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。
文章在冻土组分的介电特性原理基础上,对空气、水、冰及干土的温度-介电特性进行了实验研究。研究发现,在温度变化过程中,冻土总介电常数的变化主要取决于水和冰相变,空气和干土对总介电常数影响基本可忽略。基于这一特性,提出了利用空气、固态土、水和冰介电常数的差异检测冻土的方法,并进行了典型土壤冻结介电特性实验。实验结果表明,土壤冻结过程中介电常数变化在数值上较为明显且容易辨别。因此,采用基于介电特性的平面电容传感器检测冻土的方法是可行的。
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。