(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210890731.2 (22)申请日 2022.07.27 (71)申请人 电子科技大 学 地址 611731 四川省成 都市高新区 （西区） 西源大道 2006号 (72)发明人 赵宏涛　刘海隆　周良军　沈淳懿　 黄欣悦　黎园园　 (74)专利代理 机构 成都虹盛汇泉专利代理有限 公司 51268 专利代理师 王伟 (51)Int.Cl. G01D 21/02(2006.01) H04W 4/14(2009.01) (54)发明名称 一种多功能冻土物理特性监测设备与数传 系统 (57)摘要 本发明公开一种多功能冻土物理特性监测 设备与数传系统， 应用于传感器设计及环境监测 领域， 针对现有技术难以在实际野外环境中测定 冻土物理特性的问题， 本发明首先提出一种多功 能冻土物理特性监测设备， 可以有效采集冻土的 温度、 电导率、 介电常数； 然后再提出基于 无线传 感器通信和北斗短报文通信的数传系统， 将在极 端环境下采集到的冻土温度、 电导率、 介电常数 数据， 传输至用户端， 一方面降低的冻土数据采 集成本， 另一方面提高了冻土多个重要物理性质 参数监测精度和时空连续 程度。 权利要求书1页 说明书5页 附图5页 CN 115218960 A 2022.10.21 CN 115218960 A 1.一种多功能冻土物理特性监测设备， 其特征在于， 包括： 信息采集模块与传感器， 所 述信息采集模块与传感器相连； 所述传感器包括： 介电常数测量模块、 电导率测试模块、 温 度测量模块以及MCU， 介电常数测量模块根据信息采集模块采集的信息在MCU的控制下进 行 冻土介电常数测定； 电导率测试模块根据信息采集模块采集的信息在MCU的控制下进行电 导率测定； 温度测量模块 根据信息采集模块采集的信息在M CU的控制下进行温度测定 。 2.根据权利要求1所述的一种 多功能冻土物 理特性监测设备， 其特征在于， 所述信 息采 集模块包括四根探针， 依次记为1号探针、 2号探针、 3号探针、 4 号探针。 3.根据权利要求2所述的一种 多功能冻土物 理特性监测设备， 其特征在于， 进行温度测 定时， 将两线制微型铂热电阻Pt100铠装入1号探针的靠近针尖5cm处， MCU通过 获取Pt100的 电阻值， 根据Ptl0 0阻值与温度为近似线性关系， 得到温度测定值。 4.根据权利要求2所述的一种 多功能冻土物 理特性监测设备， 其特征在于， 进行冻土介 电常数测定时， 2号探针作为高频信号的发射探针， 2、 3号探针与周围土壤共同构成平行传 输线模型， 根据传输线理论， 电磁波在阻抗不匹配处出现反射与折射， 反射波在传输线内形 成驻波， 通过测量 驻波比， 推导 求得探针处的阻抗， 进 而得到土壤的介电常数。 5.根据权利要求2所述的一种 多功能冻土物 理特性监测设备， 其特征在于， 进行电导率 测定时， 1、 4号探针作为激励信号探针， 2、 3号探针作为测量探针， 四个探针等间距排布成 Wenner组态， M CU通过2、 3 探针获取电压值， 根据电导 率计算公式， 得到电导 率测定值。 6.根据权利要求3 ‑4任意一项权利要求所述的一种多功能冻土物理特性监测设备， 其 特征在于， 还 包括LoRa无线通信模块。 7.一种数传系统， 包括： 监测网络、 北斗短报文模块、 上位机； 其特征在于， 所述监测网 络包括若干安装于待监测区域的上述多功能冻土物理特性监测设备， 所述监测网络采用星 状网络拓扑结构， 其中一个多功 能冻土物理特性监测设备作为汇 聚节点， 剩余多功 能冻土 物理特性监测设备作为传感节点， 北斗短报文模块安装于汇 聚借点处， 各传感节点处的多 功能冻土物理特性监测设备将采集到的温度、 介电常数、 电导率数据通过无线局 域网传输 至汇聚节点处的多功能冻土物理特性监测设备， 汇聚节点处的多功能冻土物理特性监测设 备通过北斗短报文终端将汇聚后的信息传输至上位机， 上位机接收北斗短报文终端的消 息， 解码得到该区域所有布置的多功能冻土物理特性 监测设备的数据。 