基于MPR121的冻土冻融过程 含水量检测方法与现场试验

石 元，邓 霄，顾惠南，张 丽，崔丽琴，秦建敏

(1.太原理工大学,新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原 030024；2.太原理工大学物理与光电工程学院,山西太原 030024)

0 引言

冻土是一种含有冰水的土壤和岩石混合物[1]。中国陆地的天然气候和地理位置决定其拥有广大的冻土面积，其所占比例近68.6%[1]。冻土一般分为季节性冻土和永久性冻土，季节性冻土区域的工业和民用建筑、农田水利、输油管道与矿山等工程建设因冻土冻融变化而出现变形、沉降甚至坍塌等现象[2-8]。由于在秋冬季节气温逐渐降低，土壤温度低于结冰点而使土壤水冻结成冰或者冰水混合物，并且随着温度进一步降低向纵深方向发展。这样土壤颗粒整体强度就会因为冰块的连结而增加，土体出现冻胀现象。这一过程在春季则呈现相反的情况，即由于温度升高，冻土中未冻结水含量增加而出现沉降现象。冻土这种季节性变化的特点对人民群众的生产生活产生了严重的影响，需要对其变化过程进行深入研究，以减少灾害的发生[2，9]。

季节性冻土冻融过程研究的关键是对冻土中不同深度的未冻结水含量进行检测。目前对于土壤中水分的检测主要有烘干法、张力计法、中子法等。烘干法检测精度高，但需要人工采集土样，费时费力，且破坏土壤；张力计法结构简单，成本较低，但是其测量范围在很大程度上受土质的影响；中子法虽然具有检测快速准确的优点，但这种方法的使用存在放射性危害[5-6，10-13]。时域反射法由于其快速简便，不需要标定、精度高等优点而受到了广泛的关注[12，14]。但是其极高的成本以及局限单点检测的缺陷致使其无法得到大规模的实际应用。

针对以上问题，为了满足土壤水分剖面检测的需求[15-16]，本文基于土壤和水分的介电常数差异设计了一种低成本的土壤水分检测传感器。通过在实验室与时域反射仪CS616进行对比标定，且在黑龙江漠河的现场试验检测，证明了这种剖面电容传感器基本能够满足土壤水分的检测需求，为冻土冻融过程中含水量的剖面检测提供了一种低成本的方案。

1 传感器的设计

1.1 测试原理

通常情况下，固态干土和冰的介电常数约为3～8，而水的介电常数约为80[17]，当土壤内部的水分或冰受温度影响发生相变时其内部介电特性会发生变化，因此对其电容值的研究可以实现冻土的未冻水含量检测[16-19]。本设计选用MPR121触摸电容感应集成芯片，能在有效降低传感器系统成本的前提下通过土壤介电特性进行土壤水分的测量。工作时需要首先对其内部恒流源设定工作电流I和时间T，然后进行及时电压采集并计算出电容值。其工作原理如图1所示。

图1 传感器的检测原理图

由物理知识可知，电压U与电容C的乘积是电量Q，而电量Q还可以通过恒定电流I和充电时间T获取，因此我们可以得出电压U与充电电流I、充电时间T之间的关系：

Q=CUQ=ITU=Q/C=IT/C

(1)

根据以上原理，设定MPR121的充电电流I和充电时间T，通过检测激励极板电压U(默认接收极板电压为0 V)，计算得到待测电容值C。在测量中可以直接得到模数转换电压值ADCcounts，通过式(2)得出充电电压U：

U=ADCcounts·Vdd/1 024

(2)

式中Vdd为驱动电压，再根据式(1)和式(2)可以得到待测电容值C：

C=(IT×1 024)/(ADCcounts·Vdd)

(3)

为了确保MPR121工作的稳定性与可靠性，经过大量实验，对其默认的工作电流I和工作时间T分别设置为16 μA和4 μs。

1.2 系统结构

图2(a)为剖面电容传感器的外观结构图，其中极板和屏蔽层由印刷电路板(PCB)构成，并与温度传感器同主PCB进行电气一体化连接。为了方便传感器的现场安装测量，整个极板表面覆有绝缘层并采用防水胶对电路进行灌封处理，而传感器屏蔽层的作用是在检测中减少寄生电容对检测结果的影响。

(a)外观结构图

剖面电容传感器的系统框图如图2(b)所示，整个系统由传感器、数据采集和监控中心组成。其中传感器部分直接通过数据采集部分的触摸电容感应集成芯片MPR121进行数据采集。数据采集部分包括主控制芯片MSP430F1611、MPR121、SD卡模块、时钟模块以及GPRS通信模块。监控中心主要功能是在上位机完成数据的接收。系统工作时，主控制芯片命令触摸电容感应集成芯片MPR121给电容极板充电，紧接着经过其内部ADC进行电压采集，随后将采集到的数据返回至主控制芯片，在执行其命令后储存于SD卡中。等待至规定的时间点，控制芯片将储存在SD卡中的数据通过GPRS传至监控中心。

