摘 要： 在土壤冻融过程实验中，通过对空气、水、冰及干土的介电特性进行分析研究，发现了土壤中水和冰发生相变引起土壤总的电容发生很大变化，基于这一特性和LC振荡电路频率响应的原理，设计了一种基于平面电容分层检测冻土的传感器，实现了土壤冻融状态的判别和冻土深度的自动测量。与人工观测进行对比实验证明，当土壤中未冻水含量相对变化率在0.3以上时，土壤已经冻结。因此，利用基于平面电容的冻土检测传感器检测土壤的冻结状态，实现冻土深度自动化测量是可行的。
关键词： 冻土检测; LC振荡电路; 平面电容; 传感器
中图分类号： TN710⁃34; TP212 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）02⁃0124⁃04
Frozen soil detection sensor based on planar capacitance
YU Guo⁃he1， LI Peng1， YE Lin⁃mao2， WU Su1， LIU Feng⁃lei1， ZHANG Guang⁃zhou2
（1. The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Zhengzhou 450047， China;
2. Henan Institute of Meteorological Sciences， Zhengzhou 450003， China）
Abstract： In the experiment of soil freezing and thawing process， through the analysis and study of air， water， ice and dry soil dielectric properties， it is found that the phase change of water and ice in soil results in the change of soil total capacitance. Based on this characteristic and the frequency response principle of the LC oscillation circuit， a planar capacitance based sensor for frozen soil layered detection was designed， which realized the discrimination of soil freezing/thawing states and automatic measurement of frozen soil depth. The experiment result from comparison with that of artificial observation proves that when the relative change rate of the unfrozen water content in soil is more than 0.3， the soil has been frozen. Therefore， it is feasible for frozen soil detection sensor based on planar capacitance to detect the freezing/thawing state of soil， and achieve the depth measurement of frozen soil.
Keywords： frozen soil detection; LC oscillating circuit; planar capacitive; sensor
0 引 言
冻土是地面气象观测领域很难实时自动观测的物理指标之一。目前我国气象部门冬季对冻土的检测方法基本上采用达尼林冻土器或人工挖坑进行，冻土自动观测更是我国地面气象观测与灾害预警系统的一个技术和设备盲区。国内外应用的冻土检测技术主要包括以下三种：一类是直接测量法（如人工坑挖或冻土钻凿洞法），缺点是观测不方便，劳动强度大，数据密度不够，不能实时监测土壤冻融深度及其发展变化情况;二类是达尼林冻土器[1]通过人工摸测水的冻结情况来判断冻土深度，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）温度与纯水的冻结温度并不相同，用该方法测量冻土深度并不科学;三类是遥感法[2]，是近几年国外研究者关注的热点，实现了区域或全球尺度的冻土深度探测，缺点是无法掌握局部范围冻土层结构内部的生消变化过程，难于应用到地面气象观测领域的冻土深度测量。利用平面电容传感器进行冻土检测，能够很好的解决上述问题。平面电容冻土传感器即将电容的两极板设计在同一平面上，并将其接入振荡器的LC谐振回路中，通过检测振荡频率的变化，判断土壤的冻结状态，利用垂直分层检测的思路，计算出冻土层的深度，实现冻土深度的自动监测。
