CN101080631A

CN101080631A - 湿度传感器及其相关方法

Info

Publication number: CN101080631A
Application number: CNA2005800435977A
Authority: CN
Inventors: G·M·洛克
Original assignee: Delta T Devices Ltd
Current assignee: Delta T Devices Ltd
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2025-12-19
Also published as: GB0427659D0; WO2006064266A1; US20080211521A1; AU2005315407A1; AU2005315407B2; US7944220B2; EP1836483B1; CN101080631B; EP1836483A1; ATE520020T1

Abstract

一种湿度传感器，包括：信号源(400)，用于提供信号；探头(9)，用于将该信号注入需要测量其湿度的媒质(6)中；复阻抗(4)，放置在探头(9)与信号源(400)之间；以及感测电子器件(7)，用于监测在信号源(400)与复阻抗(4)之间的点上的信号，并产生第一测量，由该第一测量指示媒质(6)的湿度。

Description

湿度传感器及其相关方法

技术领域

本发明涉及一种湿度传感器，优选地，但不排他地，涉及一种测量基质/媒质中含水量的含水量传感器。在具体实施例中，该湿度传感器用于测量土壤中的含水量。本发明也涉及相关方法。

背景技术

通过对土壤含水量的测量的描述能够方便地说明本发明构思的背景，但本发明具有更广泛的应用。例如，湿度传感器可以用于下述非穷举的基质和/或媒质列表中的任意一种：棉花、矿棉、沙子、石绒、火山物质、植物栽培介质、混凝土、建筑材料、制药材料等等。此外，湿度传感器也可以在下述非穷举应用列表中找到测量应用：环境监测、灌溉监测、灌溉控制、农作物产量优化、洪水控制、湿气测量、建筑物下陷、废物堆肥监测以及制药工业的药品生产。

测量土壤湿度是非平凡的且复杂的，为了测量到任意级别的精确度和再现性存在许多公知的问题。这部分归因于土壤的非均匀特性以及土壤成分的变化，但很大程度上也归因于其它环境和土壤条件。大多数农作物生长在具有一定盐度和养分的土壤中，其对应的电导率在60mS/m到400mS/m(0.6dS/m到4dS/m)之间。这个值可以低至20mS/m，并且对于诸如西红柿之类的某些农作物可以高至500mS/m到600mS/m，在沿海地区环境(costal environment)土壤电导率可高达3,000mS/m。随着在全世界范围内关于粮食产量的压力，农作物越来越多地种植在干旱和半干旱地区，其中很多地区存在当地盐度问题。同时，在很多地区由于滥用地下水和简陋的排水设备，盐渍化问题每年都在加重。在很多环境中，24小时期间温度会发生剧烈变化，某些情况下变化达40摄氏度。对于用于监测和控制应用的土壤湿度传感器，还有更多应用方面的考虑，诸如湿度传感器响应时间和传感器响应滞后。

土壤盐度和养分的变化会在估计土壤含水量上导致误差，其可能是显著的误差。土壤的电导率随温度变化，进一步增加了精确的土壤水分测量的复杂性，照此，如果湿度传感器具有明显的盐度响应，并且存在温度变化，那么湿度传感器将受到影响。这种影响通常表现为表观温度灵敏度误差，由湿度传感器的盐度响应产生。

电介质土壤湿度传感器解决了其它感测技术的许多应用和精确性问题，提供了在不同湿度传感器之间的可再现读取，并且得益于快速响应时间，对于快速变湿或变干的土壤无滞后响应。然而，电介质湿度传感器的性能通常受限于对土壤中盐度和养分级别的灵敏度，以及对温度变化的灵敏度。

已知多种测量土壤含水量的技术。中子探测仪已被广泛使用，但是这种装置很昂贵，并且由于其包括放射性材料，正日益面临受规章限制的负担，包括不能处于无人看管状态的要求。这种昂贵而且受规章限制的要求减小了它们在诸如灌溉之类的应用中的实用性。同时也发现，中子探测仪在土壤上层15cm中不精确。而这个区域对于浅根植物特别重要，尤其对于大量商业种植的浅根农作物特别重要。

衬质势传感器(matric potential传感器)测量土壤的衬质势而不是土壤的容积比含水量。土壤水分从土壤传输到衬质材料，并且衬质材料的电阻被依次测量。衬质势传感器通常由石膏做成，成本低但是响应时间慢，滞后明显，并且通常寿命短(特别是在强酸性土壤中它们只能维持不到一季度的时间)。典型的，在不同传感器之间有明显差异，并且校准复杂，通常未校准的传感器具有较差的绝对精确度，因此一般用于监测趋势而不是绝对的土壤特性。慢的响应时间以及滞后现象限制了传感器在某些土壤中的应用，尤其是沙质土壤，其中潮湿的前部会快速渗入土壤。相似地，这可能限制了它们在需要对土壤变化进行快速响应的灌溉控制上的应用。

