冻土深度测量传感器及其检测方法
2018-07-13沙莉张艺萌李鹏支询
沙莉 张艺萌 李鹏 支询
摘 要:本文利用冰和水介电常数的显著差异实现对冻土的检测,对土壤中空气、水、冰及固态土的介电特性随温度变化的规律进行初步分析,提出冻土检测的基本原理。具体来讲,电容传感器建立于同一个平面的前提下,对土层能予以垂直插入,进而设置了分层检测流程。通过分析测量各层振荡频率的数值变化,可以确定各层电容传感器所处水平断面被测土壤的冻结状态,实现冻土深度的自动检测。
关键词:冻土检测;LC振荡电路;平面电容传感器
中图分类号:P642.14 文献标识码:A 文章编号: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
冻土是指土壤温度低于0℃并出现冻结现象、具有表土呈现多边形土或石环等冻融蠕动等形态特征的土壤。冻土是反映土壤热状态的一项指标,在研究地表和大气的热量交换上有重要意义。冻土具有冻胀和融沉特性,容易导致路基鼓胀、沉陷和房屋开裂变形[1],威胁着工程建设和交通运输安全。开展长期连续的冻土观测对交通、铁路和稳定运行以及工程建筑设计和农业发展有着十分重要的作用。气象冻土监测是维系干旱区绿洲发展和确保寒区生态系统稳定的重要保障,是冻土区生产建设的基本需求,是青藏、川藏等高原、寒冷地区必需面对的交通建设难题。
对于观测冻土而言,可靠的数据资料来源有气象观测站的人工观测数据,观测装置为TB1型冻土器,其原理是使用达尼林管中的水面冻结长度作为冻土深度的装置,该装置无法实现自动化和量值溯源。因此,长期以来,针对气象领域涉及的灾害预警及自动式的气象监测都将冻土监测视为监测难点,同时也构成了技术盲区[2]。在当前现状下,检测冻土的具体手段可以分成以下几类。第一是钻凿洞或者人工挖坑的直接检测法,该检测措施具有更优的直观性,但却不便于进行全方位观测,且劳动强度大,尤其是很难全面测定当前现有的冻融土壤深度;第二是通过运用冻土器来完成间接性的冻土测量[3]。但是,针对不同区域的土壤而言,其水溶液浓度、溶液成分及土壤质地都存在较大差异。此外,受到外界压力及其他因素给冻土测量带来的显著影响,上述测量方式很可能遗漏相应测量要素。第三类为利用遥感法对冻土进行探测,其能够覆盖全球尺度。但是,运用遥感法很难精确判定变化过程中局部冻土层的状态,而与之相应的冻土深度测定也缺乏精确度。
基于此,本文提出利用平面电容传感器实现对冻土深度的自动测定,此项措施符合自动化的全新冻土测量手段。
2 冻土的介电特性
冻土由于受到矿物密度、化学成分、浓度以及溶液成分等要素的影响,其现有的介电特性还可能关乎其中的温度与含水量[4]。在此次试验中,为了精确测定冻土的介电常数,选择固态干土作为研究对象,同时设置了试验必需的调频电路。首先精确检测振荡频率,进而归纳得出电容大小。推导出介电常数大小,即[εn=Cπ/ln (2b+aa)],其中a为电容两极板的间距,b为电容极板的宽度。对于电容两极板间距及电容极板宽度和长度固定的电容,其电容值C随电容电场感应范围内介质的介电常數ε的变化而变化。空气、水及干土的介电常数值随温度变化曲线如图1所示。
3 冻土深度测量传感器及检测方法
此次试验首先设置了长条形的两极电容板,确保在同一个平面内对其进行排列。利用其边缘效应,加上测量电路,构成平面电容传感器。在某些情形下,电容传感器如果呈现波动幅度较大的电容值,那么与之相应的介电常数也会体现出显著的差异性[5]。在电容频繁变化的状态下,振荡频率也会由此而出现波动,进而可以推测得出当前的介质特性及电容波动性。
单一同面电容传感器的理想模型[6,7]如图2和图3所示。
多组平面电容传感器是把单一平面电容两极板按照一定的距离排列在同一平面上。检测时,其中一个电容传感器加电,其余电容传感器不工作,当不同介电常数的介质靠近平面电容传感器时,电容值产生变化,通过检测各层LC振荡电路上由于电容变化引起的振蕩频率的变化,便能确定各层电容周围不同的介质。多组平面电容传感器模型如图4所示。
