基于平面電容的凍土檢測(cè)傳感器

摘 "要： 在土壤凍融過(guò)程實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)空氣、水、冰及干土的介電特性進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)了土壤中水和冰發(fā)生相變引起土壤總的電容發(fā)生很大變化，基于這一特性和LC振蕩電路頻率響應(yīng)的原理，設(shè)計(jì)了一種基于平面電容分層檢測(cè)凍土的傳感器，實(shí)現(xiàn)了土壤凍融狀態(tài)的判別和凍土深度的自動(dòng)測(cè)量。與人工觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)土壤中未凍水含量相對(duì)變化率在0.3以上時(shí)，土壤已經(jīng)凍結(jié)。因此，利用基于平面電容的凍土檢測(cè)傳感器檢測(cè)土壤的凍結(jié)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)凍土深度自動(dòng)化測(cè)量是可行的。

關(guān)鍵詞： 凍土檢測(cè); LC振蕩電路; 平面電容; 傳感器

中圖分類號(hào)： TN710?34; TP212 " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 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(cè)領(lǐng)域很難實(shí)時(shí)自動(dòng)觀測(cè)的物理指標(biāo)之一。目前我國(guó)氣象部門(mén)冬季對(duì)凍土的檢測(cè)方法基本上采用達(dá)尼林凍土器或人工挖坑進(jìn)行，凍土自動(dòng)觀測(cè)更是我國(guó)地面氣象觀測(cè)與災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的一個(gè)技術(shù)和設(shè)備盲區(qū)。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的凍土檢測(cè)技術(shù)主要包括以下三種：一類是直接測(cè)量法（如人工坑挖或凍土鉆鑿洞法），缺點(diǎn)是觀測(cè)不方便，勞動(dòng)強(qiáng)度大，數(shù)據(jù)密度不夠，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤凍融深度及其發(fā)展變化情況;二類是達(dá)尼林凍土器[1]通過(guò)人工摸測(cè)水的凍結(jié)情況來(lái)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(cè)量?jī)鐾辽疃炔⒉豢茖W(xué);三類是遙感法[2]，是近幾年國(guó)外研究者關(guān)注的熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域或全球尺度的凍土深度探測(cè)，缺點(diǎn)是無(wú)法掌握局部范圍凍土層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的生消變化過(guò)程，難于應(yīng)用到地面氣象觀測(cè)領(lǐng)域的凍土深度測(cè)量。利用平面電容傳感器進(jìn)行凍土檢測(cè)，能夠很好的解決上述問(wèn)題。平面電容凍土傳感器即將電容的兩極板設(shè)計(jì)在同一平面上，并將其接入振蕩器的LC諧振回路中，通過(guò)檢測(cè)振蕩頻率的變化，判斷土壤的凍結(jié)狀態(tài)，利用垂直分層檢測(cè)的思路，計(jì)算出凍土層的深度，實(shí)現(xiàn)凍土深度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

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(jì)算公式[c=lεnπl(wèi)n（2b+aa）]，電容量的大小取決于介電常數(shù)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(zhǎng)度l。對(duì)于電容兩極板間距及電容極板寬度和長(zhǎng)度固定的電容，其電容值C隨電容電場(chǎng)感應(yīng)范圍內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)ε不同而變化[3]。

