冻土及干土层测量仪器主要由控制处理单元，频率采集单元以及温度采集单元组成(见图1)。

控制处理单元包括一个嵌入式微处理器CPU，该处理器具有多组IO口，具备一个SPI总线，一个USART串口，一个供电单元；包括一个4芯的插头一个10芯的排线端子；4芯插头与采集器连接，实现供电及通讯，10芯排线端子通过排线，与频率采集单元连接；该控制处理单元主要通过控制信号实现

图1. 冻土及干土层测量仪器原理框图

频率采集单元的分时供电、频率信号的最终采集、温度信号的最终采集，并最终对采集到的温度、频率信号进行处理计算，实现数据存储、传输和相应的通讯功能。

频率采集电路包括一个电源转换单元G1，控制处理单元在采集频率前将电源V1供给电源转换单元G1，1)2)连接温度采集单元的覆铜，组成电容，该电容与L1电感及运放D1组成振荡电路，频率信号经D2以及D3分频后输出至频率采集单元的10芯排线端子的频率信号线，最终传送至控制处理单元进行频率信号处理计算。

整个冻土及干土层测量仪器基于电容式土壤水分测量技术和半导体测温技术，结构上采用柔性电路板工艺，土壤水分和温度测量传感元件设计集成到柔性电路板上，使其与管壁紧密接触，减少因机械加工问题引起的测量误差。数据采集器基于嵌入式微处理器技术设计，实现对各层传感器的数据采样、远程命令控制、数据计算处理、质量控制、通信和传输，并通过大容量存储器扩展技术，实现数据记录的存储和传输。

土壤水分含量的测量是基于电容传感器工作原理，即土壤充当电介质，土壤含水量变化可以转换为电容量变化。我们将土壤视为由空气、水或冰及固态土组成，其中，空气的介电系数约为1，水的介电系数则约为80，冰的约为3~4，固态土约为3~8。由于电容量的变化会受介电常数的影响，当部分水与冰之间发生相变，土壤的介电系数发生变化，导致土壤总电容量的值的改变 [ 3 ] 。土壤水分测量传感元件主要由一对电极构成一个电容，电容与固定电感组成一个振荡电路，振荡器工作频率随土壤电容的变化而变化。因此，当土壤中的水变为冰晶时，其介电常数发生了明显的变化，传感元件测得的水分值会明显下降；而当温度上升，冻土解冻时，冰融化成水，介电系数变化，水分值会明显上升。

根据建立的冻土深度及干土层厚度判定数学模型，判定冻土及干土层需要确定土壤的冻结温度、土壤含水量、地温、冻结(融化)周期T和经验常数C，其中土壤含水量、地温通过土壤水分和温度传感器测量实现；土的冻结温度、冻结(融化)周期T和经验常数C通过土壤类型冻结特性试验研究分析确定。

整个传感器由一块控制处理单元(图2)和若干采集电路组成，采用插管式结构，在不破坏土壤结构的前提下使用专用安装工具把防护管打入地下土壤中，传感器安装在防护管内。传感器结构为硬质电路板和柔性板结合，传感器外部有热缩性保护膜，控制处理单元(图3)处理采集单元传输来的数据并通过RS485总线与数据采集器通信。

振荡电路的振荡频率变化在65 MHz~110 MHz之间。

垂直测量分辨率为2.5 cm的传感器，每组传感器的传感元件的数量16个。

图2. 冻土及干土层自动观测仪结构示意图

图3. 归一化频率、土壤水分和地温反演冻土及干土层厚度的流程图

最终传感器采集到的数据，通过采集器传向服务器，实现数据的实时采集以及冻土及干土层厚度的判定。

土壤含水量的变化主要是由于介电系数发生变化引起的。水的介电常数是80，冰的约3～4。因此，当土壤中的水变为冰晶时，其介电常数发生了明显的变化，传感器测得的水分值会明显下降，而当温度上升，冻土解冻时，水分值会明显上升。我们首先依据土壤含水量把土壤类型分为干土、湿土和冻土 [ 4 ] ，初步判别数学模型如下：

a) 当TD > c，θ ≤ θc时，可判定为干土；而当θ > θc时，可判定为湿土(其中：TD为地温；Tc为冻结温度；θ为土壤含水量；θc为凋萎湿度)；

b) 当TD= Tc，记录当前含水量θ₀和时间t₀，作为后续判别的基准；

c) 当TD < Tc，经过一个时间周期T，记录当前土壤含水量θ₁和时间t1，然后进行计算土壤水分变化率 ，如果F > C(常数)，可判定为冻土，否则未冻土(其中：t为时间；T为周期；C为经验常数)。

在土壤冻结过程中随着温度的变化，土壤中水发生相变由水变成冰，介电常数发生强烈变化，电容值也随之变化，求得土壤含水量也随之变化，为了得到土壤中水冻结成冰过程中土壤含水量的变化曲线，并通过曲线找到土壤冻结过程土壤含水量的变化趋势，做了如下试验。

将三根电容式冻土深度测量传感器分别装置在模拟冬季环境试验室砂土、壤土和粘土三种土槽中，其中，三种土壤的初始含水量分别为6.7%，27.2%，32.3%(试验过程中不考虑蒸发和传感器周围水分的迁移)。每10分钟采集一次数据，整理得到土壤冻结过程土壤水分变化曲线如图4所示。

从图4曲线分析可知，在不同的土壤类型，不同的初始土壤含水量情况下，冻结过程中不能通过土壤含水量精确确定土壤是否冻结，但能看到土壤中水结冰的过程中土壤含水量在急剧减小，说明水相变成冰后介电常数在急剧减小，当水完全结冰，即土壤完全冻结后，随着温度的降低，土壤含水量变化幅度不大，即介电常数变化幅度不大。由此可知，0℃并不能做为判定冻土的唯一条件，土壤冻结过程开始后有两种状态存在，即正冻土和已冻土 [ 5 ] ，在正冻土状态下判定是冻土还是未冻土要根据不同的土壤类型，结合土壤水分含量和温度变化情况综合来考虑。

2012年10月份在黑龙江佳木斯、内蒙满洲里、青海刚察安装了三套试验设备，根据《地面气象观测规范第14部分冻土观测》的要求，冻土深度观测时间是从地表温度降到零度或零度以下，土壤开始冻结时，每日08时观测，直到次年土壤完全解冻为止。因此，取土壤冻结期内每天08时的传感器测量的数据与人工进行对比。分析整理了三个台站验站的机测和人工数据资料(见表1)。其中，数据资料时间从2012年10月04日至2012年12月30日。

人工测量冻土深度值与传感器测量深度值对比曲线图如图5、图6、图7所示。从图中和表1中可以看到各站两组数据相关系数达0.99以上，佳木斯相关系数达1.00；满洲里最大误差比较大，误差小于5的都在80%以上。仪器能够很好反应冻土深度变化情况，但是，由于对比时间短，还需进一进行试验研究。