冻土及干土层测量传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种冻土及干土层测量传感器，该传感器包括用于数据计算、通讯、分时采集控制、采集单元分时供电的控制处理单元，以及接收控制处理单元的控制信号，进行频率信号分时采集的频率采集单元和接收控制处理单元的控制信号，进行温度采集的温度采集单元，通过供电线及通讯线与采集器连接。该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。采用高频电容测量技术，准确检测不同土壤水分，分辨率可达0.1%，误差±2.5%，测量温度范围-55℃～+85℃，测量精度±0.5℃。结构上采用柔性电路板，可提高垂直测量分辨率达2.5cm，重复性误差≤0.5%，任意两个传感器测量的一致性误差≤1%。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。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种用于冻土及干土层自动观测的仪器，特别是一种冻土及干土层测量的传感器。
技术介绍
国内外，在气象观测上传统的测量冻土深度的一般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o°c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，因此该方法的观测冻土深度并不科学，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土壤含水量。目前，自动测量土壤水分的传感器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，垂直分辨率也较低。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。
技术实现思路
本技术旨在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，提供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。本技术采用的技术方案如下该冻土及干土层测量传感器包括控制处理单元，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，接收控制处理单元的控制信号，进行频率信号分时采集；温度采集单元，接收控制处理单元的控制信号，进行温度采集。所述控制处理单元包括微处理器CPU、插座、多芯排线端子和电源转换单元；所述微处理器CPU具有多个IO接口连接所述多芯排线端子；所述插座为多芯插座连接采集器的电源及通讯线；所述多芯排线端子包括多个电源端子，多个开关控制信号端子以及频率信号端子和温度信号端子，该多芯排线端子通过排线分别连接频率采集单元和温度采集单元；所述电源转换单元将通过插座输入的电源电压转换成系统需要的电压；所述多个电源端子分别为频率采集单元的多路开关供电、为温度采集单元的温度传感器供电；所述多个开关控制信号端子控制多路电子开关，实现对频率采集电路的分时供电；所述频率信号端子和温度信号端子将多组频率采集电路采集到的频率信号和多个温度传感器采集到的温度信号分别汇聚到一根频率信号线和一根温度信号线，传送至控制处理单元进行处理计笪所述频率采集单元包括多路电子开关、多芯排线端子和多组频率采集电路；所述多芯排线端子与控制处理单元的多芯排线端子利用排线相连；多芯排线端子中相应的电源端子为多路电子开关供电，相应的电源端子接入多路电子开关的选择输入端；所述控制处理单元通过控制其多芯排线端子的开关控制端子上的控制信号，实现接入多路电子开关输入端的电源从多路电子开关的多个输出端分时输出，为多组频率采集电路提供分时供电和控制；所述多组频率采集电路的频率输出信号汇聚到频率采集单元多芯排线端子的频率信 号端子，最终传送至控制处理单元。作为上述频率采集单元进一步改进的方案，所述频率采集单元还包括多组连接温度采集单元上覆铜的电容接点、多个连接温度采集单元相应温度传感器的温度信号输出接点和连接温度采集单元的一组供电接点。上述频率采集电路包括电源转换单元G1、LC振荡电路Zl和分频电路D，所述电源转换单元Gl由所述控制处理单元在采集频率前供给电源VI，并将分时供电的电源Vl进行转换，转换后的电压VCCl分别给LC振荡电路Zl以及分频电路D供电；所述LC振荡电路Zl由电容C与电感L并联后连接谐振电路Yl组成，该LC振荡电路Zl的频率信号经分频电路D分频后生成频率输出信号F1，多组频率采集电路的频率输出信号输出至所述频率采集单元的多芯排线端子的频率信号端子，传送至控制处理单元进行频率处理计算。所述LC振荡电路Zl中的电容C是由该LC振荡电路Zl所设对应的电容接点连接温度采集单元的对应覆铜所组成。所述温度采集单元包括多个温度传感器和一组供电接点，每个温度传感器分别采集温度信号，通过对应的温度信号接点汇聚并传送至所述控制处理单元的温度信号端子，或者汇聚到所述频率采集单元的多芯排线端子的温度信号端子并最终传送至控制处理单元，由控制处理单元进行温度信号处理计算；所述供电接点连接所述控制处理单元的排线端子相应的电源端子，或者连接所述频率采集单元对应的电源端子，为温度传感器供电。作为上述温度采集单元进一步改进的方案，所述温度采集单元还包括多组等间隔的覆铜与对应电容接点；所述多组等间隔的覆铜和相应电容接点连接频率采集单元的对应电容接点，每两根等间隔的覆铜构成所述频率采集电路的LC振荡电路Zl的电容C。该冻土及干土层测量传感器实际制作，是将所述控制处理单元通过多芯电缆与频率采集单元连接，频率采集单元由相应的接点与温度采集单元连接，频率采集单元采用硬质电路板，固定在一根扁平的异型槽上，整个异型槽被绝缘泡沫材料包裹，温度采集单元采用柔性电路板，该柔性电路板再包裹在绝缘泡沫材料外部，整体用热缩薄膜包裹并热缩定型，安装时整个传感器被装入PVC保护管中，视要求垂直插入土壤中使用。整个冻土及干土层测量传感器基于电容式土壤水分测量技术和半导体测温技术，结构上采用柔性电路板工艺，土壤水分和温度测量传感元件设计集成到柔性电路板上，使其与管壁紧密接触，减少因机械加工问题引起的测量误差。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。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。我们将土壤视为由空气、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系数的影响，当部分水与冰之间发生相变，土壤的介电系数发生变化，导致土壤总电容量的值的改变。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，振荡电路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，其介电系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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冻土及干土层测量传感器，其特征在于：它包括：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，接收控制处理单元的控制信号，进行频率信号分时采集；温度采集单元，接收控制处理单元的控制信号，进行温度采集。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冶林茂，吴志刚，余国河，陈涛，张广周，李鹏，王艳斌，薛龙琴，牛素军，陈海波，李秀红，师丽魁，田宏伟，
申请(专利权)人：河南省气象科学研究所，中原光电测控技术公司，
类型：实用新型
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