這里將土壤視為由空氣、水或冰及固態(tài)土組成[4]，常溫下，空氣的介電常數(shù)約為1，水的介電常數(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)受土壤總介電常數(shù)[εn]的影響，[εn]為整體土壤按照體積比例混合的相對(duì)介電常數(shù)（[εn=inViεi]）。其中：Vi 為土壤中物質(zhì)i的體積占整體體積的比例;[εi] 為土壤中物質(zhì)i的相對(duì)介電常數(shù)。 實(shí)驗(yàn)中選用單一平面電容傳感器對(duì)空氣、水、冰和固態(tài)干土在溫度為13～-13 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行電容測(cè)量，測(cè)量電路采用調(diào)頻電路，通過(guò)檢測(cè)LC振蕩頻率推導(dǎo)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(jié)果如圖1所示。對(duì)曲線的結(jié)果分析可知，當(dāng)電容兩極周?chē)慕橘|(zhì)是空氣時(shí)，電容值隨溫度的變化趨勢(shì)不明顯，幾乎穩(wěn)定在15.44～15.49 pF之間，而電容兩極周?chē)慕橘|(zhì)是水、冰或冰水混合物狀態(tài)時(shí)，電容值隨溫度變化與介質(zhì)為空氣時(shí)有明顯的差異。溫度在13～0 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)（介質(zhì)為完全液態(tài)狀的水），電容值由25.17 pF降低到25.01 pF;在0 ℃時(shí)水開(kāi)始結(jié)冰，水由液態(tài)水相變?yōu)楣虘B(tài)冰，介電常數(shù)變化很大，電容值發(fā)生階躍跳變。溫度繼續(xù)下降，當(dāng)其在0～-13 ℃時(shí)，電容值在17～19 pF范圍內(nèi)單調(diào)減小。當(dāng)電容兩極周?chē)歉赏習(xí)r，電容隨溫度的變化在16.3～16.7 pF之間單調(diào)變化。 綜上所知，溫度變化過(guò)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(duì)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(cè)的基本原理

把電容的兩極板設(shè)置為長(zhǎng)條形，并排列在同一平面上，成為平面電容傳感器。當(dāng)不同介電常數(shù)的介質(zhì)靠近平面電容傳感器時(shí)，電容值發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)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?chē)煌慕橘|(zhì)。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(chǎng)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(chǎng)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(cè)時(shí)，其中一個(gè)電容傳感器加電，其余電容傳感器不工作，當(dāng)不同介電常數(shù)的介質(zhì)靠近平面電容傳感器時(shí)，電容值發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)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?chē)煌慕橘|(zhì)。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(chǎng)線分布示意圖

氣象領(lǐng)域凍土觀測(cè)深度最深達(dá)到3.2 m。為了能夠檢測(cè)出凍土深度，提出了分層檢測(cè)的思想，即在檢測(cè)過(guò)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(jìn)行分層檢測(cè)，各層內(nèi)都設(shè)置一個(gè)平面電容傳感器，由于各層內(nèi)介電特性不同，各層感應(yīng)電容保持在不同的范圍，表現(xiàn)在各層的振蕩頻率不同。測(cè)量?jī)鐾辽疃葧r(shí)，檢測(cè)振蕩頻率發(fā)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(jì)算出凍土深度。測(cè)量原理如圖5所示。

3 "傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

3.1 "傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于凍土深度是從上到下垂直測(cè)量，結(jié)合自主研制的土壤水分傳感器[8?9]一些現(xiàn)場(chǎng)安裝的經(jīng)驗(yàn)，從整體上采用插管式結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。外形安裝結(jié)構(gòu)選定后，需要對(duì)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，傳感器內(nèi)部主要有電容兩極板的布設(shè)，檢測(cè)電路板的布設(shè)。電容兩極板布設(shè)時(shí)盡量避開(kāi)其他金屬物，以避免對(duì)電容的電場(chǎng)造成干擾;檢測(cè)電路布設(shè)時(shí)要盡可能把電路板直接與電容的兩極板焊接，不要用導(dǎo)線，以免導(dǎo)線帶來(lái)寄生電容。

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圖5 平面電容式凍土傳感器測(cè)量原理示意圖

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圖6 傳感器基本結(jié)構(gòu)示意圖

為了更好地保證電容兩極板的密封，在布設(shè)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(shè)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(zhǎng)度16 cm，每2.5 cm設(shè)置一對(duì)電容極板。把電容布設(shè)好后，柔性電路板上留有每個(gè)電容兩極焊接的焊盤(pán)，直接把電容兩極與檢測(cè)電路板焊接，避免了導(dǎo)線的連接。傳感器內(nèi)部布設(shè)完成后，固定在PVC材質(zhì)的內(nèi)芯上，用橡膠材質(zhì)填充材料進(jìn)行填充，卷成圓柱形，然后套上熱縮膜，再用熱風(fēng)機(jī)輕吹，保證緊縮密封。測(cè)量時(shí)，將PVC套管通過(guò)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(duì)土壤凍融狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

