本發(fā)明涉及氣象觀測(cè)中凍土測(cè)量的傳感器。

背景技術(shù)：

凍土深度的測(cè)量數(shù)據(jù)是道路、建筑、輸油、輸水等工程建設(shè)不可或缺的基礎(chǔ)信息，更是春季種植、農(nóng)作物品種調(diào)整等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的依據(jù)。凍土深度的觀測(cè)包括土壤凍結(jié)層數(shù)和凍結(jié)深度的觀測(cè)，是我國(guó)大部分地區(qū)氣象臺(tái)站的基本觀測(cè)任務(wù)之一。

我國(guó)凍土深度觀測(cè)采用《tb1-1型凍土器》人工觀測(cè)的方法。國(guó)外凍土觀測(cè)一般采用《丹尼林式凍土器》也是人工觀測(cè)的方法，測(cè)量原理相同，即觀測(cè)員每天定時(shí)將深入地下0.5～4.5米刻畫有長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)的注水軟膠管提出地面，用手逐厘米的捏掐軟管的硬度來(lái)判斷膠管內(nèi)的水是否結(jié)冰來(lái)判斷地下土壤的凍結(jié)層數(shù)和凍結(jié)深度。這種人工測(cè)量方法不僅觀測(cè)人員辛苦、也存在著刻畫長(zhǎng)度的標(biāo)尺熱脹冷縮帶來(lái)的誤差和人員主觀操作的捏掐、彎折破壞原有自然凍結(jié)狀態(tài)帶來(lái)的判斷誤差。截止目前，國(guó)內(nèi)還沒有凍土觀測(cè)的自動(dòng)化儀器設(shè)備，雖有人試圖采用時(shí)域放射法、電容測(cè)量法、光電測(cè)量法、溫度測(cè)量法等來(lái)設(shè)計(jì)凍土傳感器，但均由于測(cè)量?jī)鐾恋木葻o(wú)法達(dá)到1厘米，且傳感器加工復(fù)雜在多層次凍土的測(cè)量上存在較大難度，也不利于較深層次凍土的測(cè)量，故沒有得到推廣應(yīng)用。

隨著我國(guó)氣象觀測(cè)自動(dòng)化程度的提高，諸多氣象觀測(cè)要素先后實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測(cè)，現(xiàn)代化的地面氣象自動(dòng)化系統(tǒng)逐漸形成。為了填補(bǔ)我國(guó)自動(dòng)觀測(cè)凍土方法的空白，增加觀測(cè)凍土的可靠性、減少人為誤差、提高氣象自動(dòng)觀測(cè)水平，急需研制一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化遙測(cè)凍土的傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、觀測(cè)精度高（1cm）性能穩(wěn)定、可以廣泛應(yīng)用于氣象自動(dòng)化系統(tǒng)中的凍土觀測(cè)傳感器。

由理論和實(shí)踐得知：土壤發(fā)生凍結(jié)的實(shí)質(zhì)是土壤所含水份的凍結(jié)，土壤凍結(jié)的熱物理過(guò)程在主要方面仍保持水凍結(jié)過(guò)程的主要特征。土壤中存在的連續(xù)熱交換主要是通過(guò)熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行，地面某處同層土壤水平方向的溫度梯度趨于零，垂直方向的溫度梯度較大。基于含有導(dǎo)電粒子的水溶液在相變時(shí)的導(dǎo)電電阻會(huì)發(fā)生驟變這一“凍阻特性”，且這一特性的重現(xiàn)性又非常好的規(guī)律性特點(diǎn)，我們得到的啟示是：可以用非純凈水做感應(yīng)質(zhì)制成感應(yīng)元件，通過(guò)測(cè)量水的相變情況可以反應(yīng)同層土壤的凍結(jié)狀況。

本發(fā)明技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種凍阻式凍土傳感器，它由柱型傳感器主體件、地下外套筒、隔熱墊、連接插座、自動(dòng)采集器組合而成，其中所述柱型傳感器主體件由非金屬材料加工而成，內(nèi)部設(shè)若干個(gè)中心距為1cm的感凍泡腔，腔內(nèi)檢測(cè)電極、感凍泡連通槽、電極導(dǎo)線密封槽、注水孔、排水孔；柱型傳感器主體件外套箍有防漲膠管，置入地下外套筒中，上部穿過(guò)隔熱墊與連接插座連接；所述腔內(nèi)檢測(cè)電極嵌在感凍泡腔壁上，其導(dǎo)線經(jīng)電極導(dǎo)線密封槽與連接插座的座孔對(duì)應(yīng)按序依次排列連接；感凍泡腔和感凍泡連通槽由注水孔注滿自來(lái)水；所述自動(dòng)采集器置于連接插座的上部，內(nèi)設(shè)有電子轉(zhuǎn)換開關(guān)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、存儲(chǔ)器、供電電路、通訊接口和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)顯示；與凍土傳感器及上位機(jī)實(shí)現(xiàn)電路和傳輸信號(hào)的有效連接。

