專利名稱：濕度傳感器及其相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種濕度傳感器，優(yōu)選地，但不排他地，涉及一種測(cè)量基質(zhì)/媒質(zhì)中含水量的含水量傳感器。在具體實(shí)施例中，該濕度傳感器用于測(cè)量土壤中的含水量。本發(fā)明也涉及相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
通過對(duì)土壤含水量的測(cè)量的描述能夠方便地說明本發(fā)明構(gòu)思的背景，但本發(fā)明具有更廣泛的應(yīng)用。例如，濕度傳感器可以用于下述非窮舉的基質(zhì)和/或媒質(zhì)列表中的任意一種棉花、礦棉、沙子、石絨、火山物質(zhì)、植物栽培介質(zhì)、混凝土、建筑材料、制藥材料等等。此外，濕度傳感器也可以在下述非窮舉應(yīng)用列表中找到測(cè)量應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測(cè)、灌溉監(jiān)測(cè)、灌溉控制、農(nóng)作物產(chǎn)量?jī)?yōu)化、洪水控制、濕氣測(cè)量、建筑物下陷、廢物堆肥監(jiān)測(cè)以及制藥工業(yè)的藥品生產(chǎn)。
測(cè)量土壤濕度是非平凡的且復(fù)雜的，為了測(cè)量到任意級(jí)別的精確度和再現(xiàn)性存在許多公知的問題。這部分歸因于土壤的非均勻特性以及土壤成分的變化，但很大程度上也歸因于其它環(huán)境和土壤條件。大多數(shù)農(nóng)作物生長(zhǎng)在具有一定鹽度和養(yǎng)分的土壤中，其對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率在60mS/m到400mS/m(0.6dS/m到4dS/m)之間。這個(gè)值可以低至20mS/m，并且對(duì)于諸如西紅柿之類的某些農(nóng)作物可以高至500mS/m到600mS/m，在沿海地區(qū)環(huán)境(costal environment)土壤電導(dǎo)率可高達(dá)3,000mS/m。隨著在全世界范圍內(nèi)關(guān)于糧食產(chǎn)量的壓力，農(nóng)作物越來越多地種植在干旱和半干旱地區(qū)，其中很多地區(qū)存在當(dāng)?shù)佧}度問題。同時(shí)，在很多地區(qū)由于濫用地下水和簡(jiǎn)陋的排水設(shè)備，鹽漬化問題每年都在加重。在很多環(huán)境中，24小時(shí)期間溫度會(huì)發(fā)生劇烈變化，某些情況下變化達(dá)40攝氏度。對(duì)于用于監(jiān)測(cè)和控制應(yīng)用的土壤濕度傳感器，還有更多應(yīng)用方面的考慮，諸如濕度傳感器響應(yīng)時(shí)間和傳感器響應(yīng)滯后。
土壤鹽度和養(yǎng)分的變化會(huì)在估計(jì)土壤含水量上導(dǎo)致誤差，其可能是顯著的誤差。土壤的電導(dǎo)率隨溫度變化，進(jìn)一步增加了精確的土壤水分測(cè)量的復(fù)雜性，照此，如果濕度傳感器具有明顯的鹽度響應(yīng)，并且存在溫度變化，那么濕度傳感器將受到影響。這種影響通常表現(xiàn)為表觀溫度靈敏度誤差，由濕度傳感器的鹽度響應(yīng)產(chǎn)生。
電介質(zhì)土壤濕度傳感器解決了其它感測(cè)技術(shù)的許多應(yīng)用和精確性問題，提供了在不同濕度傳感器之間的可再現(xiàn)讀取，并且得益于快速響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于快速變濕或變干的土壤無滯后響應(yīng)。然而，電介質(zhì)濕度傳感器的性能通常受限于對(duì)土壤中鹽度和養(yǎng)分級(jí)別的靈敏度，以及對(duì)溫度變化的靈敏度。
已知多種測(cè)量土壤含水量的技術(shù)。中子探測(cè)儀已被廣泛使用，但是這種裝置很昂貴，并且由于其包括放射性材料，正日益面臨受規(guī)章限制的負(fù)擔(dān)，包括不能處于無人看管狀態(tài)的要求。這種昂貴而且受規(guī)章限制的要求減小了它們?cè)谥T如灌溉之類的應(yīng)用中的實(shí)用性。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，中子探測(cè)儀在土壤上層15cm中不精確。而這個(gè)區(qū)域?qū)τ跍\根植物特別重要，尤其對(duì)于大量商業(yè)種植的淺根農(nóng)作物特別重要。
襯質(zhì)勢(shì)傳感器(matric potential傳感器)測(cè)量土壤的襯質(zhì)勢(shì)而不是土壤的容積比含水量。土壤水分從土壤傳輸?shù)揭r質(zhì)材料，并且襯質(zhì)材料的電阻被依次測(cè)量。襯質(zhì)勢(shì)傳感器通常由石膏做成，成本低但是響應(yīng)時(shí)間慢，滯后明顯，并且通常壽命短(特別是在強(qiáng)酸性土壤中它們只能維持不到一季度的時(shí)間)。典型的，在不同傳感器之間有明顯差異，并且校準(zhǔn)復(fù)雜，通常未校準(zhǔn)的傳感器具有較差的絕對(duì)精確度，因此一般用于監(jiān)測(cè)趨勢(shì)而不是絕對(duì)的土壤特性。慢的響應(yīng)時(shí)間以及滯后現(xiàn)象限制了傳感器在某些土壤中的應(yīng)用，尤其是沙質(zhì)土壤，其中潮濕的前部會(huì)快速滲入土壤。相似地，這可能限制了它們?cè)谛枰獙?duì)土壤變化進(jìn)行快速響應(yīng)的灌溉控制上的應(yīng)用。
張力計(jì)測(cè)量土壤的張力，即測(cè)量植物從土壤吸取水分的難易程度。張力計(jì)典型地是充水的并且需要定期維護(hù)。
TDR(時(shí)域反射計(jì))通過測(cè)量電磁波在土壤中的傳輸時(shí)間而工作。這種技術(shù)在諸如微粒土壤之類的某些土壤中精確度較小，并且可能需要復(fù)雜且昂貴的電子器件來實(shí)現(xiàn)。
US5424649公開了一種帶有探頭的濕度傳感器，其中探頭上覆有一薄層電介質(zhì)。這種裝置一定程度上降低了感測(cè)電子器件對(duì)土壤電導(dǎo)率的靈敏度。用于這種濕度傳感器的電子器件對(duì)土壤電導(dǎo)率具有高靈敏度，這迫使在感測(cè)電子器件和土壤之間使用電介質(zhì)阻擋層。電介質(zhì)覆層在降低對(duì)土壤電導(dǎo)率靈敏度方面只是部分有效，這導(dǎo)致了濕度傳感器對(duì)土壤電導(dǎo)率和鹽度的靈敏性。這種裝置使得為了達(dá)到一定級(jí)別的靈敏度，電介質(zhì)阻擋層必須較薄(大概0.05mm厚度)。這導(dǎo)致探頭不夠結(jié)實(shí)，從而限制了其中可以可靠使用濕度傳感器的應(yīng)用。
另一項(xiàng)現(xiàn)有技術(shù)的例子是US5859536，其公開了利用兩個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的濕度傳感器，通過這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)使得土壤媒質(zhì)的阻抗與振蕩器源阻抗匹配。所公開的裝置直接在插入到媒質(zhì)中的探頭上測(cè)量匹配電路輸出端的整流信號(hào)。這種裝置被發(fā)現(xiàn)只能提供對(duì)土壤導(dǎo)電性的有限的不靈敏度。
