專利名稱：濕度傳感器及其相關方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種濕度傳感器，優(yōu)選地，但不排他地，涉及一種測量基質/媒質中含水量的含水量傳感器。在具體實施例中，該濕度傳感器用于測量土壤中的含水量。本發(fā)明也涉及相關方法。
背景技術：
通過對土壤含水量的測量的描述能夠方便地說明本發(fā)明構思的背景，但本發(fā)明具有更廣泛的應用。例如，濕度傳感器可以用于下述非窮舉的基質和/或媒質列表中的任意一種棉花、礦棉、沙子、石絨、火山物質、植物栽培介質、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用列表中找到測量應用環(huán)境監(jiān)測、灌溉監(jiān)測、灌溉控制、農作物產(chǎn)量優(yōu)化、洪水控制、濕氣測量、建筑物下陷、廢物堆肥監(jiān)測以及制藥工業(yè)的藥品生產(chǎn)。
測量土壤濕度是非平凡的且復雜的，為了測量到任意級別的精確度和再現(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)農作物生長在具有一定鹽度和養(yǎng)分的土壤中，其對應的電導率在60mS/m到400mS/m(0.6dS/m到4dS/m)之間。這個值可以低至20mS/m，并且對于諸如西紅柿之類的某些農作物可以高至500mS/m到600mS/m，在沿海地區(qū)環(huán)境(costal environment)土壤電導率可高達3,000mS/m。隨著在全世界范圍內關于糧食產(chǎn)量的壓力，農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?shù)佧}度問題。同時，在很多地區(qū)由于濫用地下水和簡陋的排水設備，鹽漬化問題每年都在加重。在很多環(huán)境中，24小時期間溫度會發(fā)生劇烈變化，某些情況下變化達40攝氏度。對于用于監(jiān)測和控制應用的土壤濕度傳感器，還有更多應用方面的考慮，諸如濕度傳感器響應時間和傳感器響應滯后。
土壤鹽度和養(yǎng)分的變化會在估計土壤含水量上導致誤差，其可能是顯著的誤差。土壤的電導率隨溫度變化，進一步增加了精確的土壤水分測量的復雜性，照此，如果濕度傳感器具有明顯的鹽度響應，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產(chǎn)生。
電介質土壤濕度傳感器解決了其它感測技術的許多應用和精確性問題，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時間，對于快速變濕或變干的土壤無滯后響應。然而，電介質濕度傳感器的性能通常受限于對土壤中鹽度和養(yǎng)分級別的靈敏度，以及對溫度變化的靈敏度。
已知多種測量土壤含水量的技術。中子探測儀已被廣泛使用，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)章限制的負擔，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在諸如灌溉之類的應用中的實用性。同時也發(fā)現(xiàn)，中子探測儀在土壤上層15cm中不精確。而這個區(qū)域對于淺根植物特別重要，尤其對于大量商業(yè)種植的淺根農作物特別重要。
襯質勢傳感器(matric potential傳感器)測量土壤的襯質勢而不是土壤的容積比含水量。土壤水分從土壤傳輸?shù)揭r質材料，并且襯質材料的電阻被依次測量。襯質勢傳感器通常由石膏做成，成本低但是響應時間慢，滯后明顯，并且通常壽命短(特別是在強酸性土壤中它們只能維持不到一季度的時間)。典型的，在不同傳感器之間有明顯差異，并且校準復雜，通常未校準的傳感器具有較差的絕對精確度，因此一般用于監(jiān)測趨勢而不是絕對的土壤特性。慢的響應時間以及滯后現(xiàn)象限制了傳感器在某些土壤中的應用，尤其是沙質土壤，其中潮濕的前部會快速滲入土壤。相似地，這可能限制了它們在需要對土壤變化進行快速響應的灌溉控制上的應用。
張力計測量土壤的張力，即測量植物從土壤吸取水分的難易程度。張力計典型地是充水的并且需要定期維護。
TDR(時域反射計)通過測量電磁波在土壤中的傳輸時間而工作。這種技術在諸如微粒土壤之類的某些土壤中精確度較小，并且可能需要復雜且昂貴的電子器件來實現(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。這種裝置一定程度上降低了感測電子器件對土壤電導率的靈敏度。用于這種濕度傳感器的電子器件對土壤電導率具有高靈敏度，這迫使在感測電子器件和土壤之間使用電介質阻擋層。電介質覆層在降低對土壤電導率靈敏度方面只是部分有效，這導致了濕度傳感器對土壤電導率和鹽度的靈敏性。這種裝置使得為了達到一定級別的靈敏度，電介質阻擋層必須較薄(大概0.05mm厚度)。這導致探頭不夠結實，從而限制了其中可以可靠使用濕度傳感器的應用。
