一种冻土水热参数测量传感器的制作方法

1.本发明涉及冻土观测设备技术领域，特别是涉及一种冻土水热参数测量传感器。


背景技术：

2.我国是世界上多年冻土分布面积的第三大国。多年冻土和季节性冻土区分布面积分别占全国面积的21.5％和53.5％。冻土变化对生态、水文、气候、农业和工程建设的影响日渐突出，冻土的长期定位监测已经成为冰冻圈、生态、水文、气候、农业和寒区工程建设等方面深化研究和解决重大科学和工程问题的重大需求。
3.冻土活动层又称为季节融化层，是地表和多年冻土层之间受季节影响能够冻结和融化的土层，作为多年冻土与大气之间的“缓冲层”，是多年冻土与大气间水热交换的过渡层，是联系大气圈、水圈、生物圈的纽带，其变化不仅影响土壤自身的水热力特性，改变土壤内部的水热平衡，而且会对水循环、能量交换、碳循环、生态系统、气候系统等产生重要的影响。多年冻土与大气之间的相互作用主要是通过活动层内水热过程来实现的。研究多年冻土区活动层土壤的水热状况，对深入了解土壤活动层的厚度变化特征、下垫面的热力作用以及对气候变化预测均有重要意义。
4.我国现有的冻土观测业务中主要观测冻土深度，不涉及对其他冻土活动层变化所依赖的含水特征、地中热流等关键水热参数，观测不够全面，而且自动化程度不够高，造成人力和物力的浪费。因此，如何提供一种针对冻土水热参数的测量传感器，提高长期测量的准确性和全面性，是我们亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种冻土水热参数测量传感器。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种冻土水热参数测量传感器，包括：热通量传感器、冻土传感器、采集器、数据处理单元和通讯传输装置；
8.所述采集器分别与所述热通量传感器、所述冻土传感器、所述数据处理单元和所述通讯传输装置连接，所述热通量传感器用于采集冻土热通量，所述冻土传感器用于采集冻土水分、冻土活动层厚度和冻土温度信息；所述数据处理单元用于根据所述采集器传输的所述冻土热通量、所述冻土水分、所述冻土活动层厚度和所述冻土温度信息进行计算，得到冻土水热关键参数信息及设备状态信息；所述通讯传输装置用于将所述冻土热通量、所述冻土水分、所述冻土活动层厚度和所述冻土温度信息、所述冻土水热关键参数信息及所述设备状态信息通过网络进行传输。
9.优选地，还包括供电系统；
10.所述供电系统分别与所述采集器、所述数据处理单元和所述通讯传输装置连接。所述供电系统用于为所述热通量传感器、所述冻土传感器、所述采集器、所述数据处理单元和所述通讯传输装置进行电能供应。
11.优选地，还包括存储器；
12.所述存储器与所述数据处理单元连接，所述存储器用于对存储数据帧；所述数据帧中的信息包括所述冻土水热关键参数信息及所述设备状态信息。
13.优选地，所述通讯传输装置通过无线网络或有线网络与中心站连接。
14.优选地，还包括主立杆、机箱、太阳能板和防护管；
15.所述主立杆垂直设置在目标地面上；所述太阳能板和所述机箱均设置在所述主立杆上；所述采集器、所述数据处理单元和所述通讯传输装置均设置在所述机箱中；所述热通量传感器设置在所述目标地面的土壤中；所述防护管埋设于所述目标地面的土壤内；所述冻土传感器设置在所述防护管中；所述太阳能板与所述供电系统连接。
16.优选地，还包括避雷针；
17.所述避雷针设置在所述主立杆的顶端。
18.优选地，所述存储器为flash存储器。
19.优选地，所述供电系统包括相互连接的蓄电池和电源控制模块。
20.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
