专利名称：基于电容的湿度传感器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及土壤或其他材料的湿度检测，并且更具体地，涉及基于电容的湿度传感器。
背景技术：
可以使用具有一个或多个基于电容的湿度传感器的探测器测量土壤或其他材料的体积含水量。每个基于电容的湿度传感器可以包括两个导电环，这两个导电环由电介质隔开以形成电容器。传感器可以被布置并紧固在探测器内，该探测器可以是能够插入土壤中的塑料输送管。每个电容器的电场延伸到输送管之外，并且与管周围的土壤相互作用，以使电容器的值能够变化。可变电容器可以与固定的电感器连接，以形成具有频率_F=1/(2ttVIZ)的自激振荡器。在题为“Moisture and Salinity Sensor and Method of Use (湿度和盐分传感器和使用方法)”的美国专利5418466中示出了这种装置的示例，该美国专利5418466涉及湿度和盐度测量，并且特别地涉及可以提供各种介质的湿度/复合介电常数的值的传感器以其使用方法。传感器装置被配置为用于指示介质的复合介电常数和电导率，并且使用调谐电路。该调谐电路振荡使得振荡频率代表介质的复合介电常数。基于电容的湿度传感器必须被校准。需要为每个不同的传感器设计和土壤类型做校准。通过测量有代表性的传感器对具有几个不同的体积含水量处指定土壤的频率响应，可以完成校准。校准过程可以涉及将一个或多个传感器组件安装在指定土壤类型的开阔田地中，并且在将水加入到土壤时监测传感器响应。在每个土壤样品可能被物理地移除并且被分析以建立与土壤读数拟合的响应曲线之前，该校准过程可能需要稳定土壤数天或数周。在各种含湿量中的每一种处，可以使用推土设备移除和切割土壤，以获得用于体积分析的实体土壤样品。此校准 过程可能是时间和劳动力密集型的。用于土壤或其它材料的基于电容的湿度传感器需要更有效的和成本有效的校准装置和方法。迁移介质(migrat ion medium)已经被提出用于基于电容的湿度传感器,试图减少或消除校准要求。例如，题为 “Soil Matric Potential and Salinity MeasurementApparatus and Method of Use ( 土壤基质势和盐度测量装置和使用的方法)”的美国专利7042234涉及土壤测量装置，其包括基于电容的土壤湿度和盐分传感器、预定湿度迁移介质，该预定湿度迁移介质定位在邻近所述传感器的空间中，使得该介质基本上占据所述传感器的影响区域。该介质与待测量的土壤进行湿度连通，并且所述传感器适于测量和产生代表所述介质的体积含水量的数据。传感器数据处理装置确定所述介质的土壤湿度和盐分两者。通过使用测得的土壤体积含水量和所述介质的湿度释放曲线，能够得到土壤的基质势。该介质的测量到的盐度对应于与该介质进行湿度连通的土壤的盐度。然而，迁移介质会增加用于传感器的地中安装装置的孔径，并且需要额外的时间和成本。存在对具有成本效益的、用于测试和表征土壤类型的小型的基于电容的湿度传感器和方法的需求。还存在用于小型的、具有成本效益的、快速操作和劳动密集程度低的基于电容的湿度传感器的校准的装置和方法的需求。
发明内容
—种基于电容的湿度传感器，该湿度传感器是小型的、更快的和/或劳动密集程度低的。在一个实施例中，该湿度传感器可以包括:具有内部空腔的套管；插入所述内部空腔的容器，该容器填充有土壤或其它材料；和一对环状导电带，该对环状导电带围绕所述套管的外部，形成电容器并且提供频率输出。围绕所述套管的圆周定位的所述环连接到固定的电感器，以形成具有可变频率输出的振荡器。此外，用于基于电容的湿度传感器的校准方法可以使用所述套管或校准夹具。可以根据用于多种物质种的每一种的频率输出，测量用于使材料饱和的体积含水量，并且确定一方程式中的至少一个拟合常数来校准该湿度传感器，其中在该方程式中体积含水量是频率输出和多个拟合常数的函数。