对冻土深度进行检测时,对其设置了必要的电容传感器,在此前提下给出分层检测的宗旨与思路。具体而言,对于垂直性的土壤剖面,应将其划分为较多的检测层次,然后将平面式的传感器设置于内部的各个土层部位上[6]。受介电特征的影响,振荡频率与感应电容都体现为差异性。为了实现对当前现有冻土深度的全方位测定,必须要给出冻融的土壤界面,进而对冻土深度予以精确运算。平面电容式冻土传感器测量原理如图5所示。
通过设置插管式的测量传感器,针对此次试验设置了柔性传感电路板,同时配备了传感检测单元。其中,柔性电路板本身具备优良的可靠性,其中含有聚酯薄膜及聚酰亚胺薄膜。对电路板进行印制时,应保证其具有优良的可挠性特征[7]。与此同时,电路板应设置较轻的自重、较薄的厚度及较高的配线密度。在柔性电路板的范围内,应配备相应的温度传感器及检测电容(间隔为2.5cm)。通过运用上述改进举措,能显著提升垂直性的分辨能力及系统测量能力。
具体而言,传感器设有控制处理板、提环、传感单元、异型槽与橡胶材质。在外侧的传感器位置上设置了保护套管,其中包含防水堵头与防雨水帽。为了保证这些设施实现精确安装,要在地下土层的特定位置上借助安装工具来完成插入处理[8]。在此前提下,在防护管的特定部位插入圆柱状的传感器。柔性电路板与橡胶本身具备优良的弹性,其中,管壁与测量元件之间能借助张力来实现紧密衔接。由此可见,运用上述处理手段便于进行实时性维护与安装,对原有的土层结构也能予以保护。
4 试验及数据分析
根据当前现有的气象测量规范,对特定时间段的地表温度及观测冻土时间予以精确把控。在开始冻结土壤时,确保将其限定于早上08:00的观测起始时间;对于终结观测的时间而言,对其需要限定为第二年彻底解冻。传感器能精确判定上述时间段的冻土状态,并且将其归入试验数据。通过运用全方位的人工对比方式,能归纳得出实时性的气象资料与冻土测量数值。在本次冻土测量中,资料与数据能覆盖2015年11月2日直到2016年04月05日。人工与机测冻土深度对比结果见表1。
人工测量冻土深度值与传感器测量值对比曲线如图7所示。
通过对比发现,冻土深度平均绝对误差小于3cm,但最大误差偏高。通过分析可知主要有两方面原因:第一,冻土器中水的冻结温度与土壤冻结温度并不相同,因此,冻土器冻结后,土壤并不一定冻结;第二,传感器是通过测量未冻水含量变化的多少来判断土壤冻融状态,然而土壤冻结的标准难以量化,无法定义土壤中含有多少冰晶,会使土壤冻结。因此,土壤冻结标准量化及确定是我们下一步要做的工作。
5 结论
冻土测量传感器垂直测量分辨力为2.5cm,虽然达不到人工冻土观测分辨力,但其优点是显而易见的,其利用土壤中水相变成冰的过程中介电常数差异的原理,直接测量土壤介电常数的变化来判断冻融状态,而不是通过温度来判断土壤的冻融状态,因此比冻土器更直接,且将土壤水分、地温和冻土深度测量集于一体,能做到连续自动观测土壤水分、地温和冻土深度的变化,减少了观测站人员的工作量,实现了我国地面气象观测领域中冻土观测的自动化。
参考文献:
[1]张廷军,张廷军,晋锐,等.冻土遥感研究进展——可见光、红外及主动微波卫星遥感方法[J].地球科学进展,2009(9):963-972.
[2]张廷军,晋锐,高峰.冻土遥感研究进展:被动微波遥感[J].地球科学进展,2009(10):1073-1083.
[3]徐敩祖,王家澄,张立新.冻土物理学[M].北京:科学出版社,2010.
[4]任亚民.冻土物理性质的变化分析[J].内蒙古电力技术,2003(s1):34-36.
[5]徐斅祖,邓友生.冻土中水分迁移的实验研究[M].北京:科学出版社,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]河南省气象科学研究所,中原光电测控技术公司.冻土及干土层测量传感器:ZL 2012 1 0054137.6 [P].2012.
[8]中国气象局.地面气象观测规范第14部分冻土观测:QX/T 58—2007[S].北京:气象出版社,2007.