另外的現(xiàn)有技術(shù)的例子是US5804976，其公開了一種利用插入土壤中的探頭裝置以及傳輸線的電介質(zhì)濕度傳感器。這樣設(shè)置探頭裝置和傳輸線，使得探頭裝置中的土壤的標(biāo)稱地阻抗匹配于傳輸線的阻抗。一個(gè)信號(hào)被注入土壤中。如果傳輸線的阻抗與探頭的不匹配，則部分信號(hào)會(huì)被反射回來。利用從所注入的信號(hào)的反射來確定土壤的容積比含水量。這種裝置測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)，一個(gè)信號(hào)是在濕度傳感器的輸出端，因此仍然易受土壤電導(dǎo)率變化的影響，在高容積比含水量時(shí)該影響很明顯，當(dāng)在諸如礦棉或石絨之類的人造栽培基質(zhì)上使用時(shí)，這尤其是個(gè)問題。
在使用阻抗匹配去匹配土壤阻抗以及直接在插入土壤或其它媒質(zhì)的探頭上測(cè)量信號(hào)的裝置中，在農(nóng)業(yè)土壤中通常具備的條件范圍內(nèi)，很有可能即使是在諸如100MHz的高頻，信號(hào)也會(huì)受被測(cè)水分中的離子含量(由于養(yǎng)分、鹽、肥料，等等)的顯著影響，尤其是在高容積比含水量時(shí)，更是如此，而這是不希望的。
土壤的傳輸特性依賴于各種因素，包括土壤中是否含有任何雜質(zhì)，土壤的溫度，甚至是土壤本身的構(gòu)成。例如，如果土壤中含有雜質(zhì)，那么土壤的電導(dǎo)率會(huì)明顯變化，最好將濕度傳感器設(shè)置成對(duì)這種電導(dǎo)率變化不敏感。因此，制造一種能夠在各種可能經(jīng)歷的條件下準(zhǔn)確提供土壤含水量的濕度傳感器是個(gè)問題。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種濕度傳感器，其包括用于提供信號(hào)的信號(hào)源，用于將該信號(hào)注入需要測(cè)量其濕度的媒質(zhì)中的探頭，放置在探頭與信號(hào)源之間的復(fù)阻抗，以及感測(cè)電子器件，該感測(cè)電子器件用于監(jiān)測(cè)在信號(hào)源與復(fù)阻抗之間的點(diǎn)上的信號(hào)，并產(chǎn)生第一測(cè)量，由該第一測(cè)量指示媒質(zhì)的濕度。
這樣一種裝置是有利的，因?yàn)樗梢栽O(shè)置成使得其不受或者少受土壤電導(dǎo)率的影響，所述土壤電導(dǎo)率根據(jù)雜質(zhì)的存在與否會(huì)發(fā)生明顯變化。同樣地，該方法可以比現(xiàn)有技術(shù)的方法更精確。此外，可以明顯看出，本發(fā)明的實(shí)施例允許從所述第一測(cè)量導(dǎo)出濕度(有時(shí)是指容積比濕度)，而不需要參考其它測(cè)量。
優(yōu)選地，所述復(fù)阻抗被設(shè)置成其使得被感測(cè)電子器件監(jiān)測(cè)的信號(hào)對(duì)媒質(zhì)介電常數(shù)的變化敏感，但對(duì)媒質(zhì)電導(dǎo)率的變化不敏感。這樣一種裝置是有利的，因?yàn)槊劫|(zhì)的電導(dǎo)率可能受諸如鹽、肥料等等雜質(zhì)的極大影響，因此希望能夠在不需考慮這些雜質(zhì)存在的情況下測(cè)量含水量。這種裝置更進(jìn)一步的好處是，媒質(zhì)的電導(dǎo)率依賴于溫度。因此，通過設(shè)置復(fù)阻抗使得感測(cè)的信號(hào)對(duì)媒質(zhì)電導(dǎo)率不敏感，也最小化了對(duì)溫度的靈敏度。
此外，所述感測(cè)電子器件可以是可調(diào)整的。這樣一種裝置是便利的，因?yàn)樗试S針對(duì)不同的媒質(zhì)條件選擇性地最優(yōu)化濕度傳感器。在媒質(zhì)為土壤的例子中，有可能使得濕度傳感器針對(duì)沙質(zhì)和/或粘性土壤等進(jìn)行最優(yōu)化，或者相似地，針對(duì)諸如石絨之類的栽培媒質(zhì)進(jìn)行最優(yōu)化。有可能將所述電子器件設(shè)置成選擇性地選擇響應(yīng)中的一個(gè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于一個(gè)容積比含水量值，在該點(diǎn)處由于媒質(zhì)鹽度或養(yǎng)分引起的誤差接近于零。
還有可能將電子器件設(shè)置成可被調(diào)整，從而使得濕度傳感器的響應(yīng)的線性度在高或低的容積比含水量處具有更大或更小的靈敏度。例如，可以設(shè)置電子器件，使得對(duì)于預(yù)定應(yīng)用在最感興趣的響應(yīng)范圍中由于媒質(zhì)鹽度或養(yǎng)分引起的誤差接近于零，同時(shí)還最小化整個(gè)媒質(zhì)濕度范圍上的誤差。
相似地，也可以設(shè)置所述電子器件，使得濕度傳感器的靈敏度是可調(diào)節(jié)的，從而匹配某個(gè)應(yīng)用的特定需求，該應(yīng)用例如是電介質(zhì)張力計(jì)。在這種實(shí)施例中，可以在感測(cè)電極和被測(cè)陶瓷的濕度之間放置一個(gè)公知的陶瓷材料。例如，當(dāng)傳感器和陶瓷置于土壤中時(shí)，陶瓷會(huì)從土壤中吸收水分，其中陶瓷的濕度表示植物從土壤中吸取水分的難易程度。典型地，陶瓷材料具有高的非線性放水曲線，并且通過本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，設(shè)置所述電子器件使得制造一種具有更好的線性響應(yīng)和顯著提高的靈敏度，從而擴(kuò)大可使用和敏感范圍的傳感器是可能的。電介質(zhì)張力計(jì)提供了優(yōu)于充水張力計(jì)的益處，可以制造需要很少維護(hù)或不需要維護(hù)的張力計(jì)。
可以設(shè)置濕度傳感器使得要測(cè)量濕度的媒質(zhì)是土壤。然而，也可以將濕度傳感器設(shè)置成測(cè)量其它媒質(zhì)。下面大概列出了可以使用濕度傳感器來測(cè)量的媒質(zhì)和/或基質(zhì)的非窮舉列表，包括多孔火山材料、棉花、沙子、礦棉、混凝土、建筑材料、種子、植物材料、肥料。
振蕩器可以設(shè)置成產(chǎn)生基本上只在單個(gè)頻率上的信號(hào)。
振蕩器可以設(shè)置成產(chǎn)生大致在10MHz至1GHz范圍中的信號(hào)。更優(yōu)選地，振蕩器可以設(shè)置成產(chǎn)生大致在50MHz至300MHz范圍中的信號(hào)。在或許是最優(yōu)的實(shí)施例中，振蕩器設(shè)置成產(chǎn)生大概100MHz的信號(hào)。這些頻率是有利的，因?yàn)樵谝欢ǔ潭壬纤鼈冇兄跍p小媒質(zhì)電導(dǎo)率對(duì)濕度傳感器進(jìn)行的測(cè)量的影響。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以明顯看出，土壤的電導(dǎo)率涉及土壤的電阻，并且土壤的介電常數(shù)涉及土壤的電容。電容器的有效阻抗隨著頻率的增加而減小，因此，相對(duì)于對(duì)土壤電導(dǎo)率的靈敏度，使用高的頻率部分地增加了對(duì)土壤電容的靈敏度。
