沙莉 張藝萌 李鵬 支詢

摘 要：本文利用冰和水介電常數(shù)的顯著差異實(shí)現(xiàn)對凍土的檢測，對土壤中空氣、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，提出凍土檢測的基本原理。具體來講，電容傳感器建立于同一個平面的前提下，對土層能予以垂直插入，進(jìn)而設(shè)置了分層檢測流程。通過分析測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土壤的凍結(jié)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)凍土深度的自動檢測。

關(guān)鍵詞：凍土檢測；LC振蕩電路；平面電容傳感器

中圖分類號：P642.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)等凍融蠕動等形態(tài)特征的土壤。凍土是反映土壤熱狀態(tài)的一項指標(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、沉陷和房屋開裂變形[1]，威脅著工程建設(shè)和交通運(yùn)輸安全。開展長期連續(xù)的凍土觀測對交通、鐵路和穩(wěn)定運(yùn)行以及工程建筑設(shè)計和農(nóng)業(yè)發(fā)展有著十分重要的作用。氣象凍土監(jiān)測是維系干旱區(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)必需面對的交通建設(shè)難題。

對于觀測凍土而言，可靠的數(shù)據(jù)資料來源有氣象觀測站的人工觀測數(shù)據(jù)，觀測裝置為TB1型凍土器，其原理是使用達(dá)尼林管中的水面凍結(jié)長度作為凍土深度的裝置，該裝置無法實(shí)現(xiàn)自動化和量值溯源。因此，長期以來，針對氣象領(lǐng)域涉及的災(zāi)害預(yù)警及自動式的氣象監(jiān)測都將凍土監(jiān)測視為監(jiān)測難點(diǎn)，同時也構(gòu)成了技術(shù)盲區(qū)[2]。在當(dāng)前現(xiàn)狀下，檢測凍土的具體手段可以分成以下幾類。第一是鉆鑿洞或者人工挖坑的直接檢測法，該檢測措施具有更優(yōu)的直觀性，但卻不便于進(jìn)行全方位觀測，且勞動強(qiáng)度大，尤其是很難全面測定當(dāng)前現(xiàn)有的凍融土壤深度；第二是通過運(yùn)用凍土器來完成間接性的凍土測量[3]。但是，針對不同區(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量帶來的顯著影響，上述測量方式很可能遺漏相應(yīng)測量要素。第三類為利用遙感法對凍土進(jìn)行探測，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程中局部凍土層的狀態(tài)，而與之相應(yīng)的凍土深度測定也缺乏精確度。

基于此，本文提出利用平面電容傳感器實(shí)現(xiàn)對凍土深度的自動測定，此項措施符合自動化的全新凍土測量手段。

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，為了精確測定凍土的介電常數(shù)，選擇固態(tài)干土作為研究對象，同時設(shè)置了試驗(yàn)必需的調(diào)頻電路。首先精確檢測振蕩頻率，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(yīng)范圍內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)ε的變化而變化。空氣、水及干土的介電常數(shù)值隨溫度變化曲線如圖1所示。

3 凍土深度測量傳感器及檢測方法

此次試驗(yàn)首先設(shè)置了長條形的兩極電容板，確保在同一個平面內(nèi)對其進(jìn)行排列。利用其邊緣效應(yīng)，加上測量電路，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)波動幅度較大的電容值，那么與之相應(yīng)的介電常數(shù)也會體現(xiàn)出顯著的差異性[5]。在電容頻繁變化的狀態(tài)下，振蕩頻率也會由此而出現(xiàn)波動，進(jìn)而可以推測得出當(dāng)前的介質(zhì)特性及電容波動性。

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。檢測時，其中一個電容傳感器加電，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，電容值產(chǎn)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(zhì)。多組平面電容傳感器模型如圖4所示。

對凍土深度進(jìn)行檢測時，對其設(shè)置了必要的電容傳感器，在此前提下給出分層檢測的宗旨與思路。具體而言，對于垂直性的土壤剖面，應(yīng)將其劃分為較多的檢測層次，然后將平面式的傳感器設(shè)置于內(nèi)部的各個土層部位上[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)對當(dāng)前現(xiàn)有凍土深度的全方位測定，必須要給出凍融的土壤界面，進(jìn)而對凍土深度予以精確運(yùn)算。平面電容式凍土傳感器測量原理如圖5所示。

通過設(shè)置插管式的測量傳感器，針對此次試驗(yàn)設(shè)置了柔性傳感電路板，同時配備了傳感檢測單元。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。對電路板進(jìn)行印制時，應(yīng)保證其具有優(yōu)良的可撓性特征[7]。與此同時，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電容（間隔為2.5cm）。通過運(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，管壁與測量元件之間能借助張力來實(shí)現(xiàn)緊密銜接。由此可見，運(yùn)用上述處理手段便于進(jìn)行實(shí)時性維護(hù)與安裝，對原有的土層結(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)有的氣象測量規(guī)范，對特定時間段的地表溫度及觀測凍土?xí)r間予以精確把控。在開始凍結(jié)土壤時，確保將其限定于早上08：00的觀測起始時間；對于終結(jié)觀測的時間而言，對其需要限定為第二年徹底解凍。傳感器能精確判定上述時間段的凍土狀態(tài)，并且將其歸入試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過運(yùn)用全方位的人工對比方式，能歸納得出實(shí)時性的氣象資料與凍土測量數(shù)值。在本次凍土測量中，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)測凍土深度對比結(jié)果見表1。

人工測量凍土深度值與傳感器測量值對比曲線如圖7所示。

通過對比發(fā)現(xiàn)，凍土深度平均絕對誤差小于3cm，但最大誤差偏高。通過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，傳感器是通過測量未凍水含量變化的多少來判斷土壤凍融狀態(tài)，然而土壤凍結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)難以量化，無法定義土壤中含有多少冰晶，會使土壤凍結(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

凍土測量傳感器垂直測量分辨力為2.5cm，雖然達(dá)不到人工凍土觀測分辨力，但其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，其利用土壤中水相變成冰的過程中介電常數(shù)差異的原理，直接測量土壤介電常數(shù)的變化來判斷凍融狀態(tài)，而不是通過溫度來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、地溫和凍土深度測量集于一體，能做到連續(xù)自動觀測土壤水分、地溫和凍土深度的變化，減少了觀測站人員的工作量，實(shí)現(xiàn)了我國地面氣象觀測領(lǐng)域中凍土觀測的自動化。

參考文獻(xiàn)：

[1]張廷軍，張廷軍，晉銳，等.凍土遙感研究進(jìn)展——可見光、紅外及主動微波衛(wèi)星遙感方法[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2009（9）：963-972.

[2]張廷軍，晉銳，高峰.凍土遙感研究進(jìn)展：被動微波遙感[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2009（10）：1073-1083.

[3]徐敩祖，王家澄，張立新.凍土物理學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4]任亞民.凍土物理性質(zhì)的變化分析[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2003（s1）：34-36.

[5]徐斅祖，鄧友生.凍土中水分遷移的實(shí)驗(yàn)研究[M].北京：科學(xué)出版社，1991.

[6] Jue Wang， Yue-sheng Luo，Shao-gang Liu. Nondestructive Testing Method of Wood Moisture Content Based on a Planar Capacitance Sensor Model [J]. Forestry Studies in China， 2010（3）：142-146.

[7]河南省氣象科學(xué)研究所，中原光電測控技術(shù)公司.凍土及干土層測量傳感器：ZL 2012 1 0054137.6 [P].2012.

[8]中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范第14部分凍土觀測：QX/T 58—2007[S].北京：氣象出版社，2007.