凍土深度測(cè)量傳感器及其檢測(cè)方法

沙莉 張藝萌 李鵬 支詢(xún)

摘 要：本文利用冰和水介電常數(shù)的顯著差異實(shí)現(xiàn)對(duì)凍土的檢測(cè)，對(duì)土壤中空氣、水、冰及固態(tài)土的介電特性隨溫度變化的規(guī)律進(jìn)行初步分析，提出凍土檢測(cè)的基本原理。具體來(lái)講，電容傳感器建立于同一個(gè)平面的前提下，對(duì)土層能予以垂直插入，進(jìn)而設(shè)置了分層檢測(cè)流程。通過(guò)分析測(cè)量各層振蕩頻率的數(shù)值變化，可以確定各層電容傳感器所處水平斷面被測(cè)土壤的凍結(jié)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)凍土深度的自動(dòng)檢測(cè)。

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(lèi)號(hào)：P642.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）16-0108-03

Permafrost Depth Measurement Sensor and Its Detection Method

SHA Li1 ZHANG Yimeng1 LI Peng2 ZHI Xun1

Abstract： In this paper， the detection of permafrost was realized by the significant difference of the dielectric constant of ice and water. The basic principle of the permafrost detection was put forward by the law of the change of the dielectric properties of air， water， ice and solid soil in the soil with the change of temperature. Specifically， capacitive sensors were built on the same plane and can be vertically inserted into the soil layer， and a layered detection process was set up. By analyzing the numerical changes of the oscillation frequency of each layer， the frozen state of the soil in the horizontal section of each layer of capacitance sensor could be determined， and the automatic detection of the depth of the frozen soil could be realized.

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

1 研究背景

凍土是指土壤溫度低于0℃并出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象、具有表土呈現(xiàn)多邊形土或石環(huán)等凍融蠕動(dòng)等形態(tài)特征的土壤。凍土是反映土壤熱狀態(tài)的一項(xiàng)指標(biāo)，在研究地表和大氣的熱量交換上有重要意義。凍土具有凍脹和融沉特性，容易導(dǎo)致路基鼓脹、沉陷和房屋開(kāi)裂變形[1]，威脅著工程建設(shè)和交通運(yùn)輸安全。開(kāi)展長(zhǎng)期連續(xù)的凍土觀測(cè)對(duì)交通、鐵路和穩(wěn)定運(yùn)行以及工程建筑設(shè)計(jì)和農(nóng)業(yè)發(fā)展有著十分重要的作用。氣象凍土監(jiān)測(cè)是維系干旱區(qū)綠洲發(fā)展和確保寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要保障，是凍土區(qū)生產(chǎn)建設(shè)的基本需求，是青藏、川藏等高原、寒冷地區(qū)必需面對(duì)的交通建設(shè)難題。

對(duì)于觀測(cè)凍土而言，可靠的數(shù)據(jù)資料來(lái)源有氣象觀測(cè)站的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)裝置為T(mén)B1型凍土器，其原理是使用達(dá)尼林管中的水面凍結(jié)長(zhǎng)度作為凍土深度的裝置，該裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和量值溯源。因此，長(zhǎng)期以來(lái)，針對(duì)氣象領(lǐng)域涉及的災(zāi)害預(yù)警及自動(dòng)式的氣象監(jiān)測(cè)都將凍土監(jiān)測(cè)視為監(jiān)測(cè)難點(diǎn)，同時(shí)也構(gòu)成了技術(shù)盲區(qū)[2]。在當(dāng)前現(xiàn)狀下，檢測(cè)凍土的具體手段可以分成以下幾類(lèi)。第一是鉆鑿洞或者人工挖坑的直接檢測(cè)法，該檢測(cè)措施具有更優(yōu)的直觀性，但卻不便于進(jìn)行全方位觀測(cè)，且勞動(dòng)強(qiáng)度大，尤其是很難全面測(cè)定當(dāng)前現(xiàn)有的凍融土壤深度；第二是通過(guò)運(yùn)用凍土器來(lái)完成間接性的凍土測(cè)量[3]。但是，針對(duì)不同區(qū)域的土壤而言，其水溶液濃度、溶液成分及土壤質(zhì)地都存在較大差異。此外，受到外界壓力及其他因素給凍土測(cè)量帶來(lái)的顯著影響，上述測(cè)量方式很可能遺漏相應(yīng)測(cè)量要素。第三類(lèi)為利用遙感法對(duì)凍土進(jìn)行探測(cè)，其能夠覆蓋全球尺度。但是，運(yùn)用遙感法很難精確判定變化過(guò)程中局部?jī)鐾翆拥臓顟B(tài)，而與之相應(yīng)的凍土深度測(cè)定也缺乏精確度。

