專利名稱：濕度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器，尤其涉及用于至少確定傳感器所處位置的土壤或其他材料的 濕度的傳感器。
背景技術(shù)：
隨著灌溉成本的增加，特別是獲得并提供灌溉水給商業(yè)農(nóng)作物的成本，確定土壤 中的濕度越來(lái)越重要。有多種確定土壤中的濕度值的方法，這樣的系統(tǒng)包括電導(dǎo)率傳感器 和時(shí)域透射測(cè)量(TDT)傳感器等。電導(dǎo)率傳感器缺點(diǎn)在于測(cè)量缺乏精確度/靈敏度，其必須與土壤電接觸，以及不 適于測(cè)量較低的濕度，因此其通常不是可以接受的方案。TDT傳感器在濕度較低時(shí)能夠提供準(zhǔn)確的測(cè)量，但是由于其必須帶有較長(zhǎng)的傳感 器傳輸線/電極以產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)果，這樣的傳感器很難放在土壤里。通常，必須在土壤里鉆孔來(lái)放置TDT傳感器，然后將土壤回填到該傳感器或傳感 器傳輸電極周圍。挖土和回填土壤的要求增加了安裝TDT傳感器的成本，也導(dǎo)致鄰近該傳 感器的土壤具有與土壤本體不同性能，例如密度。傳感器周圍的這樣的不同土壤特性導(dǎo)致 了讀取的土壤特性不太準(zhǔn)確。另外，由于需要長(zhǎng)的傳感器傳輸電極，TDT傳感器提供對(duì)較大量土壤的測(cè)量，這在 有些情況下是不期望的。另一種已知的土壤傳感器公開于Wrzesinski等人的美國(guó)專利6，441，622中，該專 利教導(dǎo)了一種時(shí)域反射(TDR) 土壤傳感器，該傳感器采用了被一圓柱形附屬電極盤繞的盤 繞式傳感器傳輸電極。該傳感器安裝在地上，要測(cè)量的土壤置于所述附屬電極和所述盤繞 式傳感器電極之間的空腔內(nèi)。顯然，Wrzesinski傳感器的安裝需要挖土并將土壤回填至傳 感器周圍和內(nèi)部。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種新型傳感器，該傳感器能夠消除和減輕現(xiàn)有技術(shù) 的至少一個(gè)缺陷。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種測(cè)量周圍一定體積的材料的濕度的傳感器，該 傳感器包括一電路板，該電路板帶有采用時(shí)域透射量測(cè)法的電路(electric circuit)，以 測(cè)量信號(hào)傳輸電極周圍的材料的濕度，該信號(hào)傳輸電極連接該電路，該信號(hào)傳輸電極的電 長(zhǎng)度(electrical length)大于該電路板的物理長(zhǎng)度；一封裝該電路板的傳感器主體，傳 感器主體接觸該電路板的部分由不導(dǎo)電的介電材料制成，傳感器主體具有第一端和與第一 端相對(duì)的第二端，第一端插入要測(cè)量的材料，第二端可以受力以驅(qū)動(dòng)該傳感器進(jìn)入所述材 料。優(yōu)選地，所述信號(hào)傳輸電極為復(fù)合電極，由多個(gè)串連的導(dǎo)體段在電路板的交替邊 形成。還優(yōu)選地，傳感器主體繞所述電路板模制。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種測(cè)量周圍一定體積的材料的濕度的傳感器，該 傳感器包括至少兩個(gè)電路，每一電路采用時(shí)域測(cè)量方法測(cè)量連接該電路的信號(hào)傳輸電極 周圍的材料的濕度，每一電路的信號(hào)傳輸電極的電長(zhǎng)度大于該電路的整體物理長(zhǎng)度；一封 裝每一個(gè)電路的傳感器主體，該電路設(shè)置為沿傳感器主體的長(zhǎng)度為線性方式，傳感器主體 接觸電路的部分由不導(dǎo)電的介電材料制成，傳感器主體具有第一端和與第一端相對(duì)的第二 端，第一端插入要測(cè)量的材料，第二端可以受力以驅(qū)動(dòng)該傳感器進(jìn)入所述材料；所述至少兩 個(gè)電路的每一個(gè)測(cè)量鄰近其相應(yīng)電路的一定體積的材料的濕度。優(yōu)選地，每一電路還包括一第二濕度傳感器，以提供鄰近該電路的材料的濕度的 第二次測(cè)量。還優(yōu)選地，所述第二濕度傳感器測(cè)量與時(shí)域測(cè)量方法電路相比鄰近電路板的 更小體積材料的濕度。優(yōu)選地，所述信號(hào)傳輸電極為復(fù)合電極，由多個(gè)串連的導(dǎo)體段在電路板的交替邊 形成。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種測(cè)量周圍一定體積的材料的濕度的傳感器，該 傳感器包括一電路，該電路實(shí)施高頻方法來(lái)測(cè)量濕度，該電路具有連接在其上的信號(hào)傳輸 電極；一支撐該電路的安裝基材；該信號(hào)傳輸電極的電長(zhǎng)度大于安裝基材的物理長(zhǎng)度；一 封裝所述安裝基材和所述電路的傳感器主體，傳感器主體至少在接觸電路的部分為非導(dǎo)電 的。