1 空气、水、冰及干土的电容值随温度变化特性
理想化平面电容计算公式[c=lεnπln（2b+aa）]，电容量的大小取决于介电常数ε，电容两极板的间距a，电容极板的宽度b和电容极板的长度l。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数ε不同而变化[3]。
这里将土壤视为由空气、水或冰及固态土组成[4]，常温下，空气的介电常数约为1，水的介电常数则约为80，冰的约为3～4，固态土约为3～8。由于电容量的变化会受土壤总介电常数[εn]的影响，[εn]为整体土壤按照体积比例混合的相对介电常数（[εn=inViεi]）。其中：Vi 为土壤中物质i的体积占整体体积的比例;[εi] 为土壤中物质i的相对介电常数。 实验中选用单一平面电容传感器对空气、水、冰和固态干土在温度为13～-13 ℃范围内进行电容测量，测量电路采用调频电路，通过检测LC振荡频率推导出电容大小，即 [c=14π2f2L]，其中L为固定电感大小，f为振荡频率，得到结果如图1所示。对曲线的结果分析可知，当电容两极周围的介质是空气时，电容值随温度的变化趋势不明显，几乎稳定在15.44～15.49 pF之间，而电容两极周围的介质是水、冰或冰水混合物状态时，电容值随温度变化与介质为空气时有明显的差异。温度在13～0 ℃范围内变化时（介质为完全液态状的水），电容值由25.17 pF降低到25.01 pF;在0 ℃时水开始结冰，水由液态水相变为固态冰，介电常数变化很大，电容值发生阶跃跳变。温度继续下降，当其在0～-13 ℃时，电容值在17～19 pF范围内单调减小。当电容两极周围是干土时，电容随温度的变化在16.3～16.7 pF之间单调变化。 综上所知，温度变化过程中，土壤总电容的变化主要取决于水和冰相变，空气和干土对土壤的总电容影响基本可忽略。
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图1 空气、水、冰及干土的电容值随温度变化曲线图
2 冻土检测的基本原理
把电容的两极板设置为长条形，并排列在同一平面上，成为平面电容传感器。当不同介电常数的介质靠近平面电容传感器时，电容值发生变化，通过检测LC振荡电路上由于电容变化引起的振荡频率的变化，便能确定电容周围不同的介质。单一同面电容传感器的理想模型[5]如图2所示。单一平面电容电场线示意如图3所示。
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图2 单一同面电容传感器模型
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图3 单一平面电容电场线示意图
多组平面电容传感器[6⁃7]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，电容值发生变化，通过检测各层LC振荡电路上由于电容变化引起的振荡频率的变化，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。
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图4 多组平面电容传感器模型及电场线分布示意图
气象领域冻土观测深度最深达到3.2 m。为了能够检测出冻土深度，提出了分层检测的思想，即在检测过程中，把土壤的垂直剖面从上到下，依次按照冻土层和未冻土层进行分层检测，各层内都设置一个平面电容传感器，由于各层内介电特性不同，各层感应电容保持在不同的范围，表现在各层的振荡频率不同。测量冻土深度时，检测振荡频率发生跳变的电容传感器，就可以确定土壤的冻融界面，也就能够计算出冻土深度。测量原理如图5所示。
3 传感器设计与实验
3.1 传感器结构设计
由于冻土深度是从上到下垂直测量，结合自主研制的土壤水分传感器[8⁃9]一些现场安装的经验，从整体上采用插管式结构，基本结构示意图如图6所示。外形安装结构选定后，需要对传感器内部结构进行合理设计，传感器内部主要有电容两极板的布设，检测电路板的布设。电容两极板布设时尽量避开其他金属物，以避免对电容的电场造成干扰;检测电路布设时要尽可能把电路板直接与电容的两极板焊接，不要用导线，以免导线带来寄生电容。
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图5 平面电容式冻土传感器测量原理示意图
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图6 传感器基本结构示意图