张力计测量土壤的张力，即测量植物从土壤吸取水分的难易程度。张力计典型地是充水的并且需要定期维护。

TDR(时域反射计)通过测量电磁波在土壤中的传输时间而工作。这种技术在诸如微粒土壤之类的某些土壤中精确度较小，并且可能需要复杂且昂贵的电子器件来实现。

US5424649公开了一种带有探头的湿度传感器，其中探头上覆有一薄层电介质。这种装置一定程度上降低了感测电子器件对土壤电导率的灵敏度。用于这种湿度传感器的电子器件对土壤电导率具有高灵敏度，这迫使在感测电子器件和土壤之间使用电介质阻挡层。电介质覆层在降低对土壤电导率灵敏度方面只是部分有效，这导致了湿度传感器对土壤电导率和盐度的灵敏性。这种装置使得为了达到一定级别的灵敏度，电介质阻挡层必须较薄(大概0.05mm厚度)。这导致探头不够结实，从而限制了其中可以可靠使用湿度传感器的应用。

另一项现有技术的例子是US5859536，其公开了利用两个阻抗匹配网络的湿度传感器，通过这两个网络使得土壤媒质的阻抗与振荡器源阻抗匹配。所公开的装置直接在插入到媒质中的探头上测量匹配电路输出端的整流信号。这种装置被发现只能提供对土壤导电性的有限的不灵敏度。

另外的现有技术的例子是US5804976，其公开了一种利用插入土壤中的探头装置以及传输线的电介质湿度传感器。这样设置探头装置和传输线，使得探头装置中的土壤的标称地阻抗匹配于传输线的阻抗。一个信号被注入土壤中。如果传输线的阻抗与探头的不匹配，则部分信号会被反射回来。利用从所注入的信号的反射来确定土壤的容积比含水量。这种装置测量两个信号，一个信号是在湿度传感器的输出端，因此仍然易受土壤电导率变化的影响，在高容积比含水量时该影响很明显，当在诸如矿棉或石绒之类的人造栽培基质上使用时，这尤其是个问题。

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质的探头上测量信号的装置中，在农业土壤中通常具备的条件范围内，很有可能即使是在诸如100MHz的高频，信号也会受被测水分中的离子含量(由于养分、盐、肥料，等等)的显著影响，尤其是在高容积比含水量时，更是如此，而这是不希望的。

土壤的传输特性依赖于各种因素，包括土壤中是否含有任何杂质，土壤的温度，甚至是土壤本身的构成。例如，如果土壤中含有杂质，那么土壤的电导率会明显变化，最好将湿度传感器设置成对这种电导率变化不敏感。因此，制造一种能够在各种可能经历的条件下准确提供土壤含水量的湿度传感器是个问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种湿度传感器，其包括：用于提供信号的信号源，用于将该信号注入需要测量其湿度的媒质中的探头，放置在探头与信号源之间的复阻抗，以及感测电子器件，该感测电子器件用于监测在信号源与复阻抗之间的点上的信号，并产生第一测量，由该第一测量指示媒质的湿度。

这样一种装置是有利的，因为它可以设置成使得其不受或者少受土壤电导率的影响，所述土壤电导率根据杂质的存在与否会发生明显变化。同样地，该方法可以比现有技术的方法更精确。此外，可以明显看出，本发明的实施例允许从所述第一测量导出湿度(有时是指容积比湿度)，而不需要参考其它测量。

优选地，所述复阻抗被设置成其使得被感测电子器件监测的信号对媒质介电常数的变化敏感，但对媒质电导率的变化不敏感。这样一种装置是有利的，因为媒质的电导率可能受诸如盐、肥料等等杂质的极大影响，因此希望能够在不需考虑这些杂质存在的情况下测量含水量。这种装置更进一步的好处是，媒质的电导率依赖于温度。因此，通过设置复阻抗使得感测的信号对媒质电导率不敏感，也最小化了对温度的灵敏度。

此外，所述感测电子器件可以是可调整的。这样一种装置是便利的，因为它允许针对不同的媒质条件选择性地最优化湿度传感器。在媒质为土壤的例子中，有可能使得湿度传感器针对沙质和/或粘性土壤等进行最优化，或者相似地，针对诸如石绒之类的栽培媒质进行最优化。有可能将所述电子器件设置成选择性地选择响应中的一个点，对应于一个容积比含水量值，在该点处由于媒质盐度或养分引起的误差接近于零。

还有可能将电子器件设置成可被调整，从而使得湿度传感器的响应的线性度在高或低的容积比含水量处具有更大或更小的灵敏度。例如，可以设置电子器件，使得对于预定应用在最感兴趣的响应范围中由于媒质盐度或养分引起的误差接近于零，同时还最小化整个媒质湿度范围上的误差。

相似地，也可以设置所述电子器件，使得湿度传感器的灵敏度是可调节的，从而匹配某个应用的特定需求，该应用例如是电介质张力计。在这种实施例中，可以在感测电极和被测陶瓷的湿度之间放置一个公知的陶瓷材料。例如，当传感器和陶瓷置于土壤中时，陶瓷会从土壤中吸收水分，其中陶瓷的湿度表示植物从土壤中吸取水分的难易程度。典型地，陶瓷材料具有高的非线性放水曲线，并且通过本发明的一个实施例，设置所述电子器件使得制造一种具有更好的线性响应和显著提高的灵敏度，从而扩大可使用和敏感范围的传感器是可能的。电介质张力计提供了优于充水张力计的益处，可以制造需要很少维护或不需要维护的张力计。