另一項現(xiàn)有技術的例子是US5859536，其公開了利用兩個阻抗匹配網(wǎng)絡的濕度傳感器，通過這兩個網(wǎng)絡使得土壤媒質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中的探頭上測量匹配電路輸出端的整流信號。這種裝置被發(fā)現(xiàn)只能提供對土壤導電性的有限的不靈敏度。
另外的現(xiàn)有技術的例子是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濕度傳感器。這樣設置探頭裝置和傳輸線，使得探頭裝置中的土壤的標稱地阻抗匹配于傳輸線的阻抗。一個信號被注入土壤中。如果傳輸線的阻抗與探頭的不匹配，則部分信號會被反射回來。利用從所注入的信號的反射來確定土壤的容積比含水量。這種裝置測量兩個信號，一個信號是在濕度傳感器的輸出端，因此仍然易受土壤電導率變化的影響，在高容積比含水量時該影響很明顯，當在諸如礦棉或石絨之類的人造栽培基質上使用時，這尤其是個問題。
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的探頭上測量信號的裝置中，在農業(yè)土壤中通常具備的條件范圍內，很有可能即使是在諸如100MHz的高頻，信號也會受被測水分中的離子含量(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，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，土壤的溫度，甚至是土壤本身的構成。例如，如果土壤中含有雜質，那么土壤的電導率會明顯變化，最好將濕度傳感器設置成對這種電導率變化不敏感。因此，制造一種能夠在各種可能經(jīng)歷的條件下準確提供土壤含水量的濕度傳感器是個問題。

發(fā)明內容
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的信號源，用于將該信號注入需要測量其濕度的媒質中的探頭，放置在探頭與信號源之間的復阻抗，以及感測電子器件，該感測電子器件用于監(jiān)測在信號源與復阻抗之間的點上的信號，并產(chǎn)生第一測量，由該第一測量指示媒質的濕度。
這樣一種裝置是有利的，因為它可以設置成使得其不受或者少受土壤電導率的影響，所述土壤電導率根據(jù)雜質的存在與否會發(fā)生明顯變化。同樣地，該方法可以比現(xiàn)有技術的方法更精確。此外，可以明顯看出，本發(fā)明的實施例允許從所述第一測量導出濕度(有時是指容積比濕度)，而不需要參考其它測量。
優(yōu)選地，所述復阻抗被設置成其使得被感測電子器件監(jiān)測的信號對媒質介電常數(shù)的變化敏感，但對媒質電導率的變化不敏感。這樣一種裝置是有利的，因為媒質的電導率可能受諸如鹽、肥料等等雜質的極大影響，因此希望能夠在不需考慮這些雜質存在的情況下測量含水量。這種裝置更進一步的好處是，媒質的電導率依賴于溫度。因此，通過設置復阻抗使得感測的信號對媒質電導率不敏感，也最小化了對溫度的靈敏度。
此外，所述感測電子器件可以是可調整的。這樣一種裝置是便利的，因為它允許針對不同的媒質條件選擇性地最優(yōu)化濕度傳感器。在媒質為土壤的例子中，有可能使得濕度傳感器針對沙質和/或粘性土壤等進行最優(yōu)化，或者相似地，針對諸如石絨之類的栽培媒質進行最優(yōu)化。有可能將所述電子器件設置成選擇性地選擇響應中的一個點，對應于一個容積比含水量值，在該點處由于媒質鹽度或養(yǎng)分引起的誤差接近于零。
還有可能將電子器件設置成可被調整，從而使得濕度傳感器的響應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，可以設置電子器件，使得對于預定應用在最感興趣的響應范圍中由于媒質鹽度或養(yǎng)分引起的誤差接近于零，同時還最小化整個媒質濕度范圍上的誤差。
相似地，也可以設置所述電子器件，使得濕度傳感器的靈敏度是可調節(jié)的，從而匹配某個應用的特定需求，該應用例如是電介質張力計。在這種實施例中，可以在感測電極和被測陶瓷的濕度之間放置一個公知的陶瓷材料。例如，當傳感器和陶瓷置于土壤中時，陶瓷會從土壤中吸收水分，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)明的一個實施例，設置所述電子器件使得制造一種具有更好的線性響應和顯著提高的靈敏度，從而擴大可使用和敏感范圍的傳感器是可能的。電介質張力計提供了優(yōu)于充水張力計的益處，可以制造需要很少維護或不需要維護的張力計。
可以設置濕度傳感器使得要測量濕度的媒質是土壤。然而，也可以將濕度傳感器設置成測量其它媒質。下面大概列出了可以使用濕度傳感器來測量的媒質和/或基質的非窮舉列表，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。
振蕩器可以設置成產(chǎn)生基本上只在單個頻率上的信號。