2 传感器的标定

将所设计传感器采集到的电容值以时域反射仪CS616所测到的土壤水分含量值为标准进行标定，通过数据拟合确定其电容值与土壤水分含量之间的关系。具体流程为：首先将2种传感器同时放入装有配置均匀、水分饱和的土壤的圆筒容器中；然后将整个容器放入-30 ℃的低温试验箱中进行48 h的冷冻；最后将整个容器置于室温环境中进行解冻，利用时域反射仪CS616对解冻过程中冻土的体积含水量(VWC)进行检测，并同时用布设的电容传感器采集这一过程中对应的电容值。如图3所示。

(a)低温试验箱的冻结

(b)室温环境中的解冻

图4为使用电容传感器检测得到的5组数据。从图中可以看出5组数据的测试结果相近，数据误差值较小。

图4 5次实验采集的电容曲线图

从图5可以看出5组数据的均值与标准偏差变化情况，其变异系数最小为1.4%，最大为6.4%。从图6可以看出，冻土冻融过程含水量值与电容值有着较强的相关性，冻土冻融过程含水量在30%以内时，其平均误差为3.83%；超过这个范围，其结果平均误差值达到5.2%。这主要是由于土壤水分含量变大导致土壤颗粒之间的紧实程度(黏着力)下降，这直接影响到传感器的检测环境，从而影响了电容值的检测[20]。图7为电容传感器检测到的冻土冻融过程含水量值与时域反射仪CS616检测值的拟合结果图，其决定系数R2为0.969，表明具有较高的测量精度。

图5 均值与标准偏差曲线图

图6 电容值与冻土冻融水分含量关系图

图7 电容与土壤水分含量拟合曲线图

为了进一步验证剖面电容传感器的稳定性和可重复性，在相同环境下继续进行验证实验。实验结果如表1所示。通过数据分析知道，多次测量结果的最大误差为4.45%。这表明传感器具有较高的稳定性。

表1 电容传感器验证结果

3 现场试验

传感器的野外现场测试时间为2017年4月3日至2017年12月8日，为期208 d。测试地点选择在黑龙江漠河的冻土区(53°28′40″N，122°21′34″E)进行。漠河地处中俄界黑龙江南岸，全年平均气气温在-10 ℃以下，冬季漫长且寒冷，极端最低温度可降至-53 ℃。由于传感器在冬季冻土区的安装十分困难，所以选择在4月初进行安装，传感器的埋设深度分别为10 cm和20 cm。传感器的现场测试如图8所示。

(a)黑龙江漠河的实验现场(标记为安装位置)

(b)传感器安装现场图8 传感器的现场测试

图9为传感器在不同深度所测水分含量与对应温度随时间的变化曲线(每日9时数据)。从图9可以看出，传感器于2017年4月3日开始工作，冻土中的水含量维持在一定水平(10 cm处为10.9%；20 cm处为5.5%)，这一状态持续二十多天。冻土中的水含量在4月26日出现了明显的上升，10 cm处增加至13.7%，同比增长25.69%；20c m处增加至8.8%，同比增长60%。而同期对应地表下10 cm和20 cm处温度稳定维持在零上(10 cm处为1.2 ℃，20 cm处为1.6 ℃)。之后在4月28日20 cm处水分含量继续上升至9.2%，同期10 cm处水分含量保持不变。这一时期气温持续升高，地表的积雪融化，水分下渗，可能是导致冻土中水含量增加的主要原因。7月至9月期间，土壤水分含量存在上下波动的特点，其中10 cm处土壤中的水分含量长期保持在11.7%～15%之间，20 cm处保持在4.78%～8.8%之间，这种现象主要来自于土壤近地表面的蒸发或者降雨。9月底，土壤水分含量开始持续下降(地表下10 cm处土壤水分降至9%，20 cm处土壤水分降至5.5%)，同期温差变化较大。此后，冻土未冻结水含量逐渐降低并基本稳定。

(a)地表以下10 cm的含水量；(b)地表以下20 cm的含水量；(c)地表以下10 cm的温度；(d)地表以下20 cm的温度图9 传感器在不同深度所测含水量与对应 温度随着时间的变化曲线(每日9时数据)

4 结论

本文是基于冻土水分含量的介电常数差异而设计的一款剖面电容传感器，从实验室标定及实验结果可以看出，所设计的电容传感器与时域反射仪CS616在含水量为30%以内时，其平均误差为3.83%，超过此范围的平均误差为5.2%，拟合公式得到决定系数R2为0.969。经过对黑龙江漠河县冻土区实验点为期208 d的现场观测，从实验结果可以看出该地点的表层冻土在4月底出现了消融现象(累计温度在0℃以上)，在11月初出现了再次冻结的现象(累计温度在0℃以下)，反映出该地点冻土监测层冻融过程中含水量的变化情况。通过实验室和黑龙江漠河的现场测试，初步验证了所设计的低成本电容传感器对冻土冻融过程含水量检测的可行性，具有一定的现场应用价值。