可以设置湿度传感器使得要测量湿度的媒质是土壤。然而，也可以将湿度传感器设置成测量其它媒质。下面大概列出了可以使用湿度传感器来测量的媒质和/或基质的非穷举列表，包括：多孔火山材料、棉花、沙子、矿棉、混凝土、建筑材料、种子、植物材料、肥料。

振荡器可以设置成产生基本上只在单个频率上的信号。

振荡器可以设置成产生大致在10MHz至1GHz范围中的信号。更优选地，振荡器可以设置成产生大致在50MHz至300MHz范围中的信号。在或许是最优的实施例中，振荡器设置成产生大概100MHz的信号。这些频率是有利的，因为在一定程度上它们有助于减小媒质电导率对湿度传感器进行的测量的影响。本领域的普通技术人员可以明显看出，土壤的电导率涉及土壤的电阻，并且土壤的介电常数涉及土壤的电容。电容器的有效阻抗随着频率的增加而减小，因此，相对于对土壤电导率的灵敏度，使用高的频率部分地增加了对土壤电容的灵敏度。

便利地，感测电子器件被设置成监测信号的幅度。相比于许多现有技术中所使用的根据信号频率变化来检测土壤湿度的变化，这种设置是期望的。根据信号幅度的变化而不是信号频率的变化来检测土壤湿度的变化，允许使用较低成本且较低复杂度的电子器件来将检测到的土壤水分转换为相应的输出电压信号。还允许实现不同媒质的感测装置。

感测电子器件可以包括一个或多个峰值检测器电路。

探头可以包括一个导电探针，通常是金属探针，其用于插入到媒质中。所述探针可以是由不锈钢制造的，其可以具有期望的机械强度和抗腐蚀性。如前所述，由于湿度传感器被设置成对土壤电导率的变化不敏感，因此使用具有高导电性的高机械强度的探头是可能的，这与某些现有技术中的情况不同。

可以设置探头使得它可以被钉入媒质中。这样的装置是有利的，因为比如它允许将探头插入到硬的和/或石质的土壤。

然而，在其它实施例中，所述探头可以由碳或金属环氧物、或导电聚合物等制造。在另外的附加实施例或可选实施例中，所述探头可以包括一个覆有电介质的导电探针，或为探头装置使用PCB(印刷电路板)。这种设置是有益的，例如对于机械要求较少的应用可以降低制造成本，或者提供了例如在监测极高导电率的电解液方案方面的应用。

所述湿度传感器还可以包括温度传感器，用于确定由所述探头测量其湿度的媒质的温度。所述温度传感器可以与探头或媒质和/或基质直接热接触，或者测量所述湿度传感器的环境温度。

所述湿度传感器可以被设置成除确定湿度之外还确定媒质的电导率。

在另外的实施例中，所述感测电子器件也可以被设置成监测复阻抗和探头之间的点上的信号，并产生第二测量。在这些实施例中，在探头和复阻抗之间的信号(以及因此的第二测量)会对媒质的电导率更加敏感，并且复阻抗可以设置成使得复阻抗与振荡器之间的信号(以及因此的第一测量)对媒质的介电常数敏感，而对媒质的电导率不敏感。如果所述实施例中还包括温度传感器，那么也可以测量媒质的含水量、电导率和/或盐度或养分、以及温度。

在另一个实施例中，感测电子器件被设置成使得其测量信号的相位和幅度。在该实施例中，由于信号幅度对媒质电导率更敏感而信号相位对媒质介电常数更敏感，可以测量媒质的介电常数和湿度以及电导率和/或盐度。在这个实施例中，还期望测量温度。照这样提供的湿度传感器能够测量媒质和/或基质的温度、介电常数、湿度、电导率和/或盐度。

在另一个可选的实施例中，复阻抗被设置成使得复阻抗与振荡器之间的信号对媒质电导率不敏感，而对媒质介电常数敏感。在该实施例中，所述感测电子器件被设置成使得其测量信号的相位，在另一个实施例中测量相位和幅度二者。还可以测量温度。

作为另一个实施例，振荡器可以被设置成产生不止一个频率。所述湿度传感器可以设置成同时或者顺序地应用所述频率。如果使用不止一个频率，则应用实质上不同频率的信号可能是优选的，并且应用间隔至少一个量级的信号或许是有利的。优选地，至少应用一个频率大致在50MHz至300MHz范围中的信号。这种设置对于测量媒质电导率以及媒质湿度是有益的。

湿度传感器可以包括多个下列中的任意一个：探头、感测电子器件、复阻抗。在这些实施例中，探头可以沿着支持装置纵向相互间隔排列。这种设置是有利的，因为其可以提供这样的单个湿度传感器，其能够插入到媒质和/或基质中以生成媒质不同深度处的湿度分布(profile)。这种湿度传感器在农业中具有特定的应用，即测量农作物根部深度位置之上或之下的土壤湿度分布。这在判断植物是否需要水以及何时灌溉方面具有独特的价值及远见力。正如所描述的，也可以制造一种湿度传感器，其提供湿度、温度、电导率、盐度、和/或养分分布、或其任何组合。

