gè)溫度信號(hào)線匯聚成一根溫度信號(hào)線，傳送至控制處理單元進(jìn)行溫度信號(hào)處理計(jì)算；2個(gè)電源焊接點(diǎn)與頻率采集單元的2個(gè)電源(+3.3 V、GND)焊接點(diǎn)連接，為溫度傳感器提供3.3 V供電(圖5)。

圖5　溫度采集單元原理圖

4　凍土及干土層自動(dòng)觀測(cè)傳感器的特點(diǎn)

(1)采用高頻電容測(cè)量技術(shù)，準(zhǔn)確檢測(cè)不同的土壤水分，保證了信號(hào)的真實(shí)、準(zhǔn)確性。傳感器測(cè)量的土壤水分分辨率達(dá)到0.1%，誤差±2.5%(實(shí)驗(yàn)室)。

(2)采用高性能、高精度嵌入式微處理器技術(shù)，完成頻率信號(hào)的計(jì)算處理，保證各種測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算精度。

(3)采用半導(dǎo)體數(shù)字溫度傳感器技術(shù)，測(cè)量溫度范圍-55～+85 ℃，測(cè)量精度±0.5 ℃。

(4)傳感器與采集器之間的通信采用RS485總線技術(shù)，不僅擴(kuò)展性強(qiáng)，而且特別增強(qiáng)了防雷擊設(shè)計(jì)，保證了探測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(5)采集器與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間采用GPRS無線通信，靈活性強(qiáng)，通信距離遠(yuǎn)，安裝方便，降低了布線成本和工作量。

(6)儀器連續(xù)、不間斷、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，有人工觀測(cè)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

(7)儀器采用模塊化設(shè)計(jì)，任意組建，方便安裝維護(hù)，增加靈活性，探測(cè)器測(cè)量深度可根據(jù)不同用戶或地區(qū)的需求確定，測(cè)量深度可為40 cm倍數(shù)，但≤320 cm．

(8)采用柔性電路板，提高了垂直測(cè)量分辨率，減小了傳感器測(cè)量誤差，垂直測(cè)量分辨率能夠達(dá)2.5 cm，重復(fù)性誤差≤0.5%，任意兩個(gè)傳感器測(cè)量的一致性誤差≤1%。

5　結(jié)束語

凍土及干土自動(dòng)觀測(cè)傳感器通過采用電容式土壤水分傳感原理和半導(dǎo)體溫度傳感器結(jié)合高工藝的柔性板電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)凍土層及干土層的高分辨自動(dòng)觀測(cè)。但是，在土層地溫上應(yīng)當(dāng)充分考慮地溫與實(shí)測(cè)地溫的滯后性問題。傳感器也會(huì)因?yàn)槿粘＞S護(hù)工作的疏漏而出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差偏大的情況，有時(shí)其觀測(cè)精度滿足不了業(yè)務(wù)需求，所以在使用過程中還有許多問題需要進(jìn)一步研究。

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