振蕩器可以設置成產(chǎn)生大致在10MHz至1GHz范圍中的信號。更優(yōu)選地，振蕩器可以設置成產(chǎn)生大致在50MHz至300MHz范圍中的信號。在或許是最優(yōu)的實施例中，振蕩器設置成產(chǎn)生大概100MHz的信號。這些頻率是有利的，因為在一定程度上它們有助于減小媒質電導率對濕度傳感器進行的測量的影響。本領域的普通技術人員可以明顯看出，土壤的電導率涉及土壤的電阻，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，相對于對土壤電導率的靈敏度，使用高的頻率部分地增加了對土壤電容的靈敏度。
便利地，感測電子器件被設置成監(jiān)測信號的幅度。相比于許多現(xiàn)有技術中所使用的根據(jù)信號頻率變化來檢測土壤濕度的變化，這種設置是期望的。根據(jù)信號幅度的變化而不是信號頻率的變化來檢測土壤濕度的變化，允許使用較低成本且較低復雜度的電子器件來將檢測到的土壤水分轉換為相應的輸出電壓信號。還允許實現(xiàn)不同媒質的感測裝置。
感測電子器件可以包括一個或多個峰值檢測器電路。
探頭可以包括一個導電探針，通常是金屬探針，其用于插入到媒質中。所述探針可以是由不銹鋼制造的，其可以具有期望的機械強度和抗腐蝕性。如前所述，由于濕度傳感器被設置成對土壤電導率的變化不敏感，因此使用具有高導電性的高機械強度的探頭是可能的，這與某些現(xiàn)有技術中的情況不同。
可以設置探頭使得它可以被釘入媒質中。這樣的裝置是有利的，因為比如它允許將探頭插入到硬的和/或石質的土壤。
然而，在其它實施例中，所述探頭可以由碳或金屬環(huán)氧物、或導電聚合物等制造。在另外的附加實施例或可選實施例中，所述探頭可以包括一個覆有電介質的導電探針，或為探頭裝置使用PCB(印刷電路板)。這種設置是有益的，例如對于機械要求較少的應用可以降低制造成本，或者提供了例如在監(jiān)測極高導電率的電解液方案方面的應用。
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量其濕度的媒質的溫度。所述溫度傳感器可以與探頭或媒質和/或基質直接熱接觸，或者測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置成除確定濕度之外還確定媒質的電導率。
在另外的實施例中，所述感測電子器件也可以被設置成監(jiān)測復阻抗和探頭之間的點上的信號，并產(chǎn)生第二測量。在這些實施例中，在探頭和復阻抗之間的信號(以及因此的第二測量)會對媒質的電導率更加敏感，并且復阻抗可以設置成使得復阻抗與振蕩器之間的信號(以及因此的第一測量)對媒質的介電常數(shù)敏感，而對媒質的電導率不敏感。如果所述實施例中還包括溫度傳感器，那么也可以測量媒質的含水量、電導率和/或鹽度或養(yǎng)分、以及溫度。
在另一個實施例中，感測電子器件被設置成使得其測量信號的相位和幅度。在該實施例中，由于信號幅度對媒質電導率更敏感而信號相位對媒質介電常數(shù)更敏感，可以測量媒質的介電常數(shù)和濕度以及電導率和/或鹽度。在這個實施例中，還期望測量溫度。照這樣提供的濕度傳感器能夠測量媒質和/或基質的溫度、介電常數(shù)、濕度、電導率和/或鹽度。
在另一個可選的實施例中，復阻抗被設置成使得復阻抗與振蕩器之間的信號對媒質電導率不敏感，而對媒質介電常數(shù)敏感。在該實施例中，所述感測電子器件被設置成使得其測量信號的相位，在另一個實施例中測量相位和幅度二者。還可以測量溫度。
作為另一個實施例，振蕩器可以被設置成產(chǎn)生不止一個頻率。所述濕度傳感器可以設置成同時或者順序地應用所述頻率。如果使用不止一個頻率，則應用實質上不同頻率的信號可能是優(yōu)選的，并且應用間隔至少一個量級的信號或許是有利的。優(yōu)選地，至少應用一個頻率大致在50MHz至300MHz范圍中的信號。這種設置對于測量媒質電導率以及媒質濕度是有益的。
濕度傳感器可以包括多個下列中的任意一個探頭、感測電子器件、復阻抗。在這些實施例中，探頭可以沿著支持裝置縱向相互間隔排列。這種設置是有利的，因為其可以提供這樣的單個濕度傳感器，其能夠插入到媒質和/或基質中以生成媒質不同深度處的濕度分布(profile)。這種濕度傳感器在農業(yè)中具有特定的應用，即測量農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灌溉方面具有獨特的價值及遠見力。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中，其中感測探針與所述媒質直接電接觸，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，允許不費力地將儀器從媒質移開，同時也允許使用濕度傳感器在多個地點和/或多個安裝位置測量分布。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。對于農業(yè)中的應用，接口管的長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，因此能夠測量農作物根部地帶之上和之下的分布。
