基于平面电容的冻土检测传感器

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1、基于平面电容的冻土检测传感器摘要：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

2、号：TN710?34;TP212文献标识码：A文章编号：1004?373X（2015）02?0124?04FrozensoildetectionsensorbasedonplanarcapacitanceYUGuo?he1，LIPeng1，YELin?mao2，WUSu1，LIUFeng?lei1，ZHANGGuang?zhou2（1.The27thResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation，Zhengzhou450047，China;2.

3、HenanInstituteofMeteorologicalSciences，12Zhengzhou450003，China）Abstract：Intheexperimentofsoilfreezingandthawingprocess，throughtheanalysisandstudyofair，water，iceanddrysoildielectricproperties，itisfoundthatthephasechangeofwaterandiceinsoilresultsinthechangeofsoilt

4、otalcapacitance.BasedonthischaracteristicandthefrequencyresponseprincipleoftheLCoscillationcircuit，aplanarcapacitancebasedsensorforfrozensoillayereddetectionwasdesigned，whichrealizedthediscriminationofsoilfreezing/thawingstatesandautomaticmeasurementoffrozensoil

5、depth.Theexperimentresultfromcomparisonwiththatofartificialobservationprovesthatwhentherelativechangerateoftheunfrozenwatercontentinsoilismorethan0.3，thesoilhasbeenfrozen.Therefore，itisfeasibleforfrozensoildetectionsensorbasedonplanarcapacitancetodetectthefreezi

6、ng/thawingstateofsoil，andachievethedepthmeasurementoffrozensoil.Keywords：frozensoildetection;LCoscillatingcircuit;planarcapacitive;sensor120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

7、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

8、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12理想化平面电容计算公式[c=lεnπln（2b+aa