这种湿度传感器可以直接插入到媒质中，其中感测探针与所述媒质直接电接触，或否则通过接口管耦合，所述接口管可以是塑料的、玻璃纤维的、凯夫拉尔(Kevlar)纤维的等等。使用接口管的好处是方便，允许不费力地将仪器从媒质移开，同时也允许使用湿度传感器在多个地点和/或多个安装位置测量分布。典型地，接口管的直径为20mm或更大，并且优选地直径可以是35mm至50mm或更大。对于农业中的应用，接口管的长度典型地可以是从大约0.5米直到大约2米，但是也可以是3米左右或更长，因此能够测量农作物根部地带之上和之下的分布。

作为另一个变体，可以使用利用单个探头的仪器测量湿度和/或电导率、盐度、养分、温度分布。这种情况下，所述探头沿着接口管的长度移动并且在不同的位置进行测量，因此允许沿着接口管的长度方向测量分布。

根据本发明的第二方面，提供了一种测量媒质中湿度的方法，包括：将信号源生成的信号经过复阻抗和探头注入媒质中，监测位于所述信号源和复阻抗之间一点上的信号以产生第一测量，该第一测量指示了媒质中的湿度。

根据本发明的第三方面，提供了一种湿度传感器，包括：信号源，用于提供信号；探头，用于将所述信号注入到需要测量其湿度的媒质中；以及感测电子器件，其中所述感测电子器件用于产生指示媒质中的湿度的信号的第一测量，以及指示水分中的离子含量的第二测量。

所述离子含量可以用于确定关于该水分的因素，例如其中的盐分含量、养分含量等等。

根据本发明的第四方面，提供了一种湿度传感器，包括：信号源，用于提供信号；探头，用于将所述信号注入到需要测量其湿度的媒质中；复阻抗，放置在探头和信号源之间，其中所述复阻抗与探头使用时所插入的媒质所提供的阻抗一起形成分压器的一部分，另一部分由感测阻抗提供，所述传感器还包括感测电子器件，用于感测位于所述感测阻抗和复阻抗之间的点上的信号。

根据本发明的第五方面，提供了一种湿度传感器，包括：信号源，用于提供信号；探头，用于将所述信号注入到需要测量其湿度的媒质中；复阻抗，以PI电路的形式提供，放置在探头和信号源之间；以及感测电子器件，用于监测所述信号源与复阻抗之间的点上的信号，并产生第一测量，由该第一测量指示媒质的湿度。

根据本发明的第六方面，提供了一种湿度传感器，包括：信号源，用于提供基本上在恒定频率上的信号；探头，用于将所述信号注入到需要测量其湿度的媒质中；复阻抗，放置在探头和信号源之间；以及感测电子器件，用于监测所述信号源与复阻抗之间的点上的信号，并产生第一测量，由该第一测量指示媒质的湿度。

关于本发明的任一方面所讨论的特征可以应用到本发明的任何其它方面。

附图说明

以下是参考附图仅作为举例对本发明的详细描述，在附图中：

图1和图2示出了图3-图5中的电路的简化的等效电路；

图3示意性地示出了根据本发明第一实施例的电路；

图4示意性地示出了根据本发明第二实施例的电路；

图5示意性地示出了根据本发明第三实施例的电路；

图6示意性地示出了使用增益控制环路的本发明实施例；

图7示出了适用于本发明实施例的探头的感测探针装置；

图8示出了用于将图1-图6以及图12的电路连接到媒质的探头；

图9示出了用于在多个点测量媒质特性的探头装置；

图10示出了峰值检测器电路的一个例子；

图11示出了本发明实施例的一种可能的频率响应；以及

图12示意性地示出了使用增益控制环路的本发明实施例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例的用于提供湿度传感器的感测电路10的示意图。在本实施例中被测量的媒质6是土壤。湿度传感器中的检测器电路提供了复阻抗，其可以称为阻抗Z_b。可以明显看出，复阻抗是具有实部和虚部的阻抗，也即它既有电阻成份又有由电容和电感之一或二者同时提供的成份。

探头插入到媒质中，于是连接到感测电路10，其中所述探头的感测区域内包围的媒质的量具有媒质阻抗Z_medium。在图1中，探头由两个探针5a和5b表示，在下文中讨论各种探针和其它的探头装置。

振荡器1(也叫信号发生器)用于产生高频信号，典型的是正弦波。在本实施例中，该信号约为100MHz，但是本领域的普通技术人员可以明显看出其它频率也同样适用。该信号馈入到探针5a和5b。可以看出，振荡器1、复阻抗4以及探头5a、5b是彼此串联排列的。

此外，可以看到感测电路10包括增益控制环路2，该环路使得由振荡器1产生的信号稳定。使用增益控制环路2的另外的好处是：振荡器1被隔离，并且它的输出补偿了温度和负载的变化，确保了注入到感测阻抗Z_a的信号是稳定和可控制的。