图1是根据本发明的一个实施例的具有基于电容的湿度传感器的校准夹具的侧面透视图。图2是根据本发明的第二实施例的具有基于电容的湿度传感器的校准夹具的侧部透视图。图3是根据本发明的第三实施例的基于电容的湿度传感器的侧面透视图。
具体实施例方式图1示出用于校 准用于土壤类型的一个或多个基于电容的湿度传感器102的校准夹具100的第一实施例。校准夹具100可以是具有大于探测器104的已知容积的壳体。例如，校准夹具100可以是PVC管，具有约2升的容积和约4英寸至约8英寸的直径。该校准夹具可以是圆筒形的或非圆筒形的，并且可以具有大于在该校准夹具中被校准的基于电容的湿度传感器102的影响范围的宽度。在一个实施例中，每个基于电容的湿度传感器102可以包括由电介质隔开以形成电容器的一对导电环，并且可以被布置和固定到探测器104内部的支承装置。该支承装置还可以包括振荡器电路板。该探测器可以是塑料管，该塑料管具有大约两英寸的内径和约3/16英寸的壁厚。每个传感器可以被定位成与探测器内壁直接接触。例如，每个传感器102可以包括一对铜带106，每条带具有大约2英寸的直径和约1/2英寸的宽度。铜带可以在轴向方向上彼此隔开约1/2英寸。电容器的电场可以延伸到探测器壁之外，并且可以与探测器周围的土壤或其他物质相互作用，以使电容器的值可变。可变电容器可以与固定电感器(L)连接，以形成具有频率'F= 1/(2 π V LG)的自激振荡器。在图1的实施例中，底部密封件108可以设置在校准夹具100的底表面处。任选地，砂层也可以设置在底部密封件的正上方。此外，排水旋塞Iio可以定位在校准夹具的邻近底部密封件的壁中，并且可以用于从校准夹具中排放或排除水。在图1的实施例中，用于特定土壤类型的基于电容的湿度传感器102的校准可以包括将具有至少一个传感器的探测器104插入校准夹具中。可以得到传感器频率输出，用于包括被引入校准夹具中的空气、水、干燥基质和饱和土壤的几种物质中的每一种。
在图1的实施例中，校准夹具100可以具有2升的容积。在校准夹具仅由于空气的情况下，以及在校准夹具中仅具有水的情况下，可以从传感器102得到传感器频率输出。选定的土壤类型的已知体积的干燥基质可以被引入校准夹具，并且可以得到用于该干燥基质的传感器频率输出。土壤可以被压缩到已知压缩压力。在一个实施例中，传感器校准方法可以包括将已知体积的水引入校准夹具，直到土壤完全地饱和。该方法还可以包括测量水的体积，并且确定添加到校准夹具以使所选土壤类型的干燥基质饱和的水的体积分数，或wv。例如，如果使2升校准夹具中的干燥基质饱和所添加的水的体积是807毫升，则体积含水量是0.807/2，或者Wv = 0.4035。可以得到用于饱和土壤的传感器频率输出。任选地，然后可以打开排水旋塞110，使得水可以通过重力排出夹具，并且可以测量排出的水的体积。在一个实施例中，传感器的校准方法可以包括将每个传感器频率读数，如在IOOMHz至200MHz的范围内的频率，转换到成比例的频率值。最高的传感器频率读数是用于空气的(例如，161MHz)，并且可以被转换成0.000的最小成比例的频率值。最低的传感器频率读数是用于水的(例如，115MHz)，并且可以被转换成1.000的最大成比例的频率值。可以通过线性内插法将每个其它传感器频率读数转换成0.000和1.000之间的成比例的频率值。例如，用于干燥基质的129MHZ的传感器频率读数可以被转换成0.695的成比例的频率值，并且用于饱和土壤的119MHz的传感器频率读数可被转换成0.906的成比例的频率值。每一个成比例的频率值也可以称为归一化响应(NR)。在一个实施例中，传感器校准方法可以包括求解一方程式，在该方程式中体积含水量是用于饱和土壤的传感器频率响应或成比例的频率值以及一个或多个拟合常数的函数。