8.根据权利要求7所述的一种数传系统， 其特征在于， 各传感节点处 的多功能冻土物 理 特性监测设备通过时分 复用的方式， 分时将采集到的数据发送至汇聚节点处的多功能冻土 物理特性 监测设备。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115218960 A 2一种多功能冻土物理 特性监测设 备与数传系统 技术领域 [0001]本发明属于传感器设计及环境监测领域， 特别涉及一种冻土物理特性监测传感器 与基于该传感器的监测技 术。 背景技术 [0002]我国是一个幅员辽阔的国家， 陆地面积约为960万平方公里， 其中广 泛分布着季节 冻土和多年冻土。 以新疆作为典型研究区域。 新疆地处高寒、 高海拔地区， 区内广泛分布着 不同类型冻土， 其中公路沿线冻土主要有山地多年冻土、 连续多年冻土、 岛状多年冻土和大 面积季节性冻土等类型， 省内多 条高速公路及省道均穿越冻土区。 新疆年平均气温低于－2 ℃的天山、 阿尔泰山南坡、 昆仑山北坡以及高山冰雪线以上地区广泛分布有岛状和连续多 年冻土， 属于永冻区。 其余大部 分地区一月平均气温在0℃以下， 属于季节性冻土区。 阿尔泰 山纬度高， 分布有岛状和连续的多年冻土或季节冻土； 天山海拔高， 在高山区主要为冻融作 用， 多为季节冻土， 多年冻土呈零星分布； 昆仑山系的高原地带， 海拔高， 气候寒冷， 年平均 气温变化小， 分布有大面积的多年冻土。 冻融是指土体中的水分随着土壤中温度发生周期 性地正负变化而相应地出现相变与迁移， 冻土层发生变形， 产生冻 胀、 融陷和流变等的一系 列过程。 由于季节性冻土区的特点， 冻融作用大都发生在这个区域内。 在冻融作用下， 土体 的结构遭到改变， 土颗粒间的连接力遭到破坏， 土颗粒得到重新排列。 冻土中水分的迁移 不 仅仅是未冻水在迁移， 还包括水中溶质的迁移， 因此高浓度溶质的土层便会出现， 造成土壤 地层中融弱层的存在和寒区的地表盐渍化加剧。 将冻土领域中的工程病害进 行系统梳理和 深入分析， 认为由于冻土未冻水变化引起的病害占到绝大多数， 如路基冻胀、 融沉、 路面翻 浆、 盐胀、 盐渍化、 路桥过渡段不均匀沉降、 桥梁桩基倾斜或冻拔等， 冻土的未冻水含量一般 依靠冻土的温度、 介电常数等物理性质来确定， 因此提出一种 科学准确冻土物理特性的方 法具有重要意 义。 [0003]在公开号CN  113009107  A公开了“一种冻土未冻水含量检测方法 ”， 该方法采用了 冻土未冻 水含量预测神经网络模型进行数据 处理， 在输入检测数据时， 能够直接得出检测 结果， 方法步骤简单， 实现方便， 能够用于基于冻土电阻率、 温度和 湿度的冻土未冻水含量 测量， 能够将冻土未冻 水含量检测的复杂问题简单化。 该方法主要用于实验室内测定冻土 未冻水含量， 但是在原 点位检测中， 存在数据采集困难， 需要 人工长时间采集神经网络所需 要的训练数据集， 难以在现实野外环境应用。 [0004]在公开号CN  108680452  A公开了“一种冻土中未冻水含量的测量方法及测量设 备”， 该专利涉及一种冻土中未冻水含量的测量方法及测量设备,所述测量方法为： 首先测 量冻土土样的初始质量， 将冻土土样放入可以读取体积的容器中,然后向容器中注入水,直 至淹没冻土土样,得第一土水混合物,并读取第一土水混合物的体积。 其次将第一土水混合 物中的土壤冰融化,得第二土水混合物,并读取第二土水混合物的体积。 然后结合第一土水 混合物和第二土水混合物的体积,算得冻土土样中土壤冰的体积。 最后， 结合土壤冰的体 积,推算出冻土土样中未冻该专利测量冻土土样的初始质量； 所述测量设备包括所述容器,说　明　书 1/5 页 3 CN 115218960 A 3