感测阻抗Z_a3串联连接在振荡器1和复阻抗Z_b4之间，并允许从该电路获得输出。图3、图4和图5示出了连接信号检测器7(其可以构成感测电子器件)的不同设置。

图2示出了所述感测电路的示意图。信号发生器400用于产生信号，从而使得在标记100处的信号是幅度和频率稳定的信号，与任何温度或电负载变化无关。Z_sense300对应于检测器电路4和媒质6的组合的阻抗。

本发明的实施例可以设置成具有低的温度响应，也即不管温度如何变化，由传感器产生的湿度是稳定的。由于传感器受水分中离子的影响(也即盐度响应)以及该盐度响应的温度依赖性，会产生响应的温度依赖性。通过修改复阻抗Z_b中的元件存在这样的好处。因此，在某些实施例中，去除温度传感器从而降低湿度传感器的成本是可能的。

回头参考图1，插入媒质6中的探针5a和5b将产生射频电磁场。所产生的电磁场将包围一定量的媒质6，对应于探头的感测区域，其中该数量的媒质具有阻抗Z_medium。阻抗Z_medium将与复阻抗4(阻抗Z_b的)相互作用，得到阻抗Z_sense300，如图2所示。

复阻抗4优选地设置成使得位于复阻抗4与振荡器400之间的(尤其是位于复阻抗4与阻抗Z_a之间的)信号对于Z_medium的电容成份敏感，而对Z_medium的电阻成份非常不敏感。这得到了阻抗Z_sense，其对于媒质6的湿度敏感，但对媒质6的电导率不敏感。正如本领域的普通技术人员将意识到的，阻抗Z_a和Z_sense可以设置成使得其组成一分压器。媒质湿度的变化会导致Z_sense的相应变化，其中在Z_a和Z_sense之间的点200上的信号幅度对应于媒质的湿度，并且对媒质电导率不敏感。

图11示出了检测器电路装置Z_a和Z_sense的频率响应的例子。媒质湿度的增大对应于Z_medium中电容的增大。Z_medium中电容的增大又导致Z_sense阻抗响应中负的相关频移。例如，应用固定的100MHz的信号，这具有增大Z_sense的有效阻抗的作用。图11中实线绘出的响应1102对应于当媒质具有低湿度时位于Z_a和Z_sense之间的点200(图2中)上的信号电压。虚线响应1103对应于具有更高湿度的媒质。媒质湿度的任何增大或减小都会对位于Z_a和Z_sense之间的点200处的信号幅度产生相应作用。

图3示出了放置在感测阻抗Z_a3和复阻抗Z_b4之间(也即位于复阻抗4和信号发生器之间)的单个信号检测器7。在图3、图4和图5中，感测阻抗Z_a由固定电阻R1表示，复阻抗4由设置在Pi电路装置中的C1、C2、L1、R2的复阻抗表示。

因此，图3、图4和图5的实施例中示出的电路被设置成使得媒质6的湿度的变化导致信号检测器7中的信号的相应变化。在这些实施例中，信号检测器7用于监测信号源和复阻抗Z_b4之间一点上的信号，并且由此产生第一测量。信号检测器7的这种位置安排是有利的，因为它提供了一种比现有技术更简单且更精确的装置。媒质的阻抗Z_medium提供了分压器Z_sense和Z_a的部分阻抗，并且如此形成了电路的一部分，从而提供更简单的装置。

修改Z_b的成份可以使得电路的特性最优化。所述电路的某些实施例可以允许针对下述参数中的任意一个或多个参数修改电路响应：离子含量(例如盐度/养分含量)；响应为线性的时期；以及响应曲线的形状。修改这些单独的响应特征在现有技术的装置中通常是不可能的，譬如那些依靠阻抗匹配的装置。本领域的普通技术人员将明白，可以通过改变Z_a、Z_b、C₁、C₂以及L₁的相对值实现这种修改，并且本领域的普通技术人员也很容易看出为了设计所希望的响应应该如何模拟所述响应。

修改这些特性对于制造对土壤电导率具有低灵敏度的传感器以及制造在整个测量范围内具有线性响应的传感器尤其有益。在一特定实施例中，探头包括陶瓷材料，并且测量陶瓷材料中的湿度。这也常常称为电介质张力计传感器，并且允许测量土壤张力。然而，陶瓷材料典型地具有非线性放水曲线，因此它的响应是非线性的。本发明的这种实施例应当允许针对给定的陶瓷材料来修改电路以提供具有更好线性的响应，从而提高测量的精确度和测量范围。这可以相似地应用于修改衬质材料的响应，所述衬质材料用于测量衬质势。

在其中电介质张力计传感器的响应被线性化的本发明实施例中，很可能比现有技术的传感器需要更少的维护。现有技术的张力计传感器通常所需要的这种维护使得这些传感器很昂贵，因此本发明实施例对于希望使用不需要太多维护的传感器的农业应用尤其有利。

图4示出了另一个实施例，其中两个信号检测器分别放置在所述感测阻抗3的每一侧。位于复阻抗与感测阻抗之间的点200上的信号检测器能够检测媒质中的水分变化。位于感测阻抗另一侧的在感测阻抗和振荡器之间的点100上的信号检测器能够检测参考信号的变化。在感测阻抗与振荡器之间的点100上检测到的信号可以用来补偿在复阻抗与感测阻抗之间的点200上检测到的信号。在感测阻抗与振荡器之间的点100上检测到的信号也可以用作参考以控制来自信号发生器400的信号。这种装置可以提供比图3的装置更好的精确度。