例如，一个这种方程式是Wv= ((NR-C)/Α)α/Β)，并且可以求解一个或多个拟合常数A、B或C。在这个示例中，Wv是添加到校准夹具以使干燥基质饱和的水的体积分数，NR是用于饱和土壤的归一化响应，以及A、B和C是拟合常数。在这个示例中，拟合常数B可以基于在IOOMHz至200MHz的目标范围频率处的用于潮湿土壤的通用折射电介质模型。例如，对于大多数土壤，在IOOMHz至200MHz的传感器频率范围中，用于拟合常数B的适当的值是0.450。此外，拟合常数C可以基于传感器的用于选定的土壤类型的干燥基质的成比例的频率值。在这个示例中，C = 0.695。随后可以为是剩余值的拟合常数A求解该方程式。在这个示例中，A = 0.040。在一个实施例中，在图1的方法和装置被用来确定用于特定的传感器和土壤类型的拟合常数A、B和C以后，用于拟合常数的相同的方程式和相同的值可以用来根据用于该传感器和土壤类型的传感器频率响应可靠地和可重复地确定体积含水量。图2示出传感器校准夹具200的第二实施例，其中探测器202处于倒置的位置中。基于电容的湿度传感器204可以被安装到探测器的内表面，与探测器内壁直接接触。底部密封件206可以设置在校准夹具200的底表面处或附近，并且排水旋塞208可以被用于从校准夹具中排放或排除水。用于图2的校准夹具的方法可以与用于图1的装置的方法基本上相同。图3示出基于电容的湿度传感器300的实施例，该湿度传感器300可以用于土壤或其它材料的含水量的测试、表征土壤类型和/或用于选定土壤类型的传感器的校准。传感器300可以被称为作为内部传 感器，因为土壤或其它材料可以被放置在容器或器皿310中，容器或器皿310插入一对环状导电带306内。该对环状导电带306形成围绕于中空圆筒或套管304的外部定位的边缘电容器(fringing capacitor)。在图3中示出的基于电容的湿度传感器300可以用于校准具有相同或基本上相同的电容器尺寸和电感器特性的传感器。例如，使用图3的装置的校准可以提供与图1或图2的装置的相同或基本相同的结果。在图3中，环状导电带306可以被连接到相同的或类似的固定电感器或振荡器板，以形成具有与图1和2的那些频率输出和范围相同的频率输出和范围的自激振荡器。其结果是，从传感器300获得的校准值是有效的，并且可以用于安装在用于插入土壤中的探测器中的基于电容的湿度传感器。传感器300比其他的校准夹具和方法在尺寸上可以明显更小、更快地操作，劳动密集程度更低。在图3的实施例中，导电带306可以形成边缘电容器，每条带具有约2英寸的优选直径和约1/2英寸和约I英寸之间的优选宽度。该导电带可以是铜制的，并且可以在轴向方向上彼此间隔开约1/2英寸。该电容器的尺寸可以与在图1和2的探测器中所示的基于电容的湿度传感器中的电容器相同或大致类似。电容器的电场可以延伸穿过圆筒或套管304的壁，并且与在容器310中的物质相互作用，以使电容器的值可变。可变电容器可以与在振荡器板312上的固定电感器(L)连接，以形成具有频率7 F= 1/(2 Ji V LG)的自激振荡器。振荡器板可以被连接到可以提供频率计数器的微处理器电路板314。在图3的实施例，圆筒或套管304可以是单件塑料体，具有约2英寸的外径和约3英寸和大约6英寸之间的长度。空腔或内部通道308可以至少部分地或完全地延伸通过该套管，并且可以具有约1.75英寸的内径。容器310可以是玻璃或塑料罐，其尺寸形成为用于通过套管插入到所述空腔或通道。容器310的外圆周可以与套管304的内圆周相同或稍小于套管304的内圆周，使得它滑动配合但不是紧配合。例如，容器的容积可以是约250毫升。在图3的实施例中，使用用于特定的土壤或其它材料的传感器300的校准可以包括将容器310插入空腔或内部通道308中，并且获得用于在容器中的几种物质中的每一种的传感器频率输出。在容器中仅具有空气的情况中和在容器中仅具有水的情况中，可以得到传感器频率输出。土壤或其它材料的已知体积的干燥基质可以被引入容器中，并且可以得到用于该干燥基质的传感器输出。在图3的实施例中，水可以被添加到容器310到，直到土壤或其它材料完全饱和。添加到容器中的水的体积可以被测量，并且可以确定使土壤或其它材料的干燥基质饱和的体积含水量wv。例如，如果所添加的使容器中的干燥基质饱和的水的体积是101毫升，则体积含水量为101/250，或者Wv = 0.404。可以获得用于饱和的土壤或其它材料的传感器频