作為另一個變體，可以使用利用單個探頭的儀器測量濕度和/或電導率、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度移動并且在不同的位置進行測量，因此允許沿著接口管的長度方向測量分布。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種測量媒質中濕度的方法，包括將信號源生成的信號經(jīng)過復阻抗和探頭注入媒質中，監(jiān)測位于所述信號源和復阻抗之間一點上的信號以產(chǎn)生第一測量，該第一測量指示了媒質中的濕度。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種濕度傳感器，包括信號源，用于提供信號；探頭，用于將所述信號注入到需要測量其濕度的媒質中；以及感測電子器件，其中所述感測電子器件用于產(chǎn)生指示媒質中的濕度的信號的第一測量，以及指示水分中的離子含量的第二測量。
所述離子含量可以用于確定關于該水分的因素，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，包括信號源，用于提供信號；探頭，用于將所述信號注入到需要測量其濕度的媒質中；復阻抗，放置在探頭和信號源之間，其中所述復阻抗與探頭使用時所插入的媒質所提供的阻抗一起形成分壓器的一部分，另一部分由感測阻抗提供，所述傳感器還包括感測電子器件，用于感測位于所述感測阻抗和復阻抗之間的點上的信號。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供了一種濕度傳感器，包括信號源，用于提供信號；探頭，用于將所述信號注入到需要測量其濕度的媒質中；復阻抗，以PI電路的形式提供，放置在探頭和信號源之間；以及感測電子器件，用于監(jiān)測所述信號源與復阻抗之間的點上的信號，并產(chǎn)生第一測量，由該第一測量指示媒質的濕度。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供了一種濕度傳感器，包括信號源，用于提供基本上在恒定頻率上的信號；探頭，用于將所述信號注入到需要測量其濕度的媒質中；復阻抗，放置在探頭和信號源之間；以及感測電子器件，用于監(jiān)測所述信號源與復阻抗之間的點上的信號，并產(chǎn)生第一測量，由該第一測量指示媒質的濕度。
關于本發(fā)明的任一方面所討論的特征可以應用到本發(fā)明的任何其它方面。


以下是參考附圖僅作為舉例對本發(fā)明的詳細描述，在附圖中圖1和圖2示出了圖3-圖5中的電路的簡化的等效電路；圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電路；圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電路；圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的電路；圖6示意性地示出了使用增益控制環(huán)路的本發(fā)明實施例；圖7示出了適用于本發(fā)明實施例的探頭的感測探針裝置；圖8示出了用于將圖1-圖6以及圖12的電路連接到媒質的探頭；圖9示出了用于在多個點測量媒質特性的探頭裝置；圖10示出了峰值檢測器電路的一個例子；圖11示出了本發(fā)明實施例的一種可能的頻率響應；以及圖12示意性地示出了使用增益控制環(huán)路的本發(fā)明實施例。
具體實施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于提供濕度傳感器的感測電路10的示意圖。在本實施例中被測量的媒質6是土壤。濕度傳感器中的檢測器電路提供了復阻抗，其可以稱為阻抗Zb?？梢悦黠@看出，復阻抗是具有實部和虛部的阻抗，也即它既有電阻成份又有由電容和電感之一或二者同時提供的成份。
探頭插入到媒質中，于是連接到感測電路10，其中所述探頭的感測區(qū)域內包圍的媒質的量具有媒質阻抗Zmedium。在圖1中，探頭由兩個探針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(也叫信號發(fā)生器)用于產(chǎn)生高頻信號，典型的是正弦波。在本實施例中，該信號約為100MHz，但是本領域的普通技術人員可以明顯看出其它頻率也同樣適用。該信號饋入到探針5a和5b?？梢钥闯?，振蕩器1、復阻抗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，并且它的輸出補償了溫度和負載的變化，確保了注入到感測阻抗Za的信號是穩(wěn)定和可控制的。
感測阻抗Za3串聯(lián)連接在振蕩器1和復阻抗Zb4之間，并允許從該電路獲得輸出。圖3、圖4和圖5示出了連接信號檢測器7(其可以構成感測電子器件)的不同設置。
圖2示出了所述感測電路的示意圖。信號發(fā)生器400用于產(chǎn)生信號，從而使得在標記100處的信號是幅度和頻率穩(wěn)定的信號，與任何溫度或電負載變化無關。Zsense300對應于檢測器電路4和媒質6的組合的阻抗。