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種測(cè)量周圍一定體積的材料的濕度的傳感器，該 傳感器包括多個(gè)電路，每一電路實(shí)施高頻方法來(lái)測(cè)量濕度，每一電路具有一連接在其上的 信號(hào)傳輸電極；多個(gè)安裝基材，每個(gè)安裝基材對(duì)應(yīng)和支撐多個(gè)電路中的一個(gè)不同電路；每 一信號(hào)傳輸電極的電長(zhǎng)度大于每個(gè)對(duì)應(yīng)的安裝基材的物理長(zhǎng)度；一封裝所述多個(gè)安裝基材 和所述多個(gè)電路的傳感器主體，傳感器主體至少在接觸所述多個(gè)電路的部分為非導(dǎo)電的； 其中，所述至少多個(gè)電路的每一個(gè)可以測(cè)量鄰近其相應(yīng)安裝基材的一定體積的材料的濕 度。本發(fā)明提供一種傳感器和測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明的傳感器采用新型的復(fù)合傳輸電極， 其提供的傳輸電極的長(zhǎng)度大于傳感器的長(zhǎng)度，允許利用高頻測(cè)量方法有效地、準(zhǔn)確地確定 鄰近該傳感器的一定體積的材料的濕度。該傳感器的結(jié)構(gòu)允許該傳感器直接插入材料，一 旦傳感器安裝在材料中，無(wú)須挖空或回填傳感器。該傳感器可以用作測(cè)量系統(tǒng)的一部分， 優(yōu)選地，一個(gè)或多個(gè)傳感器通過場(chǎng)節(jié)點(diǎn)(field node)管理，該場(chǎng)節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)互通 (interoperate)0


現(xiàn)在參考附圖僅僅以示例的方式描述本發(fā)明的優(yōu)先實(shí)施例，其中，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器的部分透明立體圖；圖2示出了用于和圖1的傳感器使用的電路板；圖3示出了圖2中區(qū)域A的放大視圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)傳感器的立體圖；圖5示出了涂覆有保護(hù)涂層的圖4的傳感器；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)傳感器的立體5
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)的示意圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)非限定性實(shí)施例的傳感器的立體圖；圖9示出了根據(jù)一個(gè)非限定性的實(shí)施例的、圖8的傳感器剖面B ；圖10示出了根據(jù)又一個(gè)非限定性的實(shí)施例的、圖8的傳感器剖面B ；圖11示出了用于圖8的傳感器的基材的平面圖；以及圖12示出了圖11的基材的區(qū)域C的局部剖面圖。
具體實(shí)施例方式在圖1中，根據(jù)本發(fā)明的傳感器整體標(biāo)記為20。盡管在此的討論參考對(duì)土壤濕度 的測(cè)試，但是本發(fā)明不限于此，根據(jù)本發(fā)明的傳感器可以用于確定多種材料的濕度，包括谷 物、化學(xué)原料、油類和石油產(chǎn)品等。這樣的應(yīng)用在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。盡管后面的描述討論了 TDT技術(shù)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，其他技術(shù)諸如時(shí)域 反射法或其他時(shí)域或頻域測(cè)量方法也可以用于本發(fā)明。因此，本發(fā)明不限于采用TDT技術(shù)。傳感器20包括一主體，該主體包括楔形部分24和圓柱形頭部28。楔形部分24的 形狀和大小允許傳感器20通過對(duì)圓柱形頭部28施加力插入要取樣的土壤，插入方式類似 帳篷樁的形式，施加力例如通過錘子或其他工具，下面會(huì)詳細(xì)描述。TDT電路位于電路板32上，電路板32位于楔形部分24內(nèi)。電連接36，包括來(lái)自 TDT電路的信號(hào)線和對(duì)傳感器20的電源供應(yīng)，從傳感器20的外部延伸穿過圓柱形頭部28 然后連接電路板32。傳感器20可以通過在模具內(nèi)對(duì)電路板32定位而組裝，連接器36延伸在模具的外 部，然后用合適的不導(dǎo)電的介電材料諸如環(huán)氧樹脂填充，以制成傳感器20。圖2示出了電路板的細(xì)節(jié)。