基于此，本文提出利用平面電容傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)凍土深度的自動(dòng)測(cè)定，此項(xiàng)措施符合自動(dòng)化的全新凍土測(cè)量手段。

2 凍土的介電特性

凍土由于受到礦物密度、化學(xué)成分、濃度以及溶液成分等要素的影響，其現(xiàn)有的介電特性還可能關(guān)乎其中的溫度與含水量[4]。在此次試驗(yàn)中，為了精確測(cè)定凍土的介電常數(shù)，選擇固態(tài)干土作為研究對(duì)象，同時(shí)設(shè)置了試驗(yàn)必需的調(diào)頻電路。首先精確檢測(cè)振蕩頻率，進(jìn)而歸納得出電容大小。推導(dǎo)出介電常數(shù)大小，即[εn=Cπ/ln （2b+aa）]，其中a為電容兩極板的間距，b為電容極板的寬度。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的變化而變化?？諝狻⑺案赏恋慕殡姵?shù)值隨溫度變化曲線如圖1所示。

3 凍土深度測(cè)量傳感器及檢測(cè)方法

此次試驗(yàn)首先設(shè)置了長(zhǎng)條形的兩極電容板，確保在同一個(gè)平面內(nèi)對(duì)其進(jìn)行排列。利用其邊緣效應(yīng)，加上測(cè)量電路，構(gòu)成平面電容傳感器。在某些情形下，電容傳感器如果呈現(xiàn)波動(dòng)幅度較大的電容值，那么與之相應(yīng)的介電常數(shù)也會(huì)體現(xiàn)出顯著的差異性[5]。在電容頻繁變化的狀態(tài)下，振蕩頻率也會(huì)由此而出現(xiàn)波動(dòng)，進(jìn)而可以推測(cè)得出當(dāng)前的介質(zhì)特性及電容波動(dòng)性。

單一同面電容傳感器的理想模型[6，7]如圖2和圖3所示。

多組平面電容傳感器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)，電容值產(chǎn)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。

對(duì)凍土深度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)其設(shè)置了必要的電容傳感器，在此前提下給出分層檢測(cè)的宗旨與思路。具體而言，對(duì)于垂直性的土壤剖面，應(yīng)將其劃分為較多的檢測(cè)層次，然后將平面式的傳感器設(shè)置于內(nèi)部的各個(gè)土層部位上[6]。受介電特征的影響，振蕩頻率與感應(yīng)電容都體現(xiàn)為差異性。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前現(xiàn)有凍土深度的全方位測(cè)定，必須要給出凍融的土壤界面，進(jìn)而對(duì)凍土深度予以精確運(yùn)算。平面電容式凍土傳感器測(cè)量原理如圖5所示。