率输出。在图3的实施例中，传感器校准方法可以包括使用为图1和2的实施例描述的相同方法将每个传感器频率读数转换为成比例的频率值。在一个实施例中，使用图3的装置的传感器校准方法还可以包括求解一方程式，在该方程式中，体积含水量是用于饱和土壤或其它材料的传感器频率响应或成比例的频率值以及一个或多 个拟合常数的函数。例如，例如，可以从方程式Wv = ((NR-C)/A)(1/B)求解一个或多个拟合常数A、B或C。在上面的方程式中，Wv是添加到容器以使干燥基质饱和的水的体积分数，NR是用于饱和的土壤或其它材料的归一化响应，以及A、B和C是拟合常数。如果容器310的壁存在任何轻微的影响，则可以包括一个或多个其它拟合常数以进行补偿。在上述方程式中，拟合常数B可以基于在目标范围内的传感器频率处的用于潮湿土壤的通用折射电介质模型。例如，对于IOOMHz至200MHz的传感器频率范围，拟合常数B可以被选择为0.450。此外，拟合常数C可以基于传感器的用于土壤或其它材料的干燥基质的成比例的频率值。在这个示例中，C = 0.695。然后可以为作为唯一剩下的未知值的拟合常数A求解该方程式。在这个示例中，A = 0.040。一旦确定用于特定的传感器和土壤或其它材料类型的拟合常数A、B和C，则可以使用上面的方程式来基于传感器的频率响应确定该土壤或其他材料的体积含水量。在一个实施例中，图3的装置和方法可以用于确定用于特定的传感器和土壤或其它材料的一个或多个拟合常数，并且相同的拟合常数然后可以用来根据传感器的频率响应可靠地和可重复地确定该土壤或其它材料的体积含水量。因此，图3的装置和方法使得能够使用容器中的小样本来校准基于电容的湿度传感器，而不是将具有传感器的探测器插入地中。在一个实施例中，图3的基于电容的湿度传感器可以用于测量除土壤之外的材料(包括但并不限于农产品)的含水量。可以使用上述的装置和方法针对选定的材料校准传感器300。可以获得用于放置在容器中并插入套管304中的干燥材料的传感器频率，并且可以获得用于用具有测定体积的水饱和后的材料的传感器频率。使用上面描述的相同或相似的方程，可以确定用于该材料和传感器的拟合常数。校准以后，传感器可以用于可靠地和可重复地测量该材料的含水量。在一个实施例中，图3的基于电容的湿度传感器和相应的方法可以用来表征土壤或其他材料。例如，可以将传感器300的用于未知的土壤的干燥基质和/或饱和样品的输出频率与传感器的用于一个或 多个已知土壤类型的频率输出相比。来自传感器300的频率输出可以与诸如沙地、砂质壤土、壤土或粘土的已知土壤类型相同或大致近似。已经描述了优选的实施例，但将变得明显的是，在不脱离本发明的如在附后权利要求中限定的范围的情况下，可以作出各种修改。
权利要求
1.一种基于电容的湿度传感器，包括: 具有内部空腔的套管； 插入所述内部空腔的容器，该容器填充有土壤或其它材料；和 一对环状导电带，该对环状导电带围绕所述套管的外部，形成电容器并且提供频率输出。
2.根据权利要求1所述的基于电容的湿度传感器，其中所述土壤或其它材料是水饱和的。
3.根据权利要求1所述的基于电容的湿度传感器，其中所述土壤或其它材料是干的。
4.根据权利要求1所述的基于电容的湿度传感器，其中所述频率输出涉及所述土壤或其它材料的含水量。