便利地，感測(cè)電子器件被設(shè)置成監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅度。相比于許多現(xiàn)有技術(shù)中所使用的根據(jù)信號(hào)頻率變化來檢測(cè)土壤濕度的變化，這種設(shè)置是期望的。根據(jù)信號(hào)幅度的變化而不是信號(hào)頻率的變化來檢測(cè)土壤濕度的變化，允許使用較低成本且較低復(fù)雜度的電子器件來將檢測(cè)到的土壤水分轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出電壓信號(hào)。還允許實(shí)現(xiàn)不同媒質(zhì)的感測(cè)裝置。
感測(cè)電子器件可以包括一個(gè)或多個(gè)峰值檢測(cè)器電路。
探頭可以包括一個(gè)導(dǎo)電探針，通常是金屬探針，其用于插入到媒質(zhì)中。所述探針可以是由不銹鋼制造的，其可以具有期望的機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕性。如前所述，由于濕度傳感器被設(shè)置成對(duì)土壤電導(dǎo)率的變化不敏感，因此使用具有高導(dǎo)電性的高機(jī)械強(qiáng)度的探頭是可能的，這與某些現(xiàn)有技術(shù)中的情況不同。
可以設(shè)置探頭使得它可以被釘入媒質(zhì)中。這樣的裝置是有利的，因?yàn)楸热缢试S將探頭插入到硬的和/或石質(zhì)的土壤。
然而，在其它實(shí)施例中，所述探頭可以由碳或金屬環(huán)氧物、或?qū)щ娋酆衔锏戎圃?。在另外的附加?shí)施例或可選實(shí)施例中，所述探頭可以包括一個(gè)覆有電介質(zhì)的導(dǎo)電探針，或?yàn)樘筋^裝置使用PCB(印刷電路板)。這種設(shè)置是有益的，例如對(duì)于機(jī)械要求較少的應(yīng)用可以降低制造成本，或者提供了例如在監(jiān)測(cè)極高導(dǎo)電率的電解液方案方面的應(yīng)用。
所述濕度傳感器還可以包括溫度傳感器，用于確定由所述探頭測(cè)量其濕度的媒質(zhì)的溫度。所述溫度傳感器可以與探頭或媒質(zhì)和/或基質(zhì)直接熱接觸，或者測(cè)量所述濕度傳感器的環(huán)境溫度。
所述濕度傳感器可以被設(shè)置成除確定濕度之外還確定媒質(zhì)的電導(dǎo)率。
在另外的實(shí)施例中，所述感測(cè)電子器件也可以被設(shè)置成監(jiān)測(cè)復(fù)阻抗和探頭之間的點(diǎn)上的信號(hào)，并產(chǎn)生第二測(cè)量。在這些實(shí)施例中，在探頭和復(fù)阻抗之間的信號(hào)(以及因此的第二測(cè)量)會(huì)對(duì)媒質(zhì)的電導(dǎo)率更加敏感，并且復(fù)阻抗可以設(shè)置成使得復(fù)阻抗與振蕩器之間的信號(hào)(以及因此的第一測(cè)量)對(duì)媒質(zhì)的介電常數(shù)敏感，而對(duì)媒質(zhì)的電導(dǎo)率不敏感。如果所述實(shí)施例中還包括溫度傳感器，那么也可以測(cè)量媒質(zhì)的含水量、電導(dǎo)率和/或鹽度或養(yǎng)分、以及溫度。
在另一個(gè)實(shí)施例中，感測(cè)電子器件被設(shè)置成使得其測(cè)量信號(hào)的相位和幅度。在該實(shí)施例中，由于信號(hào)幅度對(duì)媒質(zhì)電導(dǎo)率更敏感而信號(hào)相位對(duì)媒質(zhì)介電常數(shù)更敏感，可以測(cè)量媒質(zhì)的介電常數(shù)和濕度以及電導(dǎo)率和/或鹽度。在這個(gè)實(shí)施例中，還期望測(cè)量溫度。照這樣提供的濕度傳感器能夠測(cè)量媒質(zhì)和/或基質(zhì)的溫度、介電常數(shù)、濕度、電導(dǎo)率和/或鹽度。
在另一個(gè)可選的實(shí)施例中，復(fù)阻抗被設(shè)置成使得復(fù)阻抗與振蕩器之間的信號(hào)對(duì)媒質(zhì)電導(dǎo)率不敏感，而對(duì)媒質(zhì)介電常數(shù)敏感。在該實(shí)施例中，所述感測(cè)電子器件被設(shè)置成使得其測(cè)量信號(hào)的相位，在另一個(gè)實(shí)施例中測(cè)量相位和幅度二者。還可以測(cè)量溫度。
作為另一個(gè)實(shí)施例，振蕩器可以被設(shè)置成產(chǎn)生不止一個(gè)頻率。所述濕度傳感器可以設(shè)置成同時(shí)或者順序地應(yīng)用所述頻率。如果使用不止一個(gè)頻率，則應(yīng)用實(shí)質(zhì)上不同頻率的信號(hào)可能是優(yōu)選的，并且應(yīng)用間隔至少一個(gè)量級(jí)的信號(hào)或許是有利的。優(yōu)選地，至少應(yīng)用一個(gè)頻率大致在50MHz至300MHz范圍中的信號(hào)。這種設(shè)置對(duì)于測(cè)量媒質(zhì)電導(dǎo)率以及媒質(zhì)濕度是有益的。
濕度傳感器可以包括多個(gè)下列中的任意一個(gè)探頭、感測(cè)電子器件、復(fù)阻抗。在這些實(shí)施例中，探頭可以沿著支持裝置縱向相互間隔排列。這種設(shè)置是有利的，因?yàn)槠淇梢蕴峁┻@樣的單個(gè)濕度傳感器，其能夠插入到媒質(zhì)和/或基質(zhì)中以生成媒質(zhì)不同深度處的濕度分布(profile)。這種濕度傳感器在農(nóng)業(yè)中具有特定的應(yīng)用，即測(cè)量農(nóng)作物根部深度位置之上或之下的土壤濕度分布。這在判斷植物是否需要水以及何時(shí)灌溉方面具有獨(dú)特的價(jià)值及遠(yuǎn)見力。正如所描述的，也可以制造一種濕度傳感器，其提供濕度、溫度、電導(dǎo)率、鹽度、和/或養(yǎng)分分布、或其任何組合。
這種濕度傳感器可以直接插入到媒質(zhì)中，其中感測(cè)探針與所述媒質(zhì)直接電接觸，或否則通過接口管耦合，所述接口管可以是塑料的、玻璃纖維的、凱夫拉爾(Kevlar)纖維的等等。使用接口管的好處是方便，允許不費(fèi)力地將儀器從媒質(zhì)移開，同時(shí)也允許使用濕度傳感器在多個(gè)地點(diǎn)和/或多個(gè)安裝位置測(cè)量分布。典型地，接口管的直徑為20mm或更大，并且優(yōu)選地直徑可以是35mm至50mm或更大。對(duì)于農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，接口管的長(zhǎng)度典型地可以是從大約0.5米直到大約2米，但是也可以是3米左右或更長(zhǎng)，因此能夠測(cè)量農(nóng)作物根部地帶之上和之下的分布。
作為另一個(gè)變體，可以使用利用單個(gè)探頭的儀器測(cè)量濕度和/或電導(dǎo)率、鹽度、養(yǎng)分、溫度分布。這種情況下，所述探頭沿著接口管的長(zhǎng)度移動(dòng)并且在不同的位置進(jìn)行測(cè)量，因此允許沿著接口管的長(zhǎng)度方向測(cè)量分布。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種測(cè)量媒質(zhì)中濕度的方法，包括將信號(hào)源生成的信號(hào)經(jīng)過復(fù)阻抗和探頭注入媒質(zhì)中，監(jiān)測(cè)位于所述信號(hào)源和復(fù)阻抗之間一點(diǎn)上的信號(hào)以產(chǎn)生第一測(cè)量，該第一測(cè)量指示了媒質(zhì)中的濕度。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種濕度傳感器，包括信號(hào)源，用于提供信號(hào)；探頭，用于將所述信號(hào)注入到需要測(cè)量其濕度的媒質(zhì)中；以及感測(cè)電子器件，其中所述感測(cè)電子器件用于產(chǎn)生指示媒質(zhì)中的濕度的信號(hào)的第一測(cè)量，以及指示水分中的離子含量的第二測(cè)量。