通過(guò)設(shè)置插管式的測(cè)量傳感器，針對(duì)此次試驗(yàn)設(shè)置了柔性傳感電路板，同時(shí)配備了傳感檢測(cè)單元。其中，柔性電路板本身具備優(yōu)良的可靠性，其中含有聚酯薄膜及聚酰亞胺薄膜。對(duì)電路板進(jìn)行印制時(shí)，應(yīng)保證其具有優(yōu)良的可撓性特征[7]。與此同時(shí)，電路板應(yīng)設(shè)置較輕的自重、較薄的厚度及較高的配線密度。在柔性電路板的范圍內(nèi)，應(yīng)配備相應(yīng)的溫度傳感器及檢測(cè)電容（間隔為2.5cm）。通過(guò)運(yùn)用上述改進(jìn)舉措，能顯著提升垂直性的分辨能力及系統(tǒng)測(cè)量能力。

具體而言，傳感器設(shè)有控制處理板、提環(huán)、傳感單元、異型槽與橡膠材質(zhì)。在外側(cè)的傳感器位置上設(shè)置了保護(hù)套管，其中包含防水堵頭與防雨水帽。為了保證這些設(shè)施實(shí)現(xiàn)精確安裝，要在地下土層的特定位置上借助安裝工具來(lái)完成插入處理[8]。在此前提下，在防護(hù)管的特定部位插入圓柱狀的傳感器。柔性電路板與橡膠本身具備優(yōu)良的彈性，其中，管壁與測(cè)量元件之間能借助張力來(lái)實(shí)現(xiàn)緊密銜接。由此可見(jiàn)，運(yùn)用上述處理手段便于進(jìn)行實(shí)時(shí)性維護(hù)與安裝，對(duì)原有的土層結(jié)構(gòu)也能予以保護(hù)。

4 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)當(dāng)前現(xiàn)有的氣象測(cè)量規(guī)范，對(duì)特定時(shí)間段的地表溫度及觀測(cè)凍土?xí)r間予以精確把控。在開(kāi)始凍結(jié)土壤時(shí)，確保將其限定于早上08：00的觀測(cè)起始時(shí)間；對(duì)于終結(jié)觀測(cè)的時(shí)間而言，對(duì)其需要限定為第二年徹底解凍。傳感器能精確判定上述時(shí)間段的凍土狀態(tài)，并且將其歸入試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)運(yùn)用全方位的人工對(duì)比方式，能歸納得出實(shí)時(shí)性的氣象資料與凍土測(cè)量數(shù)值。在本次凍土測(cè)量中，資料與數(shù)據(jù)能覆蓋2015年11月2日直到2016年04月05日。人工與機(jī)測(cè)凍土深度對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

人工測(cè)量?jī)鐾辽疃戎蹬c傳感器測(cè)量值對(duì)比曲線如圖7所示。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，凍土深度平均絕對(duì)誤差小于3cm，但最大誤差偏高。通過(guò)分析可知主要有兩方面原因：第一，凍土器中水的凍結(jié)溫度與土壤凍結(jié)溫度并不相同，因此，凍土器凍結(jié)后，土壤并不一定凍結(jié)；第二，傳感器是通過(guò)測(cè)量未凍水含量變化的多少來(lái)判斷土壤凍融狀態(tài)，然而土壤凍結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)難以量化，無(wú)法定義土壤中含有多少冰晶，會(huì)使土壤凍結(jié)。因此，土壤凍結(jié)標(biāo)準(zhǔn)量化及確定是我們下一步要做的工作。

5 結(jié)論

凍土測(cè)量傳感器垂直測(cè)量分辨力為2.5cm，雖然達(dá)不到人工凍土觀測(cè)分辨力，但其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，其利用土壤中水相變成冰的過(guò)程中介電常數(shù)差異的原理，直接測(cè)量土壤介電常數(shù)的變化來(lái)判斷凍融狀態(tài)，而不是通過(guò)溫度來(lái)判斷土壤的凍融狀態(tài)，因此比凍土器更直接，且將土壤水分、地溫和凍土深度測(cè)量集于一體，能做到連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)土壤水分、地溫和凍土深度的變化，減少了觀測(cè)站人員的工作量，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)地面氣象觀測(cè)領(lǐng)域中凍土觀測(cè)的自動(dòng)化。

參考文獻(xiàn)：

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