为了满足气象要素观测自动化的需求,文章利用水的相态变化与电阻特性关系的原理,采用电阻法研制了冻阻式冻土传感器。结果表明:结合LC振荡电路频率响应变化,建立土壤冻融状态判别模型,获得了冻结层次和上下限深度。经过冻阻特性试验完成了过冷温度与起始冻结过程中电阻数据的测量。由单片机系统完成数据采集、计算、存储和传输等任务,可实现冻土观测自动化。

文章利用沈阳观测台站2007～2017年的冻土及深层地温的观测记录和2015年冻土自动观测设备与人工对比试验的观测数据,从温度变化因子对冻土自动观测设备的动态响应特性进行了研究分析。结果表明:季节性冻土的最大冻结深度与温度变化因子有一定的相关关系,在分析自动观测仪器的响应特性和传感器静态测试时,应考虑由热力因子之间,尤其是气温和直接接触传感器的温度之间的环境变化过程对冻结深度的影响及传感器响应带来的线性度和灵敏度的变化。

本文利用冰和水介电常数的显著差异实现对冻土的检测,对土壤中空气、水、冰及固态土的介电特性随温度变化的规律进行初步分析,提出冻土检测的基本原理。具体来讲,电容传感器建立于同一个平面的前提下,对土层能予以垂直插入,进而设置了分层检测流程。通过分析测量各层振荡频率的数值变化,可以确定各层电容传感器所处水平断面被测土壤的冻结状态,实现冻土深度的自动检测。

介绍了地温观测仪电缆传感器在G219线胜利桥至黑恰段多年冻土勘察中的应用探讨,通过使用电缆传感器观测分析得出G219线胜利桥至黑恰段多年冻土分布特征和参数,为G219线胜利桥至黑恰段多年冻土段落各类工程设计和处理提供了参考数据。

介绍了开展无线传感器网络在青藏铁路冻土监测领域应用研究的必要性,提出了青藏铁路冻土监测的无线传感器网络主要研究开发内容、应用场景、节点的硬件设计和软件设计。指出青藏铁路冻土监测的无线传感器网络应具备经济、高效、实时、便捷、节能的特点,能有效促进无线传感器网络的冻土监测示范系统的部署和建立。

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。

提出了利用半导体压力传感器自动化装置进行冻土区压力测量的方法。传感器的运行原理是依靠半导体导电层电阻变化与压力和温度变动之间的相关关系,从而在传感器温度已知的条件下,对压力进行估算。实验结果验证了这种方法的可行性。

介绍了一种冻土及干土层自动观测传感器,它主要由控制处理单元、频率采集单元和温度采集单元组成。传感器是基于电容式土壤水分测量技术和半导体测温技术实现冻土及干土层深度的测量。根据土壤含水量及地温,自动判断土壤某层是否冻结及是否为干土,并实现连续自动观测。该传感器可为农业生产管理、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。

冻土与未冻土中的介电常数和温度物理参数有一定的差异,且差异在数值上较明显。基于这一特性,提出了利用空气、固态土、水和冰物理特性存在差异的原理检测冻土的方法,设计了一种电容式冻土测量传感器,实现了土壤水分、地温及冻土深度多参数融合测量。通过与人工测量的冻土深度进行对比分析,结果表明:其相关系数达到了0.99,平均绝对误差小于2.5 cm,满足冻土自动测量技术要求,可应用于冻土观测站,代替人工观测。