所述離子含量可以用于確定關(guān)于該水分的因素，例如其中的鹽分含量、養(yǎng)分含量等等。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種濕度傳感器，包括信號(hào)源，用于提供信號(hào)；探頭，用于將所述信號(hào)注入到需要測(cè)量其濕度的媒質(zhì)中；復(fù)阻抗，放置在探頭和信號(hào)源之間，其中所述復(fù)阻抗與探頭使用時(shí)所插入的媒質(zhì)所提供的阻抗一起形成分壓器的一部分，另一部分由感測(cè)阻抗提供，所述傳感器還包括感測(cè)電子器件，用于感測(cè)位于所述感測(cè)阻抗和復(fù)阻抗之間的點(diǎn)上的信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供了一種濕度傳感器，包括信號(hào)源，用于提供信號(hào)；探頭，用于將所述信號(hào)注入到需要測(cè)量其濕度的媒質(zhì)中；復(fù)阻抗，以PI電路的形式提供，放置在探頭和信號(hào)源之間；以及感測(cè)電子器件，用于監(jiān)測(cè)所述信號(hào)源與復(fù)阻抗之間的點(diǎn)上的信號(hào)，并產(chǎn)生第一測(cè)量，由該第一測(cè)量指示媒質(zhì)的濕度。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供了一種濕度傳感器，包括信號(hào)源，用于提供基本上在恒定頻率上的信號(hào)；探頭，用于將所述信號(hào)注入到需要測(cè)量其濕度的媒質(zhì)中；復(fù)阻抗，放置在探頭和信號(hào)源之間；以及感測(cè)電子器件，用于監(jiān)測(cè)所述信號(hào)源與復(fù)阻抗之間的點(diǎn)上的信號(hào)，并產(chǎn)生第一測(cè)量，由該第一測(cè)量指示媒質(zhì)的濕度。
關(guān)于本發(fā)明的任一方面所討論的特征可以應(yīng)用到本發(fā)明的任何其它方面。
以下是參考附圖僅作為舉例對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述，在附圖中圖1和圖2示出了圖3-圖5中的電路的簡(jiǎn)化的等效電路；圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的電路；圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的電路；圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的電路；圖6示意性地示出了使用增益控制環(huán)路的本發(fā)明實(shí)施例；圖7示出了適用于本發(fā)明實(shí)施例的探頭的感測(cè)探針裝置；圖8示出了用于將圖1-圖6以及圖12的電路連接到媒質(zhì)的探頭；圖9示出了用于在多個(gè)點(diǎn)測(cè)量媒質(zhì)特性的探頭裝置；圖10示出了峰值檢測(cè)器電路的一個(gè)例子；圖11示出了本發(fā)明實(shí)施例的一種可能的頻率響應(yīng)；以及圖12示意性地示出了使用增益控制環(huán)路的本發(fā)明實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于提供濕度傳感器的感測(cè)電路10的示意圖。在本實(shí)施例中被測(cè)量的媒質(zhì)6是土壤。濕度傳感器中的檢測(cè)器電路提供了復(fù)阻抗，其可以稱為阻抗Zb?？梢悦黠@看出，復(fù)阻抗是具有實(shí)部和虛部的阻抗，也即它既有電阻成份又有由電容和電感之一或二者同時(shí)提供的成份。
探頭插入到媒質(zhì)中，于是連接到感測(cè)電路10，其中所述探頭的感測(cè)區(qū)域內(nèi)包圍的媒質(zhì)的量具有媒質(zhì)阻抗Zmedium。在圖1中，探頭由兩個(gè)探針5a和5b表示，在下文中討論各種探針和其它的探頭裝置。
振蕩器1(也叫信號(hào)發(fā)生器)用于產(chǎn)生高頻信號(hào)，典型的是正弦波。在本實(shí)施例中，該信號(hào)約為100MHz，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以明顯看出其它頻率也同樣適用。該信號(hào)饋入到探針5a和5b。可以看出，振蕩器1、復(fù)阻抗4以及探頭5a、5b是彼此串聯(lián)排列的。
此外，可以看到感測(cè)電路10包括增益控制環(huán)路2，該環(huán)路使得由振蕩器1產(chǎn)生的信號(hào)穩(wěn)定。使用增益控制環(huán)路2的另外的好處是振蕩器1被隔離，并且它的輸出補(bǔ)償了溫度和負(fù)載的變化，確保了注入到感測(cè)阻抗Za的信號(hào)是穩(wěn)定和可控制的。
感測(cè)阻抗Za3串聯(lián)連接在振蕩器1和復(fù)阻抗Zb4之間，并允許從該電路獲得輸出。圖3、圖4和圖5示出了連接信號(hào)檢測(cè)器7(其可以構(gòu)成感測(cè)電子器件)的不同設(shè)置。
圖2示出了所述感測(cè)電路的示意圖。信號(hào)發(fā)生器400用于產(chǎn)生信號(hào)，從而使得在標(biāo)記100處的信號(hào)是幅度和頻率穩(wěn)定的信號(hào)，與任何溫度或電負(fù)載變化無關(guān)。Zsense300對(duì)應(yīng)于檢測(cè)器電路4和媒質(zhì)6的組合的阻抗。
本發(fā)明的實(shí)施例可以設(shè)置成具有低的溫度響應(yīng)，也即不管溫度如何變化，由傳感器產(chǎn)生的濕度是穩(wěn)定的。由于傳感器受水分中離子的影響(也即鹽度響應(yīng))以及該鹽度響應(yīng)的溫度依賴性，會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)的溫度依賴性。通過修改復(fù)阻抗Zb中的元件存在這樣的好處。因此，在某些實(shí)施例中，去除溫度傳感器從而降低濕度傳感器的成本是可能的。
回頭參考圖1，插入媒質(zhì)6中的探針5a和5b將產(chǎn)生射頻電磁場(chǎng)。所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)將包圍一定量的媒質(zhì)6，對(duì)應(yīng)于探頭的感測(cè)區(qū)域，其中該數(shù)量的媒質(zhì)具有阻抗Zmedium。阻抗Zmedium將與復(fù)阻抗4(阻抗Zb的)相互作用，得到阻抗Zsense300，如圖2所示。
復(fù)阻抗4優(yōu)選地設(shè)置成使得位于復(fù)阻抗4與振蕩器400之間的(尤其是位于復(fù)阻抗4與阻抗Za之間的)信號(hào)對(duì)于Zmedium的電容成份敏感，而對(duì)Zmedium的電阻成份非常不敏感。這得到了阻抗Zsense，其對(duì)于媒質(zhì)6的濕度敏感，但對(duì)媒質(zhì)6的電導(dǎo)率不敏感。正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將意識(shí)到的，阻抗Za和Zsense可以設(shè)置成使得其組成一分壓器。媒質(zhì)濕度的變化會(huì)導(dǎo)致Zsense的相應(yīng)變化，其中在Za和Zsense之間的點(diǎn)200上的信號(hào)幅度對(duì)應(yīng)于媒質(zhì)的濕度，并且對(duì)媒質(zhì)電導(dǎo)率不敏感。