图5示出了另一个实施例，其中在感测阻抗3上测量差分信号。信号检测器7对信号进行差分测量，其可以实现为单个信号检测器，或者像图4中所示的那样实现为两个分离的信号检测器。在感测阻抗3上测量差分信号能够解决参考信号的任何变化，提供改善的精确度。

从图3、图4和图5中可以看出，复阻抗Z_b4设置成Pi电路装置，包括电感L1和串联电阻R2，以及各自一端接地的电容C1和C2。参考阻抗R1连接在复阻抗Z_b4 Pi电路装置的一侧，在C1和L1之间，探头连接在Pi电路装置的另一侧，在R2和电容C2之间。

复阻抗4可以以诸如用于例如在将差分信号而不是单端信号应用于媒质时的差分Pi装置之类的其他形式实现。在图3、图4和图5中，根据实际应用，可以可选地从电路中省略电阻R2，或者还可以将电阻R2作为电感L1的有效串联阻抗来考虑。

在除了图3、图4和图5所示实施例之外的其它实施例中，R2也可以是可选的。不管是否提供了电阻(例如R2)，由于由L1提供的串联电阻，因此仍将提供复阻抗。

图6中示出了所述电路的当前优选的实施例。可以再次看到，振荡器1、增益控制2、感测阻抗Z_a3以及复阻抗Z_b4都有提供。然而，另外提供了放大器12，用于在增益控制2之后缓冲信号。在放大器12之后提供了滤波器13，以保证向感测阻抗Z_a3提供频谱纯粹的信号。

所述电路等效于图5所示的电路，其中在感测阻抗Z_a3上测量差分信号。在图6所示的电路中，本领域的普通技术人员很容易看出，信号检测器7是峰值检测器电路600、602，包括肖特基二极管D_b和D_c以及充电电容604、606。所述峰值检测器电路600、602提供了可以被认为是感测电子器件的部分。

提供复阻抗(Z_b)的一个好处是使得在信号源与复阻抗(Z_b)之间的点(也即图2-图5中的点200)上的信号对于土壤湿度敏感，而对于土壤盐度不敏感。监测点200上的信号的另一个好处是有可能从信号幅度的变化(例如使用峰值检测器电路600、602)来检测土壤湿度的变化，这也为以较低成本提供土壤湿度传感器提供了可能性。所述峰值检测器电路更进一步的好处是其帮助增大传感器对温度的不灵敏度，该好处在前面进行了讨论。

为了清楚起见，在图6中未示出形成所述峰值检测电路一部分的负偏置电阻1000。有些检测器二极管不需要负偏置，因此可能不需要偏置电阻1000。然而，在图10中示出了一个具有负偏置的峰值检测器电路的示例。峰值检测器电路的输出1002从肖特基二极管D_a、D_b、D_c以及与其串联的电容604、606、608之间获得。

回头参考图6，可以看出两个峰值检测器电路600、602的输出604、606被连接到差分放大器15，所述差分放大器产生输出信号，由该信号可确定媒质的含水量。因此，感测电路的输出606可以看作第一测量，其可以是放大器15的输出。

可以看出，图6中的电路示出了在另外的峰值检测器电路608中连接的第三肖特基二极管D_a。该第三二极管D_a形成了增益控制环路的一部分，所述增益控制环路还包括差分放大器14。放大器14的第一输入由峰值检测器600的输出来提供，而第二输入由峰值检测器608的输出来提供。峰值检测器二极管D_a具有直流电压偏置，因此可以看作是参考二极管，所述直流电压为所述增益控制环路设置了参考电平。优选地，二极管D_a、D_b、D_c是匹配的。可以看出，具有增益控制环路的这种装置确保了电子器件是受控的并且是稳定的，与温度、环境或媒质条件等无关。

对复阻抗4中的成份的选择使得湿度传感器装置的性能能够被优化。如果湿度传感器不受探头所在的媒质的电导率变化的影响，则这是有利的。

通过选择复阻抗4中的成份，有可能修改电路使得可以选择性地选择响应上的一点，对应于一个容积比含水量值，在该点上由于媒质盐度或养分含量导致的误差趋近于零。通过选择成份，还有可能调整湿度传感器响应的线性，例如，使得其在高或低容积比含水量时具有更大或更小的灵敏度。这种高级别的灵活性是有利的，因为它允许最小化土壤中盐度或养分的影响，例如根据不同应用和不同媒质的需要修改湿度传感器的响应。

图7示出了能与上述任一实施例的电路一起使用的各种可能的探头装置。图7a示出了一种其中探头包括两个探针5a和5b的装置。所述两个探针之一(在这里是5a)接地，同时信号施加在另一个探针5b上。位于两个探针之间的媒质中的水改变了媒质的电介质属性，从而改变了感测电子器件602、600上的信号。

图7b示出了可以适合于探头的另一种装置。在该实施例中存在三个探针：信号注入到探针5b，而另外两个探针5a均接地。参考图7c和图7d可以明显看出，这种实施例相比图7a的实施例提供了对探针5b上屏蔽信号的更接近的近似。