本發(fā)明與已知技術(shù)比較，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、科學(xué)合理、技術(shù)性能穩(wěn)定、觀測(cè)精度高（可達(dá)±1cm）、易于推廣應(yīng)用、解決了氣象觀測(cè)凍土自動(dòng)化的技術(shù)關(guān)鍵。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)縱剖示意圖。

圖2為本發(fā)明中柱型傳感器主體件結(jié)構(gòu)縱剖示意圖。

圖3為本發(fā)明中柱型傳感器主體件結(jié)構(gòu)橫剖示意圖。

圖4為本發(fā)明自動(dòng)采集器中單片機(jī)控制系統(tǒng)工作邏輯方框圖。

圖中

1-自動(dòng)采集器2-連接插座3-隔熱墊

4-傳感器主體件5-地下外套筒6-地面

7-傳感器主體件的柱型體8-感凍泡腔9-電極導(dǎo)線密封槽

10-感凍泡連通槽11-腔內(nèi)檢測(cè)電極12-防漲膠管

13-注水孔14-排水孔。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及制作使用方法：如圖所示本發(fā)明由柱型傳感器主體件（4）、地下外套筒（5）、隔熱墊（3）、連接插座（2）、自動(dòng)采集器（1）組合而成。其中，所述柱型傳感器主體件（4）采用直徑為18mm的非金屬材質(zhì)的固體材料加工，內(nèi)部豎直方向設(shè)有151個(gè)中心距離為1cm、直徑為8mm,長(zhǎng)為10mm的感凍泡腔（8），每個(gè)感凍泡腔（8）的豎直壁上嵌有一個(gè)直徑為1.5mm、長(zhǎng)6mm不銹鋼材質(zhì)的腔內(nèi)檢測(cè)電極（11），電極導(dǎo)線經(jīng)縱向4×5mm的電極導(dǎo)線密封槽（9）與連接插座（2）上的151個(gè)座孔對(duì)應(yīng)依次排列連接?？v向感凍泡連通槽（10）將151個(gè)感凍泡腔（8）連通，上設(shè)注水孔（13），下端設(shè)排水孔（14），注滿自來(lái)水，排盡氣泡后關(guān)閉排水孔（14）及注水孔（13）。再將傳感器主體件（4）外套箍一個(gè)硅橡膠防漲膠管（12），與已固定的連接插座（2）連接后一并插入ppe材質(zhì)的地下套筒（5）內(nèi)。在連接插座（2）的上部設(shè)有一個(gè)自動(dòng)采集器（1），自動(dòng)采集器（1）的內(nèi)部設(shè)有電子轉(zhuǎn)換開關(guān)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、存儲(chǔ)器、供電電路、通訊接口、并有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)顯示，各功能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效連接后就可以進(jìn)行自動(dòng)凍土檢測(cè)。自動(dòng)采集器提供傳感器的檢測(cè)電壓為ac12v。

使用時(shí)，接通電源，利用單片機(jī)控制系統(tǒng)控制電子轉(zhuǎn)換開關(guān)，按序逐個(gè)對(duì)相鄰的兩個(gè)腔內(nèi)檢測(cè)電極（11）間交流電壓數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)采集、判斷存儲(chǔ)，通過(guò)485傳輸方式傳入上位機(jī)告知，以此實(shí)施凍土的自動(dòng)檢測(cè)工作。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
凍阻式凍土傳感器，涉及氣象觀測(cè)中凍土測(cè)量的傳感器。它由柱型傳感器主體件、地下外套筒、隔熱墊、連接插座、自動(dòng)采集器組合而成，其中柱型傳感器主體件內(nèi)部設(shè)若干個(gè)中心距為1cm的感凍泡腔，腔內(nèi)檢測(cè)電極、感凍泡連通槽、電極導(dǎo)線密封槽、注水孔、排水孔；柱型傳感器主體件外套箍有防漲膠管，置入地下外套筒中，腔內(nèi)檢測(cè)電極嵌在感凍泡腔壁上，感凍泡腔和感凍泡連通槽由注水孔注滿自來(lái)水；自動(dòng)采集器置于連接插座的上部，內(nèi)設(shè)有電子轉(zhuǎn)換開關(guān)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、存儲(chǔ)器、供電電路、通訊接口和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)顯示；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、科學(xué)合理、技術(shù)性能穩(wěn)定、觀測(cè)精度高（可達(dá)±1cm）、易于推廣應(yīng)用、解決了氣象觀測(cè)凍土自動(dòng)化的技術(shù)關(guān)鍵。

技術(shù)研發(fā)人員：孫丘寧;任德發(fā);孫文良;孫玉珍;沙莉;姚遠(yuǎn)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：沈陽(yáng)新力新信息技術(shù)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：2017.03.31
技術(shù)公布日：2017.07.11