冻土及干土层自动观测传感器的设计

冶林茂，余国河，陈　涛，曹淑超，张广周，李　鹏

(1．河南省气象科学研究所，河南郑州　450003；2．中国电子科技集团公司第27研究所，河南郑州　450047)

1　研究现状

目前针对有关冻土深度、冻土时间的研究已有很多[1-7]。国内传统的测量冻土深度的方法是将灌满蒸馏水、两端密封的塑胶管，垂直放在埋入土中的铜管中，根据水的冻结情况来判断冻土深度，该方法实际上是观测地温0 ℃的位置，并不能准确测量冻土的位置。由于土壤质地、水溶液的成分和浓度及外界条件如压力的不同，其冻结(冰点)温度并不相同，因此该方法观测的冻土深度并不科学，而且当冻土层较深时，观测不方便、工作量大、耗时耗力，且测量数据密度不够，不能实时监测冻土深度及其发展变化情况。而干土层的观测完全依靠目测，无定量化标准、客观性差。

卫星遥感的方式也可对冻土及干土层进行一定的监测，但是只适用于大范围的监测，还不能对冻土深度和干土层厚度进行精细化监测。目前用于冻土及干土层的自动化监测设备基本上还属空白。

冻土深度及干土层厚度的判定需要确定土壤温度和含水量。目前，测量土壤含水量的方法有很多[8-15]。自动测量土壤水分的传感器便是其中一种，在结构工艺上大多采用插针地埋式或铜环插管式。插针地埋式传感器虽然能够与土壤紧密接触，但是，其安装维护特别困难，安装时需要首先挖一个剖面深坑，工作量非常大；另外，一旦传感器出现问题，就需要把传感器挖出来，重新安装，而且还需要一个土壤自然沉降和仪器稳定的过程，因此大面积推广难度较大。铜环插管式传感器首先使用专用安装工具在不破坏土壤结构的前提下把防护管打入地下土壤中，铜环传感器安装在防护管内，但由于机械加工和结构设计的问题，传感器的感应部分与防护管壁很难紧密接触，会影响测量精度。而且，通常自动地温和土壤水分观测是分离的，不能自动获取冻土深度和干土层厚度。

为了解决冻土及干土层人工观测存在的原理不客观、观测不方便、工作量大、垂直分辨率低、数据密度不够、测量精度低，不能够实时自动观测和分析冻土深度及干土层厚度随时间演变规律等技术问题，研究了一种可为农业生产管理、环境保护、交通建设、气候变化研究等提供客观自动观测数据的冻土及干土层测量传感器。

2　冻土及干土层自动观测传感器的原理

冻土及干土层自动观测传感器是集数据采集、处理、传输于一体的智能自动观测设备，它基于电容式土壤水分测量技术和半导体测温技术实现冻土及干土层深度的测量。土壤水分含量的测量是基于电容传感器工作原理，即土壤充当电介质，土壤含水量变化可以转换为电容量变化。将土壤视为由空气、水或冰及固态土组成，其中，空气的介电系数约为1，水的介电系数则约为80，冰的约为3～4，固态土约为3～8。由于电容量的变化会受介电常数的影响，当部分水与冰之间发生相变，土壤的介电系数发生变化，导致土壤总电容量值的改变。土壤水分测量传感元件主要由一对电极构成一个电容，电容与固定电感组成一个振荡电路，振荡器工作频率随土壤电容的变化而变化。因此，当土壤中的水变为冰晶时，其介电常数发生了明显的变化，传感元件测得的水分值会明显下降；而当温度上升，冻土解冻时，冰融化成水，介电系数变化，水分值会明显上升。

根据建立的冻土深度及干土层厚度判定数学模型，判定冻土及干土层需要确定土壤的冻结温度、土壤含水量、地温、冻结(融化)周期和经验常数，其中土壤含水量、地温通过土壤水分和温度传感器测量实现；土的冻结温度、冻结(融化)周期和经验常数通过土壤类型冻结特性试验研究分析确定。

3　冻土及干土层自动观测传感器的设计

为了减少测量误差，冻土及干土层测量传感器在结构工艺上采用柔性电路板设计，柔性电路板是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳可挠性的印刷电路板，具有配线密度高、重量轻、厚度薄的特点。土壤水分和温度测量传感元件设计集成到柔性电路板上，当传感器安装到管内后，柔性电路板通过自身的张力能够与管壁紧密接触，避免了过去由于机械加工的问题而引起的传感器误差。数据采集器基于嵌入式微处理器技术设计，实现对各层传感器的数据采样、远程命令控制、数据计算处理、质量控制、通信和传输，并通过大容量存储器扩展技术，实现数据记录的存储和传输。

3．1整体设计

冻土及干土层自动观测传感器内部结构为硬质电路板和柔性板结合，外部有热缩性保护膜，采用插管式结构，在不破坏土壤结构的前提下使用专用安装工具把防护管打入地下土壤中，将传感器安装在防护管内。传感器由控制处理单元、频率采集单元以及温度采集单元组成(图1)。