图7c示出了适合于与前述实施例一起使用的探头的另一种可能实施例。在该实施例中，存在单个信号探针5b，但是存在三个接地探针5a，其绕着以信号探针5b为中心的圆相互间隔大约120°进行设置。还可以实现具有4个或更多个外围探针5a的类似装置。在某些应用中，图7c的装置比图7a或图7b的装置更优选，其提供了增大的灵敏度和/或增大的感测容量。

图7d示出了另一个实施例，即所谓的同轴装置，其中信号探针5b被管装导电接地平面5a所屏蔽。探针5a上可以有图案，或者有网眼或类似设置，使得允许水分通过。显然，除图7所示以外的其它探针装置及其变形是可能的。

图8示出了如图7a中实施例所示的具有两个探针5a和5b的探头9。探头9通过电缆11连接，所述电缆利用连接器10将探头9连接至前述湿度传感器的实施例中的任意一个。可以意识到，可以不使用电缆，并且可以使用无线(诸如红外、蓝牙、WiFi或其它无线链路)等连接。事实上，在其它实施例中湿度传感器也可以安放在探头上，这种也称为嵌入式的实施例。在这种嵌入式的实施例中，数据可以记录在存储器中以备后用，和/或可以在探头上配备显示器以便用户观察湿度。

图9示出了可以与前述实施例一起使用的另一个实施例，其提供了沿着支撑装置900排列的多个探头。支撑装置900包括把手902和轴8。沿着轴8的长度方向间隔部署了四对导电环904，每对导电环提供一个探头。所述对环中的一个环提供信号探针5b，同时所述对环中的另一个环提供接地探针5a。在每对中每个环之间的电场是感测区域，如标记7所示。所述支撑装置可以直接插入到媒质中，或者通过接口管耦合以便支撑装置能够容易地插入媒质和从媒质中移除。

图12示出了一个实施例，其是图6的一个变体。同样可以看到提供了振荡器1、增益控制2、感测阻抗Z_a3和复阻抗Z_b4，以及在图6中绘出的其它电路。该实施例还额外增加了测量位于感测阻抗和振荡器之间的点100与复阻抗4的输出端(也即位于复阻抗4和探头5a、5b之间)之间的差分信号。还示出了两个另外的峰值检测器装置610、612，包括D_d和D_e以及放大器16，用于测量这两个被检测信号之间的差分信号，其提供第二测量。在这种设置中，复阻抗4被设置成使得其对媒质中的水分敏感。因此，在感测阻抗Z_a3上测量并由放大器15输出的差分信号对媒质中的湿度敏感。位于复阻抗4输出端(也即位于复阻抗与探头之间)的信号对媒质的电导率敏感，因此放大器16的输出信号对媒质的电导率敏感。由此可以推导出媒质的湿度以及媒质的电导率。优选地，还包括温度传感器，因此使得传感器能够测量水分、电导率和温度。

在另一个实施例中，图3、图4和图5中的信号检测器7可以包括测量信号相位的信号检测器装置，或者在另一个实施例中，测量信号的幅度和相位二者。图6和图12中的装置可以使用类似的信号检测器替代所述峰值检测器装置。

在另一个实施例中，探头可以包括用于将信号注入到媒质中的单个探针以及用于与媒质接触的环。该环通常是接地的，并且代替图7a中的接地探针5a。

在其它实施例中，尽管图中未示出，但是探头可以包括称为衬质势探头的结构。在这种实施例中，如图7a至图7d的装置中的任意一个中所示的探针5a和5b嵌入在诸如石膏、混凝土或纤维材料之类的衬质材料中。

在另一个实施例中，尽管图中未示出，探头可以包括称为电介质张力计的结构。在这种实施例中，如图7a至图7d的装置中的任意一个中所示的探针5a和5b嵌入在陶瓷材料中。

在某些实施例中，注入媒质中的信号有可能是由湿度传感器外部的并且连接到信号源的振荡器产生的。在其它实施例中信号源可以包括振荡器。

Claims

1.一种湿度传感器，包括：信号源，用于提供信号；探头，用于将所述信号注入需要测量其湿度的媒质中；复阻抗，放置在所述探头与所述信号源之间；以及感测电子器件，用于监测在所述信号源与所述复阻抗之间的点上的信号，并产生第一测量，由该测量指示所述媒质的湿度。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述复阻抗以Pi电路装置的形式设置。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中感测阻抗与所述复阻抗串联放置。

4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述感测阻抗、所述复阻抗与所述探头使用时插入的媒质所提供的阻抗一起形成分压器，并且所述感测电子器件用于监测位于所述感测阻抗和所述复阻抗连接点处的信号。

5.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中所述信号源用于产生基本上在恒定频率上的信号。

6.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中所述感测电子器件用于监测所述第一测量的幅度。

7.根据权利要求6所述的传感器，其中所述感测电子器件包括一个或多个峰值检测器电路。

8.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中所述感测电子器件用于监测位于所述探头和所述复阻抗之间的点上的信号，并由此产生第二测量。