本發(fā)明的實施例可以設置成具有低的溫度響應，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)以及該鹽度響應的溫度依賴性，會產(chǎn)生響應的溫度依賴性。通過修改復阻抗Zb中的元件存在這樣的好處。因此，在某些實施例中，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6中的探針5a和5b將產(chǎn)生射頻電磁場。所產(chǎn)生的電磁場將包圍一定量的媒質6，對應于探頭的感測區(qū)域，其中該數(shù)量的媒質具有阻抗Zmedium。阻抗Zmedium將與復阻抗4(阻抗Zb的)相互作用，得到阻抗Zsense300，如圖2所示。
復阻抗4優(yōu)選地設置成使得位于復阻抗4與振蕩器400之間的(尤其是位于復阻抗4與阻抗Za之間的)信號對于Zmedium的電容成份敏感，而對Zmedium的電阻成份非常不敏感。這得到了阻抗Zsense，其對于媒質6的濕度敏感，但對媒質6的電導率不敏感。正如本領域的普通技術人員將意識到的，阻抗Za和Zsense可以設置成使得其組成一分壓器。媒質濕度的變化會導致Zsense的相應變化，其中在Za和Zsense之間的點200上的信號幅度對應于媒質的濕度，并且對媒質電導率不敏感。
圖11示出了檢測器電路裝置Za和Zsense的頻率響應的例子。媒質濕度的增大對應于Zmedium中電容的增大。Zmedium中電容的增大又導致Zsense阻抗響應中負的相關頻移。例如，應用固定的100MHz的信號，這具有增大Zsense的有效阻抗的作用。圖11中實線繪出的響應1102對應于當媒質具有低濕度時位于Za和Zsense之間的點200(圖2中)上的信號電壓。虛線響應1103對應于具有更高濕度的媒質。媒質濕度的任何增大或減小都會對位于Za和Zsense之間的點200處的信號幅度產(chǎn)生相應作用。
圖3示出了放置在感測阻抗Za3和復阻抗Zb4之間(也即位于復阻抗4和信號發(fā)生器之間)的單個信號檢測器7。在圖3、圖4和圖5中，感測阻抗Za由固定電阻R1表示，復阻抗4由設置在Pi電路裝置中的C1、C2、L1、R2的復阻抗表示。
因此，圖3、圖4和圖5的實施例中示出的電路被設置成使得媒質6的濕度的變化導致信號檢測器7中的信號的相應變化。在這些實施例中，信號檢測器7用于監(jiān)測信號源和復阻抗Zb4之間一點上的信號，并且由此產(chǎn)生第一測量。信號檢測器7的這種位置安排是有利的，因為它提供了一種比現(xiàn)有技術更簡單且更精確的裝置。媒質的阻抗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。所述電路的某些實施例可以允許針對下述參數(shù)中的任意一個或多個參數(shù)修改電路響應離子含量(例如鹽度/養(yǎng)分含量)；響應為線性的時期；以及響應曲線的形狀。修改這些單獨的響應特征在現(xiàn)有技術的裝置中通常是不可能的，譬如那些依靠阻抗匹配的裝置。本領域的普通技術人員將明白，可以通過改變Za、Zb、C1、C2以及L1的相對值實現(xiàn)這種修改，并且本領域的普通技術人員也很容易看出為了設計所希望的響應應該如何模擬所述響應。
修改這些特性對于制造對土壤電導率具有低靈敏度的傳感器以及制造在整個測量范圍內具有線性響應的傳感器尤其有益。在一特定實施例中，探頭包括陶瓷材料，并且測量陶瓷材料中的濕度。這也常常稱為電介質張力計傳感器，并且允許測量土壤張力。然而，陶瓷材料典型地具有非線性放水曲線，因此它的響應是非線性的。本發(fā)明的這種實施例應當允許針對給定的陶瓷材料來修改電路以提供具有更好線性的響應，從而提高測量的精確度和測量范圍。這可以相似地應用于修改襯質材料的響應，所述襯質材料用于測量襯質勢。
在其中電介質張力計傳感器的響應被線性化的本發(fā)明實施例中，很可能比現(xiàn)有技術的傳感器需要更少的維護?，F(xiàn)有技術的張力計傳感器通常所需要的這種維護使得這些傳感器很昂貴，因此本發(fā)明實施例對于希望使用不需要太多維護的傳感器的農業(yè)應用尤其有利。
圖4示出了另一個實施例，其中兩個信號檢測器分別放置在所述感測阻抗3的每一側。位于復阻抗與感測阻抗之間的點200上的信號檢測器能夠檢測媒質中的水分變化。位于感測阻抗另一側的在感測阻抗和振蕩器之間的點100上的信號檢測器能夠檢測參考信號的變化。在感測阻抗與振蕩器之間的點100上檢測到的信號可以用來補償在復阻抗與感測阻抗之間的點200上檢測到的信號。在感測阻抗與振蕩器之間的點100上檢測到的信號也可以用作參考以控制來自信號發(fā)生器400的信號。這種裝置可以提供比圖3的裝置更好的精確度。
圖5示出了另一個實施例，其中在感測阻抗3上測量差分信號。信號檢測器7對信號進行差分測量，其可以實現(xiàn)為單個信號檢測器，或者像圖4中所示的那樣實現(xiàn)為兩個分離的信號檢測器。在感測阻抗3上測量差分信號能夠解決參考信號的任何變化，提供改善的精確度。
從圖3、圖4和圖5中可以看出，復阻抗Zb4設置成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連接在復阻抗Zb4 Pi電路裝置的一側，在C1和L1之間，探頭連接在Pi電路裝置的另一側，在R2和電容C2之間。
