第三章 無線土層即時監測系統
3.2 土層水文與運動反應量測
本計畫前期已開發適用於因降雨造成之土層邊坡滑移且具有即 時、無線、自動化特點之邊坡土層監測模組，所整合之感測器種類與 功能如下:
1. 電容式含水量計：量測周圍環境電容變化，透過感測器內嵌之 類比數位轉換晶片(Analog to Digital Converter, ADC)進行數位 輸出，間接測得非飽和土壤之體積含水量或經換算為飽和度。
2. 傾斜儀：量測單軸向傾斜量變化，支援比例類比電壓與數位 SPI 輸出，提供單軸上兩方向高精度、靈敏度之傾斜角量測。
3. 液位計：以電子薄膜式壓力計，量測開孔豎井液位，以高精度 ADC 模組與 MCU 連結。
4. 雨量計(Rain Gauge)：用於量測降雨，依操作方式可分為非自記 式雨量計與自計式雨量計，又依量測方式可分為虹吸式雨量 計、秤重式雨量計、傾斗式雨量計等，本計畫研發具雲端傳輸
功能之傾斗式雨量計。
本計畫採用 Catnip Electronics 設計製作之電容式土壤水份計(圖 3.2)，其具有低成本、高解析度與高重複性等優勢，工作電壓 3.3V~5V，
工作溫度0~85℃，並採用 I2C (Inter-Integrated Circuit)通訊界面與微控 制器與周邊設備整合。I2C 是內部整合電路的稱呼，是一種串列通訊匯 流排，具有可多組元件串聯、連接線數量少等優勢。
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3.2 電容式土壤水份計
圖3.3 為含水量計數位訊號輸出與土壤體積飽和度之關係圖，試驗 土壤為邊坡現地取得之粉土質土壤，土壤體積飽和度為在控制體積含 水量下，固定土水比例求得，圖中可見此含水量計具備足夠之重複性 與一致性。透過多組電容感測裝設於探棒表面，即可同時監測探棒長 度內土層不同深度之含水量，亦可提供降雨時浸潤面隨時間/降雨量的 變化。
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3.3 Catnip 數位訊號輸出與土壤體積飽和度關係圖
本計畫使用之傾斜儀為Murata Electronics 所生產之高精度傾斜儀 SCA103T ， 量 測 單 軸 向 傾 斜 量 變 化 ， 採 差 分 量 測 (Differential measurement)原理補償雜訊及誤差。大部分的雜訊來源對於同樣的感測 原件有相同的影響程度，透過單軸上兩方向之輸出經差分處理移除誤 差，可有效降低一般量測雜訊干擾，提昇長期穩定性及減低溫度影響。
傾斜儀支援比例類比電壓與數位 SPI (Serial Peripheral Interface Bus)輸出，提供單軸上兩方向高精度、靈敏度之傾斜角量測。量測範 圍±15 度，標稱解析度可達 0.001 度(10Hz BW 類比輸出)。圖 3.4 為以 16-bit ADC 模組讀取類比輸出與直接數位輸出之訊號解析度比較，顯 示類比輸出解析度與穩定性較高，故本計畫以16-bit ADC 模組，以確 保解析度達 0.05 度以下，因傾斜儀為輔助觀測且採用長期趨勢為判讀 依據，0.05 度尚可接受。SCA103T 類比電壓比例輸出標定如圖 3.5 所 示，顯示SCA103T 具有足夠之線性、重複性及解析度。
圖 3.4 傾斜儀數位與類比輸出解析度比較
圖 3.5 傾斜儀類比電壓比例輸出標定
現有飽和土層滑動監測模組之地下水位量測，採用放置於開孔水 位觀測井搭配沉水式液位計量測，其具備有以下幾點特色，包含：(1) 內置微型信號處理電路，可進行遠程傳輸；(2)抗干擾強，長期穩定性 好；(3)防結露，防雷擊設計；(4)採 316 不銹鋼隔離膜片具堅固密封、
高可靠、高精度等特點。此感測器液位計工作電壓為 24V，與模組輸
入電壓不同，故需以升壓晶片將輸入電壓變壓以供液位計使用，其輸 出為類比電壓，因此感測模組需整合類比-數位轉換器使用，本研究以 16-bit 之 ADC 模組，確保水位解析度達 1cm 以下。
前期計畫採用標準雙傾斗式雨量計，搭配微控制器組成自計式雨 量計，其原理為利用傾斗計算降雨量，雨水經由口徑200mm 的承雨口 流入傾斗，到達一定雨量時，傾斗傾倒且同時帶動磁簧開關並產生脈 衝信號(pulse)，利用微控器讀取高低電位變化計算傾斗傾到次數，搭配 微控制器組成自計式雨量計。採用之雙傾斗雨量計解析度為 0.2mm，
因解析度較高對降雨量觀測較為敏銳，對降雨強度較大之降雨所產生 之系統性誤差則經由室內試驗對記錄器示值加以修正，其結果如圖 3.6，室內試驗室利用體積量測儀記錄十分鐘內通過雨量計之總流量，
控制流量大小可模擬不同的降雨強度，本試驗最大十分鐘雨量為 94mm/10min，大約為 564mm/hr，根據 WMO 建議檢驗範圍至少達 500mm/hr，可滿足氣候變遷下的極端降雨事件。
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