3.2 "傳感器電路設(shè)計(jì)

3.2.1 "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(cè)量。由檢測(cè)電容、信號(hào)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(cè)電容和溫度傳感器的設(shè)計(jì)

檢測(cè)電容是傳感單元的敏感器件，周?chē)值淖兓词请娙莸慕橘|(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(cè)電容采用柔性電路板工藝，柔性電路板中的覆銅作為L(zhǎng)C振蕩電路的一部分，即電容的兩個(gè)電極，土壤作為電容的介質(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(guò)特征碼，分別采集各個(gè)溫度傳感器的數(shù)據(jù)。

3.2.3 "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(cè)電容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。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2 048，這需要兩級(jí)分頻器來(lái)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，如圖8所示。

3.3 "土壤凍結(jié)實(shí)驗(yàn)

利用分層理論檢測(cè)凍土深度，電容傳感器分別處于不同的介質(zhì)中，理想情況下，各層傳感器測(cè)量的頻率數(shù)據(jù)為二段階梯狀，可以直接通過(guò)單點(diǎn)閾值判斷找出分界點(diǎn)，但是在實(shí)際測(cè)試中，由于土壤性質(zhì)及受溫度及傳感器其他參數(shù)的影響，數(shù)據(jù)并不是理想的二段階梯狀，雖然有二段階梯狀的趨勢(shì)，但僅通過(guò)單點(diǎn)固定閾值去判斷的話很容易導(dǎo)致判斷的結(jié)果與實(shí)際不符。

由于傳感器本身的特性，導(dǎo)致同一層傳感器測(cè)量的頻率值在相同的測(cè)量環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象，為此定義傳感器在空氣中頻率相對(duì)量為1，在水中的相對(duì)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(cè)量頻率是不同的，但是測(cè)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，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(cè)得的頻率;將測(cè)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(shù)。

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圖8 信號(hào)處理電路原理圖

由于每層傳感器對(duì)應(yīng)土壤的初始含水量不同，土壤凍結(jié)后，測(cè)量的未凍水含量是不同的，為此定義土壤水分相對(duì)變化率為：

[Δθ=θt0-θtθt0]

傳感器測(cè)量時(shí)，根據(jù)每層傳感器的土壤水分相對(duì)變化率跟閾值比較，就可以判斷該層傳感器所測(cè)量的土壤是否凍結(jié)，計(jì)算出凍結(jié)的層數(shù)和凍土的深度及其上下限等信息。

表1是4天人工觀測(cè)的凍土深度和傳感器對(duì)應(yīng)測(cè)量深度的土壤未凍含水量及相對(duì)變化率的數(shù)據(jù)。圖9是土壤凍結(jié)過(guò)程中土壤水分相對(duì)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(guò)程。經(jīng)過(guò)和人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，當(dāng)水分相對(duì)變化率在0.3以上時(shí)，確定該層土壤已逐漸凍結(jié)。

表1 青海省剛察縣凍土自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)

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圖9 水分相對(duì)變化率隨時(shí)間變化曲線

4 "結(jié) "語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)空氣、水、冰及干土的介電特性進(jìn)行了分析研究，可看出土壤中水和冰發(fā)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(jié)狀態(tài)，據(jù)此設(shè)計(jì)了一種基于平面電容分層檢測(cè)凍土的傳感器，經(jīng)過(guò)土壤凍結(jié)過(guò)程實(shí)驗(yàn)確定這種實(shí)時(shí)測(cè)量的方法是可行的，并且這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，非常適合野外無(wú)人值守自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

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