21.本发明提供了一种冻土水热参数测量传感器，包括：热通量传感器、冻土传感器、采集器、数据处理单元和通讯传输装置；所述采集器分别与所述热通量传感器、所述冻土传感器、所述数据处理单元和所述通讯传输装置连接，所述热通量传感器用于采集冻土热通量，所述冻土传感器用于采集冻土水分、冻土活动层厚度和冻土温度信息；所述数据处理单元用于根据所述采集器传输的所述冻土热通量、所述冻土水分、所述冻土活动层厚度和所述冻土温度信息进行计算，得到冻土水热关键参数信息及设备状态信息；所述通讯传输装置用于将所述冻土热通量、所述冻土水分、所述冻土活动层厚度和所述冻土温度信息、所述冻土水热关键参数信息及所述设备状态信息通过网络进行传输。本发明实现了对冻土水分、冻土热通量、冻土活动层厚度、冻土温度的自动多要素观测，解决冻土人工观测难的问题，提高工作效率、增强观测资料的客观性、减少人为误差、提高业务的时效性和针对性。且根据本发明提供的实施例中的技术方案，能够建立冻土自动监测网络，使冻土观测数据多元化，更好的发挥其价值，更好的服务于生态、水文、气候、农业和工程建设等领域。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明提供的实施例中的测量传感器组成框图；
24.图2为本发明提供的实施例中的安装结构和现场实施示意图。
25.附图标记说明：
26.1-避雷针，2-主立杆，3-机箱，4-太阳能发电装置，5-水泥浇筑基础，6-热通量传感器，7-防护管，8-冻土传感器。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本发明的目的是提供一种冻土水热参数测量传感器，能够实现对冻土水分、冻土热通量、冻土活动层厚度、冻土温度的自动多要素观测，解决冻土人工观测难的问题，提高工作效率、增强观测资料的客观性、减少人为误差、提高业务的时效性和针对性。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
30.图1为本发明提供的实施例中的测量传感器组成框图，如图1所示，本发明提供了一种冻土水热参数测量传感器，包括：热通量传感器、冻土传感器、采集器、供电系统、存储器、数据处理单元和通讯传输装置。
31.所述采集器分别与所述热通量传感器、所述冻土传感器、所述数据处理单元和所述通讯传输装置连接，所述热通量传感器用于采集冻土热通量，所述冻土传感器用于采集冻土水分、冻土活动层厚度和冻土温度信息；所述数据处理单元用于根据所述采集器传输的所述冻土热通量、所述冻土水分、所述冻土活动层厚度和所述冻土温度信息进行计算，得到冻土水热关键参数信息及设备状态信息；所述通讯传输装置用于将所述冻土热通量、所述冻土水分、所述冻土活动层厚度和所述冻土温度信息、所述冻土水热关键参数信息及所述设备状态信息通过网络进行传输；所述供电系统分别与所述采集器、所述数据处理单元和所述通讯传输装置连接。所述供电系统用于为所述热通量传感器、所述冻土传感器、所述采集器、所述数据处理单元和所述通讯传输装置进行电能供应。所述存储器与所述数据处理单元连接，所述存储器用于对存储数据帧；所述数据帧中的信息包括所述冻土水热关键参数信息及所述设备状态信息。
32.优选地，所述通讯传输装置通过无线网络或有线网络与中心站连接。所述存储器为flash存储器。所述供电系统包括相互连接的蓄电池和电源控制模块。
33.本实施例中的测量传感器主要包括：冻土热通量传感器，冻土传感器，采集器、数据处理单元、flash(非易失型存储介质)、通讯传输装置、供电系统和其他辅助设备组成。其中冻土热通量传感器、冻土传感器、采集器、数据处理单元为核心器件。所述采集器通过模拟量接口与冻土热通量传感器相连，通过rs-485通讯线与冻土传感器相连，获取冻土热通量信息、冻土水分(未冻水含量)信息、冻土活动层厚度信息、冻土温度信息并存储在flash中；另一端连接数据处理单元，对采集的冻土热通量、冻土水分、冻土活动层厚度、冻土温度信息进行处理分析。所述数据处理单元对原始数据进行计算和处理，并将实时测量的土壤数据(包括冻土活动层厚度、冻土水分、冻土温度、土壤热通量)和设备状态数据(包括设备工作状态、加热部件状态、通信状态等)转换为标准数据格式并传输给通讯传输装置。所述通讯传输装置将标准数据格式上传至中心站。
34.所述采集器能够从热通量传感器及冻土传感器采集到原始数据后进行两方面的处理：第一是将冻土热通量、冻土水分(未冻水含量)、冻土活动层厚度、冻土温度数据送入数据处理单元进行处理分析，获得冻土水热状态参数及设备状态数据并存储到flash中；第
二是采集设备状态数据，包括通信状态、加热部件状态、传感器工作状态等，添加时间等信息，对原始数据进行统一命名，并转换为通用的文件格式保存到flash中。