9.根据权利要求8所述的传感器，其中所述第二测量提供对所述媒质的电导率的指示。

10.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中所述第一测量被设置成对所述媒质的介电常数敏感。

11.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中所述感测电子器件用于对所述信号的幅度和相位二者都进行监测。

12.根据前述任一权利要求所述的传感器，其包括温度传感器。

13.根据权利要求12所述的传感器，其中可以测量下述媒质特性中的任意一个或多个特性：温度、介电常数、湿度、容积比含水量、电导率和/或盐度。

14.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中提供了多个探头，并且所述多个探头沿着支撑装置排列。

15.根据权利要求14所述的传感器，其中所述支撑装置允许测量媒质中的湿度分布。

16.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中增益控制环路被插入或直接跟在所述信号源之后，以提供幅度和/或温度稳定的信号。

17.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中在所述复阻抗与所述信号源之间放置感测阻抗。

18.根据权利要求17所述的传感器，其中所述感测电子器件监测位于所述感测阻抗与所述复阻抗之间的信号以产生所述第一测量。

19.根据权利要求17所述的传感器，其中所述感测电子器件差分地测量所述感测阻抗上的信号，以便产生所述第一测量。

20.根据前述任一权利要求所述的传感器，其被设置成产生两个或多个信号，每个信号均具有不同的频率，并将所述两个信号通过所述探头施加到所述媒质。

21.根据权利要求20所述的传感器，其中所述两个或多个信号是顺序地施加的。

22.根据权利要求21所述的传感器，其中所述两个或多个信号是同时或几乎同时施加的。

23.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中所述复阻抗与所述媒质的标称阻抗不匹配。

24.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中所述信号源由所述传感器内的振荡器和到外部振荡器的连接之一所提供。

25.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中复阻抗被设置成使得由所述感测电子器件监测的信号对媒质介电常数的变化具有较大的灵敏度，而对媒质电导率的变化具有较小的灵敏度。

26.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中所述复阻抗被设置成使得由所述感测电子器件监测的信号对媒质中含水量的变化具有较大的灵敏度，而对所述媒质中的盐度或养分具有较小的灵敏度。

27.根据前述任一权利要求所述的传感器，其中所述探头包括陶瓷或其它衬质材料部分，并且被设置成使得围绕所述探头的所述媒质的张力和/或衬质势能够被确定。

28.根据权利要求27所述的传感器，其被设置成使得由所述探头产生的电磁场基本上保持在所述陶瓷或其它衬质材料部分中。

29.一种测量媒质的湿度的方法，包括：将信号源产生的信号通过复阻抗和探头注入到所述媒质中；监测在所述信号源和所述复阻抗之间的点上的信号，以便产生第一测量，该第一测量指示所述媒质的湿度。

30.根据权利要求28所述的方法，其中所述复阻抗用于使得在所述信号源与所述复阻抗之间的点上的所述信号对于所述媒质的介电常数的变化敏感，而对于所述媒质电导率的变化不敏感。

31.根据权利要求29或30所述的方法，其中在所述复阻抗与所述探头之间的点上监测所述信号，以产生第二测量，该第二测量指示所述媒质的电导率。

32.根据权利要求29-31中任一项所述的方法，其中所述第一测量的幅度用于确定所述湿度。

33.根据权利要求29-32中任一项所述的方法，其中由所述信号源产生的信号在通过所述复阻抗之前还通过感测阻抗。

34.根据权利要求29-33中任一项所述的方法，其中所述探头包括陶瓷或其它衬质材料部分，并且用于确定所述媒质的张力。

35.一种湿度传感器，其基本上如此处参考附图所描述和所说明的一样。

36.一种测量媒质的湿度的方法，其基本上如此处参考附图所描述和所说明的一样。

37.一种湿度传感器，包括：信号源，用于提供信号；探头，用于将所述信号注入需要测量其湿度的媒质中；以及感测电子器件，其中所述感测电子器件用于产生指示所述媒质的湿度的所述信号的第一测量，以及指示所述媒质的离子含量的第二测量。

38.一种湿度传感器，包括：信号源，用于提供信号；探头，用于将所述信号注入需要测量其湿度的媒质中；复阻抗，放置在所述探头与所述信号源之间，其中所述复阻抗与所述探头使用时插入的媒质所提供的阻抗一起组成分压器的一部分，所述分压器的另一部分由感测阻抗提供，所述传感器还包括感测电子器件，其用于感测位于所述感测阻抗与所述复阻抗之间的点上的信号。

39.一种湿度传感器，包括：信号源，用于提供信号；探头，用于将所述信号注入需要测量其湿度的媒质中；复阻抗，以PI电路的形式提供，放置在所述探头与所述信号源之间；以及感测电子器件，用于监测位于所述信号源与所述复阻抗之间的点上的信号，并产生第一测量，由该第一测量指示所述媒质的湿度。

40.一种湿度传感器，包括：信号源，用于提供基本上在恒定频率上的信号；探头，用于将所述信号注入需要测量其湿度的媒质中；复阻抗，放置在所述探头和所述信号源之间；以及感测电子器件，用于监测位于所述信号源和所述复阻抗之间的点上的信号，并产生第一测量，由该第一测量指示所述媒质中的湿度。