为了更好地保证电容两极板的密封，在布设电极前，选用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，绝佳可挠性的柔性印刷电路板，一般敷设0.02 mm左右，电容两极板间隔11 mm，电容极板宽度4 mm，电容极板长度16 cm，每2.5 cm设置一对电容极板。把电容布设好后，柔性电路板上留有每个电容两极焊接的焊盘，直接把电容两极与检测电路板焊接，避免了导线的连接。传感器内部布设完成后，固定在PVC材质的内芯上，用橡胶材质填充材料进行填充，卷成圆柱形，然后套上热缩膜，再用热风机轻吹，保证紧缩密封。测量时，将PVC套管通过专用安装工具埋入土壤中，然后将传感器，插入PVC套管中即可对土壤冻融状态进行实时检测。
3.2 传感器电路设计
3.2.1 传感单元设计
传感单元主要完成土壤水分和温度的测量。由检测电容、信号处理电路、温度传感器和接口电路组成，如图7所示。
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图7 传感单元原理框图
3.2.2 检测电容和温度传感器的设计
检测电容是传感单元的敏感器件，周围水分的变化即是电容的介质变化，于是电容值就会改变，从而引起LC振荡器的振荡频率变化。检测电容采用柔性电路板工艺，柔性电路板中的覆铜作为LC振荡电路的一部分，即电容的两个电极，土壤作为电容的介质，土壤水分的变化引起电容的变化，从而引起振荡频率的变化，振荡电路的振荡频率变化在65～110 MHz之间。柔性电路板上还安装有DS18B20温度传感器，在供电后，处理单元可以通过特征码，分别采集各个温度传感器的数据。
3.2.3 信号处理电路的设计
信号处理板由振荡电路和分频电路组成，主要把检测电容的容量变化变换为频率变化，然后对该高频信号分频后输出到接口板。振荡电路采用LC振荡器。核心器件是压控振荡放大器MC1648。为了ARM微处理器计数器的正常工作和便于传输，该频率需要等比例地降低，这就是分频电路的工作。分频比设定为2 048，这需要两级分频器来完成，前一级采用12015，分频比为64，后一级采用SN74HC4040D，分频比为32。为了保证频率传输稳定可靠，信号幅度为12 V，如图8所示。
3.3 土壤冻结实验
利用分层理论检测冻土深度，电容传感器分别处于不同的介质中，理想情况下，各层传感器测量的频率数据为二段阶梯状，可以直接通过单点阈值判断找出分界点，但是在实际测试中，由于土壤性质及受温度及传感器其他参数的影响，数据并不是理想的二段阶梯状，虽然有二段阶梯状的趋势，但仅通过单点固定阈值去判断的话很容易导致判断的结果与实际不符。
由于传感器本身的特性，导致同一层传感器测量的频率值在相同的测量环境下会出现不一致的现象，为此定义传感器在空气中频率相对量为1，在水中的相对量为0，将传感器在空气和水中的频率做归一化处理，这样，虽然测量频率是不同的，但是测量频率在以空气频率[fa]和水中频率[fw]为端点的区间内的相对位置是相同的，即[SF=Fa-FsFa-Fw]。式中：SF为归一化频率;[Fa]为传感器悬浮在空气中的频率;[Fw]为传感器处在水中的频率;[Fs]为传感器在土壤中测得的频率;将测得的归一化频率SF带入工程模型中：θ=a*（SF-C）b，求得土壤含水量θ，其中a，b，C为拟合参数。
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图8 信号处理电路原理图
由于每层传感器对应土壤的初始含水量不同，土壤冻结后，测量的未冻水含量是不同的，为此定义土壤水分相对变化率为：
[Δθ=θt0-θtθt0]
传感器测量时，根据每层传感器的土壤水分相对变化率跟阈值比较，就可以判断该层传感器所测量的土壤是否冻结，计算出冻结的层数和冻土的深度及其上下限等信息。
表1是4天人工观测的冻土深度和传感器对应测量深度的土壤未冻含水量及相对变化率的数据。图9是土壤冻结过程中土壤水分相对变化率的变化曲线。从图中可反映出土壤水逐渐相变成冰的过程。经过和人工观测的数据对比验证，当水分相对变化率在0.3以上时，确定该层土壤已逐渐冻结。
表1 青海省刚察县冻土自动观测数据
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图9 水分相对变化率随时间变化曲线
4 结 语
通过实验对空气、水、冰及干土的介电特性进行了分析研究，可看出土壤中水和冰发生相变后电容变化较为明显，可以很方便的分辨出土壤的冻结状态，据此设计了一种基于平面电容分层检测冻土的传感器，经过土壤冻结过程实验确定这种实时测量的方法是可行的，并且这种传感器结构简单，易于安装，非常适合野外无人值守自动化监测。
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