圖11示出了檢測(cè)器電路裝置Za和Zsense的頻率響應(yīng)的例子。媒質(zhì)濕度的增大對(duì)應(yīng)于Zmedium中電容的增大。Zmedium中電容的增大又導(dǎo)致Zsense阻抗響應(yīng)中負(fù)的相關(guān)頻移。例如，應(yīng)用固定的100MHz的信號(hào)，這具有增大Zsense的有效阻抗的作用。圖11中實(shí)線繪出的響應(yīng)1102對(duì)應(yīng)于當(dāng)媒質(zhì)具有低濕度時(shí)位于Za和Zsense之間的點(diǎn)200(圖2中)上的信號(hào)電壓。虛線響應(yīng)1103對(duì)應(yīng)于具有更高濕度的媒質(zhì)。媒質(zhì)濕度的任何增大或減小都會(huì)對(duì)位于Za和Zsense之間的點(diǎn)200處的信號(hào)幅度產(chǎn)生相應(yīng)作用。
圖3示出了放置在感測(cè)阻抗Za3和復(fù)阻抗Zb4之間(也即位于復(fù)阻抗4和信號(hào)發(fā)生器之間)的單個(gè)信號(hào)檢測(cè)器7。在圖3、圖4和圖5中，感測(cè)阻抗Za由固定電阻R1表示，復(fù)阻抗4由設(shè)置在Pi電路裝置中的C1、C2、L1、R2的復(fù)阻抗表示。
因此，圖3、圖4和圖5的實(shí)施例中示出的電路被設(shè)置成使得媒質(zhì)6的濕度的變化導(dǎo)致信號(hào)檢測(cè)器7中的信號(hào)的相應(yīng)變化。在這些實(shí)施例中，信號(hào)檢測(cè)器7用于監(jiān)測(cè)信號(hào)源和復(fù)阻抗Zb4之間一點(diǎn)上的信號(hào)，并且由此產(chǎn)生第一測(cè)量。信號(hào)檢測(cè)器7的這種位置安排是有利的，因?yàn)樗峁┝艘环N比現(xiàn)有技術(shù)更簡(jiǎn)單且更精確的裝置。媒質(zhì)的阻抗Zmedium提供了分壓器Zsense和Za的部分阻抗，并且如此形成了電路的一部分，從而提供更簡(jiǎn)單的裝置。
修改Zb的成份可以使得電路的特性最優(yōu)化。所述電路的某些實(shí)施例可以允許針對(duì)下述參數(shù)中的任意一個(gè)或多個(gè)參數(shù)修改電路響應(yīng)離子含量(例如鹽度/養(yǎng)分含量)；響應(yīng)為線性的時(shí)期；以及響應(yīng)曲線的形狀。修改這些單獨(dú)的響應(yīng)特征在現(xiàn)有技術(shù)的裝置中通常是不可能的，譬如那些依靠阻抗匹配的裝置。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將明白，可以通過改變Za、Zb、C1、C2以及L1的相對(duì)值實(shí)現(xiàn)這種修改，并且本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也很容易看出為了設(shè)計(jì)所希望的響應(yīng)應(yīng)該如何模擬所述響應(yīng)。
修改這些特性對(duì)于制造對(duì)土壤電導(dǎo)率具有低靈敏度的傳感器以及制造在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)具有線性響應(yīng)的傳感器尤其有益。在一特定實(shí)施例中，探頭包括陶瓷材料，并且測(cè)量陶瓷材料中的濕度。這也常常稱為電介質(zhì)張力計(jì)傳感器，并且允許測(cè)量土壤張力。然而，陶瓷材料典型地具有非線性放水曲線，因此它的響應(yīng)是非線性的。本發(fā)明的這種實(shí)施例應(yīng)當(dāng)允許針對(duì)給定的陶瓷材料來修改電路以提供具有更好線性的響應(yīng)，從而提高測(cè)量的精確度和測(cè)量范圍。這可以相似地應(yīng)用于修改襯質(zhì)材料的響應(yīng)，所述襯質(zhì)材料用于測(cè)量襯質(zhì)勢(shì)。
在其中電介質(zhì)張力計(jì)傳感器的響應(yīng)被線性化的本發(fā)明實(shí)施例中，很可能比現(xiàn)有技術(shù)的傳感器需要更少的維護(hù)?，F(xiàn)有技術(shù)的張力計(jì)傳感器通常所需要的這種維護(hù)使得這些傳感器很昂貴，因此本發(fā)明實(shí)施例對(duì)于希望使用不需要太多維護(hù)的傳感器的農(nóng)業(yè)應(yīng)用尤其有利。
圖4示出了另一個(gè)實(shí)施例，其中兩個(gè)信號(hào)檢測(cè)器分別放置在所述感測(cè)阻抗3的每一側(cè)。位于復(fù)阻抗與感測(cè)阻抗之間的點(diǎn)200上的信號(hào)檢測(cè)器能夠檢測(cè)媒質(zhì)中的水分變化。位于感測(cè)阻抗另一側(cè)的在感測(cè)阻抗和振蕩器之間的點(diǎn)100上的信號(hào)檢測(cè)器能夠檢測(cè)參考信號(hào)的變化。在感測(cè)阻抗與振蕩器之間的點(diǎn)100上檢測(cè)到的信號(hào)可以用來補(bǔ)償在復(fù)阻抗與感測(cè)阻抗之間的點(diǎn)200上檢測(cè)到的信號(hào)。在感測(cè)阻抗與振蕩器之間的點(diǎn)100上檢測(cè)到的信號(hào)也可以用作參考以控制來自信號(hào)發(fā)生器400的信號(hào)。這種裝置可以提供比圖3的裝置更好的精確度。
圖5示出了另一個(gè)實(shí)施例，其中在感測(cè)阻抗3上測(cè)量差分信號(hào)。信號(hào)檢測(cè)器7對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分測(cè)量，其可以實(shí)現(xiàn)為單個(gè)信號(hào)檢測(cè)器，或者像圖4中所示的那樣實(shí)現(xiàn)為兩個(gè)分離的信號(hào)檢測(cè)器。在感測(cè)阻抗3上測(cè)量差分信號(hào)能夠解決參考信號(hào)的任何變化，提供改善的精確度。
從圖3、圖4和圖5中可以看出，復(fù)阻抗Zb4設(shè)置成Pi電路裝置，包括電感L1和串聯(lián)電阻R2，以及各自一端接地的電容C1和C2。參考阻抗R1連接在復(fù)阻抗Zb4 Pi電路裝置的一側(cè)，在C1和L1之間，探頭連接在Pi電路裝置的另一側(cè)，在R2和電容C2之間。
復(fù)阻抗4可以以諸如用于例如在將差分信號(hào)而不是單端信號(hào)應(yīng)用于媒質(zhì)時(shí)的差分Pi裝置之類的其他形式實(shí)現(xiàn)。在圖3、圖4和圖5中，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，可以可選地從電路中省略電阻R2，或者還可以將電阻R2作為電感L1的有效串聯(lián)阻抗來考慮。
在除了圖3、圖4和圖5所示實(shí)施例之外的其它實(shí)施例中，R2也可以是可選的。不管是否提供了電阻(例如R2)，由于由L1提供的串聯(lián)電阻，因此仍將提供復(fù)阻抗。
圖6中示出了所述電路的當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例?？梢栽俅慰吹剑袷幤?、增益控制2、感測(cè)阻抗Za3以及復(fù)阻抗Zb4都有提供。然而，另外提供了放大器12，用于在增益控制2之后緩沖信號(hào)。在放大器12之后提供了濾波器13，以保證向感測(cè)阻抗Za3提供頻譜純粹的信號(hào)。