如圖所示，電路板32包括中央部分38和一組連接點(diǎn) 40，TDT電路安裝在中央部分38上，電連接36 (未示出)連接連接點(diǎn)40。用于TDT電路的信號(hào)傳輸電極44位于鄰近電路板32的每側(cè)并沿著電路板32的 每一面。優(yōu)選地，如圖3所示，第一組導(dǎo)體48(如虛線所示)設(shè)置在電路板32的一面之下， 第二組導(dǎo)體52設(shè)置在電路板32的另一面之下。第一組導(dǎo)體48中每一個(gè)的第一端通過一 貫通連接器或孔56連接至第二組導(dǎo)體52中相應(yīng)導(dǎo)體的第一端。第二組導(dǎo)體52中每一相應(yīng)導(dǎo)體的另一端通過孔60連接至第一組導(dǎo)體48中相應(yīng) 導(dǎo)體的另一端?？梢钥闯觯瑑山M導(dǎo)體48和52通過孔56和60電連接，以形成單個(gè)的、長(zhǎng)的 復(fù)合信號(hào)傳輸電極44，該電極從在電路板32前面的組48的一個(gè)導(dǎo)體交替到電路板32后面 的組52的一個(gè)導(dǎo)體，然后再返回在電路板32前面的組48的一個(gè)導(dǎo)體，等等。如圖2所示，所得的復(fù)合信號(hào)傳輸電極44向下延伸穿過電路板32的一個(gè)邊緣，然 后穿過電路板32的底部，然后向上延伸到電路板32的另一個(gè)邊緣。導(dǎo)體組48和52以及孔56和60的設(shè)置獲得了一個(gè)信號(hào)傳輸電極44，該電極與線 性傳輸電極相比占據(jù)大大降低的物理長(zhǎng)度，但是還能提供更長(zhǎng)傳輸電極的優(yōu)點(diǎn)，尤其是單 獨(dú)的傳輸電極44能與測(cè)量的材料在更長(zhǎng)長(zhǎng)度上交互，因而相對(duì)使用較短電極的系統(tǒng)增加 了測(cè)量的靈敏度和準(zhǔn)確度。在圖2和圖3的特定例子中，電路板32約18英寸長(zhǎng)，而用于 TDT目的的信號(hào)傳輸電極44約6英尺(合72英寸)長(zhǎng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，導(dǎo)體組48和52以及孔56和60均可以用傳統(tǒng)的印刷電
6路板技術(shù)制造，因此制造電路板32的成本大大低于現(xiàn)有技術(shù)的制造傳輸信號(hào)電極的方法。 而且，由導(dǎo)體組48和52制造的信號(hào)傳輸電極44附在電路板32的兩側(cè)的構(gòu)造允許信號(hào)傳 輸電極44的有效信號(hào)長(zhǎng)度(TDT測(cè)量必須的)比傳感器的物理長(zhǎng)度長(zhǎng)很多。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，盡管用已知的印刷電路板制造技術(shù)來(lái)制造復(fù)合信號(hào)傳 輸電極44是目前優(yōu)選的，本發(fā)明并不限于這種構(gòu)造。例如，信號(hào)傳輸電極44可以通過以下 方式來(lái)制造將傳輸線繞一不導(dǎo)電的桿(未示出)或其他部件制成線圈(未示出)；然后將 該線圈裝入傳感器20中。信號(hào)傳輸電極44實(shí)現(xiàn)的縮短的物理長(zhǎng)度提供了又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，傳感器20測(cè)量的土 壤的體積與傳感器20的物理長(zhǎng)度相關(guān)，而對(duì)該體積測(cè)量的準(zhǔn)確度與復(fù)合電極44的有效信 號(hào)長(zhǎng)度相關(guān)。在上述圖2的例子中，這意味著傳感器20測(cè)量的土壤約18英寸長(zhǎng)，而其準(zhǔn)確 度為帶有6英尺信號(hào)傳輸電極長(zhǎng)度的傳感器的準(zhǔn)確度。另外，如果需要，電路板32可以裝有額外的裝置，例如溫度測(cè)量裝置，以提供關(guān)于 傳感器20周圍的材料的附加信息。如上所述，本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，傳感器很容易放入要測(cè)量的土壤或其他材料。 具體來(lái)說(shuō)，在許多情況下，可以通過在頭部28施加力，例如通過錘子、木槌或其他適當(dāng)工 具，將部分24壓入土壤或其他材料來(lái)放置傳感器20，使得楔形部分24在鄰近信號(hào)傳輸電極 44的區(qū)域能夠緊密接觸未干擾的土壤。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的傳感器100，其中與傳感器20的組件類 似的組件用類似的附圖標(biāo)記表示。在該實(shí)施例中，傳感器100包括基本上楔形的主體104， 該主體包括容裝電路板32的中央槽108。主體104可以由擠壓成型的金屬或適當(dāng)?shù)哪Ｖ?