復阻抗4可以以諸如用于例如在將差分信號而不是單端信號應用于媒質時的差分Pi裝置之類的其他形式實現(xiàn)。在圖3、圖4和圖5中，根據(jù)實際應用，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所示實施例之外的其它實施例中，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，因此仍將提供復阻抗。
圖6中示出了所述電路的當前優(yōu)選的實施例?？梢栽俅慰吹?，振蕩器1、增益控制2、感測阻抗Za3以及復阻抗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。在放大器12之后提供了濾波器13，以保證向感測阻抗Za3提供頻譜純粹的信號。
所述電路等效于圖5所示的電路，其中在感測阻抗Za3上測量差分信號。在圖6所示的電路中，本領域的普通技術人員很容易看出，信號檢測器7是峰值檢測器電路600、602，包括肖特基二極管Db和Dc以及充電電容604、606。所述峰值檢測器電路600、602提供了可以被認為是感測電子器件的部分。
提供復阻抗(Zb)的一個好處是使得在信號源與復阻抗(Zb)之間的點(也即圖2-圖5中的點200)上的信號對于土壤濕度敏感，而對于土壤鹽度不敏感。監(jiān)測點200上的信號的另一個好處是有可能從信號幅度的變化(例如使用峰值檢測器電路600、602)來檢測土壤濕度的變化，這也為以較低成本提供土壤濕度傳感器提供了可能性。所述峰值檢測器電路更進一步的好處是其幫助增大傳感器對溫度的不靈敏度，該好處在前面進行了討論。
為了清楚起見，在圖6中未示出形成所述峰值檢測電路一部分的負偏置電阻1000。有些檢測器二極管不需要負偏置，因此可能不需要偏置電阻1000。然而，在圖10中示出了一個具有負偏置的峰值檢測器電路的示例。峰值檢測器電路的輸出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，可以看出兩個峰值檢測器電路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，由該信號可確定媒質的含水量。因此，感測電路的輸出606可以看作第一測量，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器600的輸出來提供，而第二輸入由峰值檢測器608的輸出來提供。峰值檢測器二極管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)路設置了參考電平。優(yōu)選地，二極管Da、Db、Dc是匹配的?？梢钥闯?，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)境或媒質條件等無關。
對復阻抗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的電導率變化的影響，則這是有利的。
通過選擇復阻抗4中的成份，有可能修改電路使得可以選擇性地選擇響應上的一點，對應于一個容積比含水量值，在該點上由于媒質鹽度或養(yǎng)分含量導致的誤差趨近于零。通過選擇成份，還有可能調整濕度傳感器響應的線性，例如，使得其在高或低容積比含水量時具有更大或更小的靈敏度。這種高級別的靈活性是有利的，因為它允許最小化土壤中鹽度或養(yǎng)分的影響，例如根據(jù)不同應用和不同媒質的需要修改濕度傳感器的響應。
圖7示出了能與上述任一實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探針5a和5b的裝置。所述兩個探針之一(在這里是5a)接地，同時信號施加在另一個探針5b上。位于兩個探針之間的媒質中的水改變了媒質的電介質屬性，從而改變了感測電子器件602、600上的信號。
圖7b示出了可以適合于探頭的另一種裝置。在該實施例中存在三個探針信號注入到探針5b，而另外兩個探針5a均接地。參考圖7c和圖7d可以明顯看出，這種實施例相比圖7a的實施例提供了對探針5b上屏蔽信號的更接近的近似。
圖7c示出了適合于與前述實施例一起使用的探頭的另一種可能實施例。在該實施例中，存在單個信號探針5b，但是存在三個接地探針5a，其繞著以信號探針5b為中心的圓相互間隔大約120°進行設置。還可以實現(xiàn)具有4個或更多個外圍探針5a的類似裝置。在某些應用中，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/或增大的感測容量。
圖7d示出了另一個實施例，即所謂的同軸裝置，其中信號探針5b被管裝導電接地平面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中實施例所示的具有兩個探針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施例中的任意一個?？梢砸庾R到，可以不使用電纜，并且可以使用無線(諸如紅外、藍牙、WiFi或其它無線鏈路)等連接。事實上，在其它實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施例。在這種嵌入式的實施例中，數(shù)據(jù)可以記錄在存儲器中以備后用，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施例一起使用的另一個實施例，其提供了沿著支撐裝置900排列的多個探頭。支撐裝置900包括把手902和軸8。沿著軸8的長度方向間隔部署了四對導電環(huán)904，每對導電環(huán)提供一個探頭。所述對環(huán)中的一個環(huán)提供信號探針5b，同時所述對環(huán)中的另一個環(huán)提供接地探針5a。在每對中每個環(huán)之間的電場是感測區(qū)域，如標記7所示。所述支撐裝置可以直接插入到媒質中，或者通過接口管耦合以便支撐裝置能夠容易地插入媒質和從媒質中移除。