所述電路等效于圖5所示的電路，其中在感測(cè)阻抗Za3上測(cè)量差分信號(hào)。在圖6所示的電路中，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員很容易看出，信號(hào)檢測(cè)器7是峰值檢測(cè)器電路600、602，包括肖特基二極管Db和Dc以及充電電容604、606。所述峰值檢測(cè)器電路600、602提供了可以被認(rèn)為是感測(cè)電子器件的部分。
提供復(fù)阻抗(Zb)的一個(gè)好處是使得在信號(hào)源與復(fù)阻抗(Zb)之間的點(diǎn)(也即圖2-圖5中的點(diǎn)200)上的信號(hào)對(duì)于土壤濕度敏感，而對(duì)于土壤鹽度不敏感。監(jiān)測(cè)點(diǎn)200上的信號(hào)的另一個(gè)好處是有可能從信號(hào)幅度的變化(例如使用峰值檢測(cè)器電路600、602)來檢測(cè)土壤濕度的變化，這也為以較低成本提供土壤濕度傳感器提供了可能性。所述峰值檢測(cè)器電路更進(jìn)一步的好處是其幫助增大傳感器對(duì)溫度的不靈敏度，該好處在前面進(jìn)行了討論。
為了清楚起見，在圖6中未示出形成所述峰值檢測(cè)電路一部分的負(fù)偏置電阻1000。有些檢測(cè)器二極管不需要負(fù)偏置，因此可能不需要偏置電阻1000。然而，在圖10中示出了一個(gè)具有負(fù)偏置的峰值檢測(cè)器電路的示例。峰值檢測(cè)器電路的輸出1002從肖特基二極管Da、Db、Dc以及與其串聯(lián)的電容604、606、608之間獲得。
回頭參考圖6，可以看出兩個(gè)峰值檢測(cè)器電路600、602的輸出604、606被連接到差分放大器15，所述差分放大器產(chǎn)生輸出信號(hào)，由該信號(hào)可確定媒質(zhì)的含水量。因此，感測(cè)電路的輸出606可以看作第一測(cè)量，其可以是放大器15的輸出。
可以看出，圖6中的電路示出了在另外的峰值檢測(cè)器電路608中連接的第三肖特基二極管Da。該第三二極管Da形成了增益控制環(huán)路的一部分，所述增益控制環(huán)路還包括差分放大器14。放大器14的第一輸入由峰值檢測(cè)器600的輸出來提供，而第二輸入由峰值檢測(cè)器608的輸出來提供。峰值檢測(cè)器二極管Da具有直流電壓偏置，因此可以看作是參考二極管，所述直流電壓為所述增益控制環(huán)路設(shè)置了參考電平。優(yōu)選地，二極管Da、Db、Dc是匹配的。可以看出，具有增益控制環(huán)路的這種裝置確保了電子器件是受控的并且是穩(wěn)定的，與溫度、環(huán)境或媒質(zhì)條件等無關(guān)。
對(duì)復(fù)阻抗4中的成份的選擇使得濕度傳感器裝置的性能能夠被優(yōu)化。如果濕度傳感器不受探頭所在的媒質(zhì)的電導(dǎo)率變化的影響，則這是有利的。
通過選擇復(fù)阻抗4中的成份，有可能修改電路使得可以選擇性地選擇響應(yīng)上的一點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于一個(gè)容積比含水量值，在該點(diǎn)上由于媒質(zhì)鹽度或養(yǎng)分含量導(dǎo)致的誤差趨近于零。通過選擇成份，還有可能調(diào)整濕度傳感器響應(yīng)的線性，例如，使得其在高或低容積比含水量時(shí)具有更大或更小的靈敏度。這種高級(jí)別的靈活性是有利的，因?yàn)樗试S最小化土壤中鹽度或養(yǎng)分的影響，例如根據(jù)不同應(yīng)用和不同媒質(zhì)的需要修改濕度傳感器的響應(yīng)。
圖7示出了能與上述任一實(shí)施例的電路一起使用的各種可能的探頭裝置。圖7a示出了一種其中探頭包括兩個(gè)探針5a和5b的裝置。所述兩個(gè)探針之一(在這里是5a)接地，同時(shí)信號(hào)施加在另一個(gè)探針5b上。位于兩個(gè)探針之間的媒質(zhì)中的水改變了媒質(zhì)的電介質(zhì)屬性，從而改變了感測(cè)電子器件602、600上的信號(hào)。
圖7b示出了可以適合于探頭的另一種裝置。在該實(shí)施例中存在三個(gè)探針信號(hào)注入到探針5b，而另外兩個(gè)探針5a均接地。參考圖7c和圖7d可以明顯看出，這種實(shí)施例相比圖7a的實(shí)施例提供了對(duì)探針5b上屏蔽信號(hào)的更接近的近似。
圖7c示出了適合于與前述實(shí)施例一起使用的探頭的另一種可能實(shí)施例。在該實(shí)施例中，存在單個(gè)信號(hào)探針5b，但是存在三個(gè)接地探針5a，其繞著以信號(hào)探針5b為中心的圓相互間隔大約120°進(jìn)行設(shè)置。還可以實(shí)現(xiàn)具有4個(gè)或更多個(gè)外圍探針5a的類似裝置。在某些應(yīng)用中，圖7c的裝置比圖7a或圖7b的裝置更優(yōu)選，其提供了增大的靈敏度和/或增大的感測(cè)容量。
圖7d示出了另一個(gè)實(shí)施例，即所謂的同軸裝置，其中信號(hào)探針5b被管裝導(dǎo)電接地平面5a所屏蔽。探針5a上可以有圖案，或者有網(wǎng)眼或類似設(shè)置，使得允許水分通過。顯然，除圖7所示以外的其它探針裝置及其變形是可能的。
圖8示出了如圖7a中實(shí)施例所示的具有兩個(gè)探針5a和5b的探頭9。探頭9通過電纜11連接，所述電纜利用連接器10將探頭9連接至前述濕度傳感器的實(shí)施例中的任意一個(gè)?？梢砸庾R(shí)到，可以不使用電纜，并且可以使用無線(諸如紅外、藍(lán)牙、WiFi或其它無線鏈路)等連接。事實(shí)上，在其它實(shí)施例中濕度傳感器也可以安放在探頭上，這種也稱為嵌入式的實(shí)施例。在這種嵌入式的實(shí)施例中，數(shù)據(jù)可以記錄在存儲(chǔ)器中以備后用，和/或可以在探頭上配備顯示器以便用戶觀察濕度。
圖9示出了可以與前述實(shí)施例一起使用的另一個(gè)實(shí)施例，其提供了沿著支撐裝置900排列的多個(gè)探頭。支撐裝置900包括把手902和軸8。沿著軸8的長(zhǎng)度方向間隔部署了四對(duì)導(dǎo)電環(huán)904，每對(duì)導(dǎo)電環(huán)提供一個(gè)探頭。所述對(duì)環(huán)中的一個(gè)環(huán)提供信號(hào)探針5b，同時(shí)所述對(duì)環(huán)中的另一個(gè)環(huán)提供接地探針5a。在每對(duì)中每個(gè)環(huán)之間的電場(chǎng)是感測(cè)區(qū)域，如標(biāo)記7所示。所述支撐裝置可以直接插入到媒質(zhì)中，或者通過接口管耦合以便支撐裝置能夠容易地插入媒質(zhì)和從媒質(zhì)中移除。