5.根据权利要求1所述的基于电容的湿度传感器，其中所述电容器被连接到固定的电感器，以形成自激振荡器。
6.根据权利要求1所述的基于电容的湿度传感器，其中，所述套管是中空的圆筒状的塑料体。
7.一种基于电容的湿度检测方法，包括下述步骤: 使用材料填充具有已知体积的容器； 将所述容器插入中空套管中；以及 获得来自一对环状导电环的 频率输出，该对环状导电环围绕所述中空套管的圆周定位并且连接到固定的电感器，以形成具有可变频率输出的振荡器。
8.根据权利要求7所述的基于电容的湿度检测方法，还包括下述步骤: 使用具有已测量体积的水使所述材料饱和，并且获得用于饱和材料的频率输出。
9.根据权利要求7所述的基于电容的湿度检测方法，还包括下述步骤: 将水倒入所述容器中，并且获得用于水的频率输出。
10.根据权利要求7所述的基于电容的湿度检测方法，进一步包括下述步骤: 将干燥基质放置在所述容器中，并且获得用于所述干燥基质的频率输出。
11.根据权利要求7所述的基于电容的湿度检测方法，进一步包括下述步骤: 通过将来自所述材料的频率输出与已知材料的频率输出进行比较而表征所述材料。
12.根据权利要求7所述的基于电容的湿度检测方法，进一步包括下述步骤:通过获得用于所述容器中的多种材料中的每一种的频率输出而校准基于电容的湿度传感器。
13.根据权利要求7所述的基于电容的湿度检测方法，进一步包括下述步骤:作为所述频率输出的函数确定体积含水量。
14.根据权利要求13所述的基于电容的湿度检测方法，进一步包括下述步骤: 通过使用所述频率输出和所述体积含水量来确定在一方程式中的至少一个拟合常数而校准基于电容的湿度传感器，在该方程式中所述体积含水量是所述频率输出的函数。
15.根据权利要求7所述的基于电容的湿度检测方法，进一步包括下述步骤:确定在方程式Wv = ((NR-C) /A) _中的拟合常数A、B或C，其中Wv是在所述容器中的饱和土壤的体积含水量，并且NR是用于所述频率输出的归一化值。
16.一种基于电容的湿度传感器的校准方法，包括下述步骤: 从基于电容的湿度传感器获得用于多种物质中的每一种的频率输出，所述多种物质包括但不限于空气、水、干燥基质和饱和材料； 测量用于使所述材料饱和的体积含水量；以及 确定一方程式中的至少一个拟合常数，在该方程式中体积含水量是所述频率输出和多个拟合常数的函数。
17.根据权利要求16所述的基于电容的湿度传感器的校准方法，进一步包括下述步骤: 将承载有基于电容的湿度传感器的探测器插入直径大于该探测器的校准夹具中，以及 将所述多种物质中的每一种放入在所述校准夹具中。
18.根据权利要求16所述的基于电容的湿度传感器的校准方法，进一步包括下述步骤: 将所述多种物质中的每一种放入容器中，以及 将所述容器插入所述基于电容的湿度传感器的一对导电环内。
19.根据权利要求16所述的基于电容的湿度传感器的校准方法，进一步包括下述步骤: 使用连接到中空的塑料·套管的外表面的导电环将容器插入所述中空的塑料套管中。
全文摘要
本发明公开一种基于电容的湿度传感器，可以包括具有内部空腔的套管；插入所述内部空腔的容器，该容器填充有土壤或其它材料；和一对环状导电带，该对环状导电带围绕所述套管的外部，形成电容器并且提供频率输出。围绕套管的圆周定位的环连接到固定的电感器，以形成具有可变频率输出的振荡器。可以根据用于多种物质中的每一种的频率输出，测量用于使该材料饱和的体积含水量，并且确定一方程式中的至少一个拟合常数而校准该传感器，在该方程式中体积含水量是频率输出和多个拟合常数的函数。
文档编号G01N27/22GK103245701SQ20131004420
公开日2013年8月14日 申请日期2013年2月4日 优先权日2012年2月3日
发明者格雷姆·L·贾维斯, 迈克尔·L·罗得斯, 拉里·L·亨德里克森, 克莱顿·S·莫顿, 詹姆斯·A·钱伯斯 申请人:迪尔公司