35.所述冻土传感器，具体实施时基于土壤冻融过程中水与冰相变后介电常数发生改变的特性，利用lc振荡电路频率响应变化的原理，将土壤介电常数转换为频率信号，通过分析土壤冻结前后频率的变化规律，结合温度建立土壤冻融状态判别模型，判别土壤冻融状态。其特点是直接测量土壤，实现了土壤水分、冻土活动层厚度、地温、干土层厚度等多参数测量，该传感器精度高，稳定性好，满足冻土水热参数观测的要求。
36.所述热通量传感器在具体实施时选用可以进行自动标定的热电堆传感器，该热电堆测量传感器内部陶瓷-塑料复合材料体的温差，该传感器是一种被动传感器，不需要外部电源，传感器输出的电压信号与通过传感器的热通量成正比，通过传感器自带的加热器，可以对传感器进行加热，通过计算加热器产生的热量对热通量传感器进行自动标定，该传感器测量范围大，测量精度高，满足冻土热通量测量的要求。
37.所述数据处理单元在具体实施时可采用高性能，高精度嵌入式微处理器，例如fpga或dsp实现。数据处理单元对输入的冻土热通量、冻土水分、冻土活动层厚度、冻土活动层厚度的数据进行处理分析，获得多年冻土活动层土壤的水分、温度、热通量及厚度等水热关键参数时空分布规律判断，并判断各模块的工作状态是否正常，获得准确的冻土水热关键参数信息及设备观测状态参数后将数据返回给存储器进行存储和返回通讯模块进行网络传输。
38.所述通讯传输装置在具体实施时采用通讯模块，接受到数据处理单元传输的数据后，可以进行有线通信及无线通信。有线通信可以通过rs-232或rs-485接入综合集成硬件控制器或终端计算机，实现与上位机的数据通信；无线通信可以通过gprs/4g等无线传输方式，将数据通过网络传输至中心站。
39.所述供电系统在具体实施时包括太阳能装置、蓄电池、电源控制器组成，为传感器、采集器、数据处理单元等模块供电。在使用外部供电时，电源控制器将外部电源转换输出为系统供电，并对蓄电池进行充电；在使用太阳能供电时，太阳能经转换为系统供电；在没有外部供电时，蓄电池可以保证冻土水热环境自动观测仪运行七天以上。
40.优选地，还包括主立杆、机箱、太阳能板、避雷针和防护管；所述主立杆垂直设置在目标地面上；所述太阳能板和所述机箱均设置在所述主立杆上；所述采集器、所述数据处理单元和所述通讯传输装置均设置在所述机箱中；所述热通量传感器设置在所述目标地面的土壤中；所述防护管埋设于所述目标地面的土壤内；所述冻土传感器设置在所述防护管中；所述太阳能板与所述供电系统连接。所述避雷针设置在所述主立杆的顶端。
41.图2为本发明提供的实施例中的安装结构和现场实施示意图，如图2所示，具体实施时，在测量点使用水泥浇筑基础5后，安装主立杆2，整体立杆长约3米，避雷针1安装在立杆顶端，太阳能发电装置4(本实施例中的太阳能板)安装在约2.5m位置，机箱3安装在约1.5m位置上；选择密闭性好，可以防水防风，能在恶劣环境下保护设备的机箱，将所述采集器、数据处理单元、存储器、通讯传输装置、蓄电池等设备封闭安装在机箱3内，机箱3应安装在北边；热通量传感器6安装在土壤5cm深度的位置；冻土传感器8长约1.6m，应安装在南边，需插入冻土内部，安装冻土传感器8时首先使用专用安装工具把防护管7打入地下土壤中，对防护管7进行底部密封后，将传感器8插入防护管7，传感器0cm测量单元与防护管0线刻度
要平齐，并与地表在同一水平面上，最后拧紧密封帽即可。这种装置结构和安装方式不破坏土层，安装维护方便，较为理想。
42.本实施例可对数据进行存储和管理，能够存储近六个月(可调整)的冻土热通量、冻土水分、冻土活动层厚度、冻土温度以及设备工作状态信息，并可以进行检索和查询数据；本装置可以连接互联网，将获取的土壤水热参数信息和设备工作信息通过无线网络传输到中心站服务器，无需定期到设备安装处导出数据，节省了人力、物力。
43.本发明的有益效果如下：
44.本发明通过一种冻土水热参数测量传感器采集冻土水热参数信息，包括冻土热通量、冻土水分、冻土活动层厚度、冻土温度等水热关键参数信息，本发明的使用可以提高观测精度，减少对人力、物力的资源消耗，提升冻土观测效率。
45.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
46.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。