圖12示出了一個(gè)實(shí)施例，其是圖6的一個(gè)變體。同樣可以看到提供了振蕩器1、增益控制2、感測(cè)阻抗Za3和復(fù)阻抗Zb4，以及在圖6中繪出的其它電路。該實(shí)施例還額外增加了測(cè)量位于感測(cè)阻抗和振蕩器之間的點(diǎn)100與復(fù)阻抗4的輸出端(也即位于復(fù)阻抗4和探頭5a、5b之間)之間的差分信號(hào)。還示出了兩個(gè)另外的峰值檢測(cè)器裝置610、612，包括Dd和De以及放大器16，用于測(cè)量這兩個(gè)被檢測(cè)信號(hào)之間的差分信號(hào)，其提供第二測(cè)量。在這種設(shè)置中，復(fù)阻抗4被設(shè)置成使得其對(duì)媒質(zhì)中的水分敏感。因此，在感測(cè)阻抗Za3上測(cè)量并由放大器15輸出的差分信號(hào)對(duì)媒質(zhì)中的濕度敏感。位于復(fù)阻抗4輸出端(也即位于復(fù)阻抗與探頭之間)的信號(hào)對(duì)媒質(zhì)的電導(dǎo)率敏感，因此放大器16的輸出信號(hào)對(duì)媒質(zhì)的電導(dǎo)率敏感。由此可以推導(dǎo)出媒質(zhì)的濕度以及媒質(zhì)的電導(dǎo)率。優(yōu)選地，還包括溫度傳感器，因此使得傳感器能夠測(cè)量水分、電導(dǎo)率和溫度。
在另一個(gè)實(shí)施例中，圖3、圖4和圖5中的信號(hào)檢測(cè)器7可以包括測(cè)量信號(hào)相位的信號(hào)檢測(cè)器裝置，或者在另一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)量信號(hào)的幅度和相位二者。圖6和圖12中的裝置可以使用類似的信號(hào)檢測(cè)器替代所述峰值檢測(cè)器裝置。
在另一個(gè)實(shí)施例中，探頭可以包括用于將信號(hào)注入到媒質(zhì)中的單個(gè)探針以及用于與媒質(zhì)接觸的環(huán)。該環(huán)通常是接地的，并且代替圖7a中的接地探針5a。
在其它實(shí)施例中，盡管圖中未示出，但是探頭可以包括稱為襯質(zhì)勢(shì)探頭的結(jié)構(gòu)。在這種實(shí)施例中，如圖7a至圖7d的裝置中的任意一個(gè)中所示的探針5a和5b嵌入在諸如石膏、混凝土或纖維材料之類的襯質(zhì)材料中。
在另一個(gè)實(shí)施例中，盡管圖中未示出，探頭可以包括稱為電介質(zhì)張力計(jì)的結(jié)構(gòu)。在這種實(shí)施例中，如圖7a至圖7d的裝置中的任意一個(gè)中所示的探針5a和5b嵌入在陶瓷材料中。
在某些實(shí)施例中，注入媒質(zhì)中的信號(hào)有可能是由濕度傳感器外部的并且連接到信號(hào)源的振蕩器產(chǎn)生的。在其它實(shí)施例中信號(hào)源可以包括振蕩器。
權(quán)利要求
1.一種濕度傳感器，包括信號(hào)源，用于提供信號(hào)；探頭，用于將所述信號(hào)注入需要測(cè)量其濕度的媒質(zhì)中；復(fù)阻抗，放置在所述探頭與所述信號(hào)源之間；以及感測(cè)電子器件，用于監(jiān)測(cè)在所述信號(hào)源與所述復(fù)阻抗之間的點(diǎn)上的信號(hào)，并產(chǎn)生第一測(cè)量，由該測(cè)量指示所述媒質(zhì)的濕度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述復(fù)阻抗以Pi電路裝置的形式設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其中感測(cè)阻抗與所述復(fù)阻抗串聯(lián)放置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中所述感測(cè)阻抗、所述復(fù)阻抗與所述探頭使用時(shí)插入的媒質(zhì)所提供的阻抗一起形成分壓器，并且所述感測(cè)電子器件用于監(jiān)測(cè)位于所述感測(cè)阻抗和所述復(fù)阻抗連接點(diǎn)處的信號(hào)。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述信號(hào)源用于產(chǎn)生基本上在恒定頻率上的信號(hào)。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述感測(cè)電子器件用于監(jiān)測(cè)所述第一測(cè)量的幅度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其中所述感測(cè)電子器件包括一個(gè)或多個(gè)峰值檢測(cè)器電路。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述感測(cè)電子器件用于監(jiān)測(cè)位于所述探頭和所述復(fù)阻抗之間的點(diǎn)上的信號(hào)，并由此產(chǎn)生第二測(cè)量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器，其中所述第二測(cè)量提供對(duì)所述媒質(zhì)的電導(dǎo)率的指示。
10.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述第一測(cè)量被設(shè)置成對(duì)所述媒質(zhì)的介電常數(shù)敏感。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述感測(cè)電子器件用于對(duì)所述信號(hào)的幅度和相位二者都進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
12.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其包括溫度傳感器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的傳感器，其中可以測(cè)量下述媒質(zhì)特性中的任意一個(gè)或多個(gè)特性溫度、介電常數(shù)、濕度、容積比含水量、電導(dǎo)率和/或鹽度。
14.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中提供了多個(gè)探頭，并且所述多個(gè)探頭沿著支撐裝置排列。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳感器，其中所述支撐裝置允許測(cè)量媒質(zhì)中的濕度分布。
16.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中增益控制環(huán)路被插入或直接跟在所述信號(hào)源之后，以提供幅度和/或溫度穩(wěn)定的信號(hào)。
17.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中在所述復(fù)阻抗與所述信號(hào)源之間放置感測(cè)阻抗。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的傳感器，其中所述感測(cè)電子器件監(jiān)測(cè)位于所述感測(cè)阻抗與所述復(fù)阻抗之間的信號(hào)以產(chǎn)生所述第一測(cè)量。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的傳感器，其中所述感測(cè)電子器件差分地測(cè)量所述感測(cè)阻抗上的信號(hào)，以便產(chǎn)生所述第一測(cè)量。