图1　冻土及干土层自动观测传感器原理图

控制处理单元用于数据的计算、通讯、分时采集控制、采集单元分时供电控制，通过供电线及通讯线与采集器连接；频率采集单元负责接收控制处理单元的控制信号，进行频率信号的采集；温度采集单元负责接收控制处理单元的控制信号，进行温度信号的采集。

冻土及干土层自动观测仪由冻土及干土层自动观测传感器、采集器及服务器组成。传感器将采集的频率信号及温度信号传送至采集器，采集器通过有线或无线的方式，将数据传送至服务器，最终实现冻土及干土层的观测(图2)。

图2　冻土及干土层自动观测仪结构示意图

3．2控制处理单元的设计

控制处理单元包括一个嵌入式微处理器CPU，该处理器具有多组I/O接口，具备一个SPI总线，一个USART串口，一个供电单元。控制处理单元还包括一个4芯的插头和一个10芯的排线端子，4芯插头与采集器连接实现供电及通讯，10芯排线端子通过排线与频率采集单元连接(图3)。该控制处理单元通过控制信号实现频率采集单元的分时供电、频率信号的最终采集、温度信号的最终采集，并对采集的频率、温度信号进行处理计算，实现数据存储、传输和相应的通讯功能。

图3　控制处理单元原理图

3．3频率采集单元的设计

频率采集单元(图4)包括2组10芯的排线端子、2个8路电子开关、16组频率采集电路。2组10芯的排线端子，一组和控制处理单元的10芯排线端子利用排线相连，另一组用于扩展额外的一组频率采集单元。10芯排线端子中+5 V连接两个8路电子开关，负责给2组8路电子开关供电，+3.3 V负责给温度采集单元温度传感器供电，+15 V接入两个8路电子开关的选择输入端，控制处理单元通过控制4根开关控制信号线(开关使能、开关时钟、开关控制1、开关控制2)，实现接入电子开关输入端的+15 V从两组8路开关的16个输出端分时输出，而1组输出端接16路频率采集单元的供电线，实现16路频率采集电路分时供电。16路频率采集电路的频率输出线最终汇聚到10芯排线端子的频率信号线上，传送至控制处理单元。

图4　频率采集单元原理图

频率采集单元还包括32个电容焊接点连接温度采集单元上的覆铜，每2个1组作为频率采集电路LC振荡电路的电容；包括16个温度信号焊接点，连接温度采集单元16个温度传感器的温度信号输出线；包括2个电源焊接点，分别为+3.3 V和GND，连接温度采集单元的电源焊接点，实现所有温度传感器的供电。

3．4温度采集单元的设计

温度采集单元包括16组等间隔的覆铜，32个电容焊接点，16个温度传感器，16个温度信号焊接点、2个电源焊接点。16组覆铜作为频率采集单元频率采集电路LC振荡电路的电容，通过32个电容焊接点与频率采集单元连接；16个温度传感器采集的16个温度信号，通过16个温度信号焊接点与频率采集单元的16个温度信号焊接点连接，最终将16个温度信号线汇聚成一根温度信号线，传送至控制处理单元进行温度信号处理计算；2个电源焊接点与频率采集单元的2个电源(+3.3 V、GND)焊接点连接，为温度传感器提供3.3 V供电(图5)。

图5　温度采集单元原理图

4　冻土及干土层自动观测传感器的特点

(1)采用高频电容测量技术，准确检测不同的土壤水分，保证了信号的真实、准确性。传感器测量的土壤水分分辨率达到0.1%，误差±2.5%(实验室)。

(2)采用高性能、高精度嵌入式微处理器技术，完成频率信号的计算处理，保证各种测量数据的计算精度。

(3)采用半导体数字温度传感器技术，测量温度范围-55～+85 ℃，测量精度±0.5 ℃。

(4)传感器与采集器之间的通信采用RS485总线技术，不仅扩展性强，而且特别增强了防雷击设计，保证了探测系统稳定工作和数据传输的可靠性。

(5)采集器与数据中心服务器之间采用GPRS无线通信，灵活性强，通信距离远，安装方便，降低了布线成本和工作量。

(6)仪器连续、不间断、实时采集数据，有人工观测无法比拟的优点。

(7)仪器采用模块化设计，任意组建，方便安装维护，增加灵活性，探测器测量深度可根据不同用户或地区的需求确定，测量深度可为40 cm倍数，但≤320 cm．

(8)采用柔性电路板，提高了垂直测量分辨率，减小了传感器测量误差，垂直测量分辨率能够达2.5 cm，重复性误差≤0.5%，任意两个传感器测量的一致性误差≤1%。

5　结束语

冻土及干土自动观测传感器通过采用电容式土壤水分传感原理和半导体温度传感器结合高工艺的柔性板电路，实现对冻土层及干土层的高分辨自动观测。但是，在土层地温上应当充分考虑地温与实测地温的滞后性问题。传感器也会因为日常维护工作的疏漏而出现数据误差偏大的情况，有时其观测精度满足不了业务需求，所以在使用过程中还有许多问题需要进一步研究。

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