圖12示出了一個實施例，其是圖6的一個變體。同樣可以看到提供了振蕩器1、增益控制2、感測阻抗Za3和復阻抗Zb4，以及在圖6中繪出的其它電路。該實施例還額外增加了測量位于感測阻抗和振蕩器之間的點100與復阻抗4的輸出端(也即位于復阻抗4和探頭5a、5b之間)之間的差分信號。還示出了兩個另外的峰值檢測器裝置610、612，包括Dd和De以及放大器16，用于測量這兩個被檢測信號之間的差分信號，其提供第二測量。在這種設置中，復阻抗4被設置成使得其對媒質中的水分敏感。因此，在感測阻抗Za3上測量并由放大器15輸出的差分信號對媒質中的濕度敏感。位于復阻抗4輸出端(也即位于復阻抗與探頭之間)的信號對媒質的電導率敏感，因此放大器16的輸出信號對媒質的電導率敏感。由此可以推導出媒質的濕度以及媒質的電導率。優(yōu)選地，還包括溫度傳感器，因此使得傳感器能夠測量水分、電導率和溫度。
在另一個實施例中，圖3、圖4和圖5中的信號檢測器7可以包括測量信號相位的信號檢測器裝置，或者在另一個實施例中，測量信號的幅度和相位二者。圖6和圖12中的裝置可以使用類似的信號檢測器替代所述峰值檢測器裝置。
在另一個實施例中，探頭可以包括用于將信號注入到媒質中的單個探針以及用于與媒質接觸的環(huán)。該環(huán)通常是接地的，并且代替圖7a中的接地探針5a。
在其它實施例中，盡管圖中未示出，但是探頭可以包括稱為襯質勢探頭的結構。在這種實施例中，如圖7a至圖7d的裝置中的任意一個中所示的探針5a和5b嵌入在諸如石膏、混凝土或纖維材料之類的襯質材料中。
在另一個實施例中，盡管圖中未示出，探頭可以包括稱為電介質張力計的結構。在這種實施例中，如圖7a至圖7d的裝置中的任意一個中所示的探針5a和5b嵌入在陶瓷材料中。
在某些實施例中，注入媒質中的信號有可能是由濕度傳感器外部的并且連接到信號源的振蕩器產(chǎn)生的。在其它實施例中信號源可以包括振蕩器。
權利要求
1.一種濕度傳感器，包括信號源，用于提供信號；探頭，用于將所述信號注入需要測量其濕度的媒質中；復阻抗，放置在所述探頭與所述信號源之間；以及感測電子器件，用于監(jiān)測在所述信號源與所述復阻抗之間的點上的信號，并產(chǎn)生第一測量，由該測量指示所述媒質的濕度。
2.根據(jù)權利要求1所述的傳感器，其中所述復阻抗以Pi電路裝置的形式設置。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的傳感器，其中感測阻抗與所述復阻抗串聯(lián)放置。
4.根據(jù)權利要求3所述的傳感器，其中所述感測阻抗、所述復阻抗與所述探頭使用時插入的媒質所提供的阻抗一起形成分壓器，并且所述感測電子器件用于監(jiān)測位于所述感測阻抗和所述復阻抗連接點處的信號。
5.根據(jù)前述任一權利要求所述的傳感器，其中所述信號源用于產(chǎn)生基本上在恒定頻率上的信號。
6.根據(jù)前述任一權利要求所述的傳感器，其中所述感測電子器件用于監(jiān)測所述第一測量的幅度。
7.根據(jù)權利要求6所述的傳感器，其中所述感測電子器件包括一個或多個峰值檢測器電路。
8.根據(jù)前述任一權利要求所述的傳感器，其中所述感測電子器件用于監(jiān)測位于所述探頭和所述復阻抗之間的點上的信號，并由此產(chǎn)生第二測量。
9.根據(jù)權利要求8所述的傳感器，其中所述第二測量提供對所述媒質的電導率的指示。
10.根據(jù)前述任一權利要求所述的傳感器，其中所述第一測量被設置成對所述媒質的介電常數(shù)敏感。
11.根據(jù)前述任一權利要求所述的傳感器，其中所述感測電子器件用于對所述信號的幅度和相位二者都進行監(jiān)測。
12.根據(jù)前述任一權利要求所述的傳感器，其包括溫度傳感器。
13.根據(jù)權利要求12所述的傳感器，其中可以測量下述媒質特性中的任意一個或多個特性溫度、介電常數(shù)、濕度、容積比含水量、電導率和/或鹽度。
14.根據(jù)前述任一權利要求所述的傳感器，其中提供了多個探頭，并且所述多個探頭沿著支撐裝置排列。
15.根據(jù)權利要求14所述的傳感器，其中所述支撐裝置允許測量媒質中的濕度分布。
16.根據(jù)前述任一權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源之后，以提供幅度和/或溫度穩(wěn)定的信號。
17.根據(jù)前述任一權利要求所述的傳感器，其中在所述復阻抗與所述信號源之間放置感測阻抗。