20.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其被設(shè)置成產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)均具有不同的頻率，并將所述兩個(gè)信號(hào)通過所述探頭施加到所述媒質(zhì)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的傳感器，其中所述兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)是順序地施加的。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的傳感器，其中所述兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)是同時(shí)或幾乎同時(shí)施加的。
23.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述復(fù)阻抗與所述媒質(zhì)的標(biāo)稱阻抗不匹配。
24.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述信號(hào)源由所述傳感器內(nèi)的振蕩器和到外部振蕩器的連接之一所提供。
25.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中復(fù)阻抗被設(shè)置成使得由所述感測(cè)電子器件監(jiān)測(cè)的信號(hào)對(duì)媒質(zhì)介電常數(shù)的變化具有較大的靈敏度，而對(duì)媒質(zhì)電導(dǎo)率的變化具有較小的靈敏度。
26.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述復(fù)阻抗被設(shè)置成使得由所述感測(cè)電子器件監(jiān)測(cè)的信號(hào)對(duì)媒質(zhì)中含水量的變化具有較大的靈敏度，而對(duì)所述媒質(zhì)中的鹽度或養(yǎng)分具有較小的靈敏度。
27.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述探頭包括陶瓷或其它襯質(zhì)材料部分，并且被設(shè)置成使得圍繞所述探頭的所述媒質(zhì)的張力和/或襯質(zhì)勢(shì)能夠被確定。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的傳感器，其被設(shè)置成使得由所述探頭產(chǎn)生的電磁場(chǎng)基本上保持在所述陶瓷或其它襯質(zhì)材料部分中。
29.一種測(cè)量媒質(zhì)的濕度的方法，包括將信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)通過復(fù)阻抗和探頭注入到所述媒質(zhì)中；監(jiān)測(cè)在所述信號(hào)源和所述復(fù)阻抗之間的點(diǎn)上的信號(hào)，以便產(chǎn)生第一測(cè)量，該第一測(cè)量指示所述媒質(zhì)的濕度。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中所述復(fù)阻抗用于使得在所述信號(hào)源與所述復(fù)阻抗之間的點(diǎn)上的所述信號(hào)對(duì)于所述媒質(zhì)的介電常數(shù)的變化敏感，而對(duì)于所述媒質(zhì)電導(dǎo)率的變化不敏感。
31.根據(jù)權(quán)利要求29或30所述的方法，其中在所述復(fù)阻抗與所述探頭之間的點(diǎn)上監(jiān)測(cè)所述信號(hào)，以產(chǎn)生第二測(cè)量，該第二測(cè)量指示所述媒質(zhì)的電導(dǎo)率。
32.根據(jù)權(quán)利要求29-31中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一測(cè)量的幅度用于確定所述濕度。
33.根據(jù)權(quán)利要求29-32中任一項(xiàng)所述的方法，其中由所述信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)在通過所述復(fù)阻抗之前還通過感測(cè)阻抗。
34.根據(jù)權(quán)利要求29-33中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述探頭包括陶瓷或其它襯質(zhì)材料部分，并且用于確定所述媒質(zhì)的張力。
35.一種濕度傳感器，其基本上如此處參考附圖所描述和所說明的一樣。
36.一種測(cè)量媒質(zhì)的濕度的方法，其基本上如此處參考附圖所描述和所說明的一樣。
37.一種濕度傳感器，包括信號(hào)源，用于提供信號(hào)；探頭，用于將所述信號(hào)注入需要測(cè)量其濕度的媒質(zhì)中；以及感測(cè)電子器件，其中所述感測(cè)電子器件用于產(chǎn)生指示所述媒質(zhì)的濕度的所述信號(hào)的第一測(cè)量，以及指示所述媒質(zhì)的離子含量的第二測(cè)量。
38.一種濕度傳感器，包括信號(hào)源，用于提供信號(hào)；探頭，用于將所述信號(hào)注入需要測(cè)量其濕度的媒質(zhì)中；復(fù)阻抗，放置在所述探頭與所述信號(hào)源之間，其中所述復(fù)阻抗與所述探頭使用時(shí)插入的媒質(zhì)所提供的阻抗一起組成分壓器的一部分，所述分壓器的另一部分由感測(cè)阻抗提供，所述傳感器還包括感測(cè)電子器件，其用于感測(cè)位于所述感測(cè)阻抗與所述復(fù)阻抗之間的點(diǎn)上的信號(hào)。
39.一種濕度傳感器，包括信號(hào)源，用于提供信號(hào)；探頭，用于將所述信號(hào)注入需要測(cè)量其濕度的媒質(zhì)中；復(fù)阻抗，以PI電路的形式提供，放置在所述探頭與所述信號(hào)源之間；以及感測(cè)電子器件，用于監(jiān)測(cè)位于所述信號(hào)源與所述復(fù)阻抗之間的點(diǎn)上的信號(hào)，并產(chǎn)生第一測(cè)量，由該第一測(cè)量指示所述媒質(zhì)的濕度。
40.一種濕度傳感器，包括信號(hào)源，用于提供基本上在恒定頻率上的信號(hào)；探頭，用于將所述信號(hào)注入需要測(cè)量其濕度的媒質(zhì)中；復(fù)阻抗，放置在所述探頭和所述信號(hào)源之間；以及感測(cè)電子器件，用于監(jiān)測(cè)位于所述信號(hào)源和所述復(fù)阻抗之間的點(diǎn)上的信號(hào)，并產(chǎn)生第一測(cè)量，由該第一測(cè)量指示所述媒質(zhì)中的濕度。
全文摘要
一種濕度傳感器，包括信號(hào)源(400)，用于提供信號(hào)；探頭(9)，用于將該信號(hào)注入需要測(cè)量其濕度的媒質(zhì)(6)中；復(fù)阻抗(4)，放置在探頭(9)與信號(hào)源(400)之間；以及感測(cè)電子器件(7)，用于監(jiān)測(cè)在信號(hào)源(400)與復(fù)阻抗(4)之間的點(diǎn)上的信號(hào)，并產(chǎn)生第一測(cè)量，由該第一測(cè)量指示媒質(zhì)(6)的濕度。
文檔編號(hào)G01N27/02GK101080631SQ200580043597
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2005年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
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