18.根據(jù)權利要求17所述的傳感器，其中所述感測電子器件監(jiān)測位于所述感測阻抗與所述復阻抗之間的信號以產(chǎn)生所述第一測量。
19.根據(jù)權利要求17所述的傳感器，其中所述感測電子器件差分地測量所述感測阻抗上的信號，以便產(chǎn)生所述第一測量。
20.根據(jù)前述任一權利要求所述的傳感器，其被設置成產(chǎn)生兩個或多個信號，每個信號均具有不同的頻率，并將所述兩個信號通過所述探頭施加到所述媒質。
21.根據(jù)權利要求20所述的傳感器，其中所述兩個或多個信號是順序地施加的。
22.根據(jù)權利要求21所述的傳感器，其中所述兩個或多個信號是同時或幾乎同時施加的。
23.根據(jù)前述任一權利要求所述的傳感器，其中所述復阻抗與所述媒質的標稱阻抗不匹配。
24.根據(jù)前述任一權利要求所述的傳感器，其中所述信號源由所述傳感器內的振蕩器和到外部振蕩器的連接之一所提供。
25.根據(jù)前述任一權利要求所述的傳感器，其中復阻抗被設置成使得由所述感測電子器件監(jiān)測的信號對媒質介電常數(shù)的變化具有較大的靈敏度，而對媒質電導率的變化具有較小的靈敏度。
26.根據(jù)前述任一權利要求所述的傳感器，其中所述復阻抗被設置成使得由所述感測電子器件監(jiān)測的信號對媒質中含水量的變化具有較大的靈敏度，而對所述媒質中的鹽度或養(yǎng)分具有較小的靈敏度。
27.根據(jù)前述任一權利要求所述的傳感器，其中所述探頭包括陶瓷或其它襯質材料部分，并且被設置成使得圍繞所述探頭的所述媒質的張力和/或襯質勢能夠被確定。
28.根據(jù)權利要求27所述的傳感器，其被設置成使得由所述探頭產(chǎn)生的電磁場基本上保持在所述陶瓷或其它襯質材料部分中。
29.一種測量媒質的濕度的方法，包括將信號源產(chǎn)生的信號通過復阻抗和探頭注入到所述媒質中；監(jiān)測在所述信號源和所述復阻抗之間的點上的信號，以便產(chǎn)生第一測量，該第一測量指示所述媒質的濕度。
30.根據(jù)權利要求28所述的方法，其中所述復阻抗用于使得在所述信號源與所述復阻抗之間的點上的所述信號對于所述媒質的介電常數(shù)的變化敏感，而對于所述媒質電導率的變化不敏感。
31.根據(jù)權利要求29或30所述的方法，其中在所述復阻抗與所述探頭之間的點上監(jiān)測所述信號，以產(chǎn)生第二測量，該第二測量指示所述媒質的電導率。
32.根據(jù)權利要求29-31中任一項所述的方法，其中所述第一測量的幅度用于確定所述濕度。
33.根據(jù)權利要求29-32中任一項所述的方法，其中由所述信號源產(chǎn)生的信號在通過所述復阻抗之前還通過感測阻抗。
34.根據(jù)權利要求29-33中任一項所述的方法，其中所述探頭包括陶瓷或其它襯質材料部分，并且用于確定所述媒質的張力。
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。
36.一種測量媒質的濕度的方法，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，包括信號源，用于提供信號；探頭，用于將所述信號注入需要測量其濕度的媒質中；以及感測電子器件，其中所述感測電子器件用于產(chǎn)生指示所述媒質的濕度的所述信號的第一測量，以及指示所述媒質的離子含量的第二測量。
38.一種濕度傳感器，包括信號源，用于提供信號；探頭，用于將所述信號注入需要測量其濕度的媒質中；復阻抗，放置在所述探頭與所述信號源之間，其中所述復阻抗與所述探頭使用時插入的媒質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阻抗提供，所述傳感器還包括感測電子器件，其用于感測位于所述感測阻抗與所述復阻抗之間的點上的信號。
39.一種濕度傳感器，包括信號源，用于提供信號；探頭，用于將所述信號注入需要測量其濕度的媒質中；復阻抗，以PI電路的形式提供，放置在所述探頭與所述信號源之間；以及感測電子器件，用于監(jiān)測位于所述信號源與所述復阻抗之間的點上的信號，并產(chǎn)生第一測量，由該第一測量指示所述媒質的濕度。
40.一種濕度傳感器，包括信號源，用于提供基本上在恒定頻率上的信號；探頭，用于將所述信號注入需要測量其濕度的媒質中；復阻抗，放置在所述探頭和所述信號源之間；以及感測電子器件，用于監(jiān)測位于所述信號源和所述復阻抗之間的點上的信號，并產(chǎn)生第一測量，由該第一測量指示所述媒質中的濕度。
全文摘要
一種濕度傳感器，包括信號源(400)，用于提供信號；探頭(9)，用于將該信號注入需要測量其濕度的媒質(6)中；復阻抗(4)，放置在探頭(9)與信號源(400)之間；以及感測電子器件(7)，用于監(jiān)測在信號源(400)與復阻抗(4)之間的點上的信號，并產(chǎn)生第一測量，由該第一測量指示媒質(6)的濕度。
文檔編號G01N27/02GK101080631SQ200580043597
公開日2007年11月28日 申請日期2005年12月19日 優(yōu)先權日2004年12月17日
發(fā)明者G·M·洛克 申請人:德爾塔-T設備有限公司