塑料制成，一旦安裝好電路板32并且電連接36正確定位，傳感器100可以涂覆以保護(hù)性的 不導(dǎo)電介電涂層，例如環(huán)氧樹脂或聚氨酯涂層，以防止腐蝕并電學(xué)上包覆電路板32上的電 路，以及將電路板32固定在正確位置。圖5示出了涂覆保護(hù)涂層后的傳感器100。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的傳感器200，其中與傳感器20和100的 組件類似的組件用類似的附圖標(biāo)記表示。如圖所示，傳感器200的主體104比傳感器100 的主體長(zhǎng)，中央槽108也相應(yīng)地長(zhǎng)。圖中還示出，中央槽108帶有插入其中的電路板32-1、 電路板32-2、電路板32-3、電路板32-4和電路板32_5。用于每一電路板32-2、32-3、32-4和32_5的電源和信號(hào)連接器均與上述相應(yīng)電路 板的連接器204相連(詳見圖2)。每一個(gè)相應(yīng)的電路板32提供由連接器204到連接點(diǎn)40 的總線穿越(未示出)，最后連接到電路板32-1上的連接點(diǎn)40，該連接點(diǎn)連接電連接36。 一旦傳感器200安裝，其可以如前述涂覆以適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)性涂層。如上所述，在電路板32上的復(fù)合傳輸電極的設(shè)置允許準(zhǔn)確地測(cè)量繞電路板的一 定體積的土壤的濕度。在傳感器200，多個(gè)電路板32-1、32-2、32-3、32-4和32_5放置在傳 感器200內(nèi)，以提供沿傳感器200長(zhǎng)度的相應(yīng)體積的土壤的信息。這樣，傳感器200可以提 供表征鄰近電路板32-1的一定體積土壤的濕度的信號(hào)、表征鄰近電路板32-2的一定體積 土壤的濕度的另一信號(hào)、表征鄰近電路板32-3的一定體積土壤的濕度的又一信號(hào)、表征鄰 近電路板32-4的一定體積土壤的濕度的又一信號(hào)和表征鄰近電路板32-5的一定體積土壤 的濕度的又一信號(hào)。這樣，用戶可以獲得沿傳感器200長(zhǎng)度的濕度曲線。盡管圖6示出的傳感器帶有5個(gè)電路板32，本發(fā)明不限于這種設(shè)置，傳感器200可以包括2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、6個(gè)或者所期望的、基本上任意數(shù)量的電路板。如果需要，傳感器100或傳感器200的電路板32還可以包括一個(gè)或多個(gè)附加濕度 傳感器。這樣的附加濕度傳感器的例子包括但不限于電容式傳感器、電導(dǎo)率傳感器或者時(shí) 域透射或反射傳感器。這些附加傳感器設(shè)置為通過電連接36提供它們的輸出信號(hào)，這些附加傳感器在 測(cè)試模態(tài)操作時(shí)在緊鄰該附加傳感器的、相對(duì)TDT傳感器來(lái)講較小的測(cè)量范圍操作。隨著 后面的討論會(huì)明白，這些附加傳感器測(cè)量時(shí)不必提供高準(zhǔn)確度，因此便宜的實(shí)現(xiàn)方案可以 用于這些附加傳感器。因此，帶有電路板32并包括附加傳感器的傳感器100或200可以利用TDT測(cè)量電 路提供鄰近每一電路板32的一定體積的土壤的濕度的準(zhǔn)確測(cè)量，但是由附件傳感器可以 提供緊鄰該附加傳感器的濕度信息。因此，包括附加傳感器的傳感器100或200可以提供 水穿透土壤的速率的表征，在此稱作“潤(rùn)濕峰”(wetting front)。潤(rùn)濕峰通過土壤的傳遞 的表征可以提供另一個(gè)控制灌溉系統(tǒng)的有用措施。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)400。系統(tǒng)400包括多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的傳感器， 在示出的實(shí)施例中為傳感器20。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，如果需要的話也可以在系 統(tǒng)400內(nèi)采用傳感器100或傳感器200或者傳感器20、100和200的組合。每個(gè)傳感器20通過適當(dāng)?shù)倪B接408連接到場(chǎng)節(jié)點(diǎn)404，連接的場(chǎng)節(jié)點(diǎn)404管理其 連接的傳感器。場(chǎng)節(jié)點(diǎn)404和其管理的多個(gè)傳感器20的組在此稱作“小組”。目前優(yōu)選地， 場(chǎng)節(jié)點(diǎn)404a和404b分別對(duì)它們管理的傳感器20a_l到20a_4的每一個(gè)和傳感器20b_l 到20b-4的每一個(gè)提供電源，分別從它們管理的傳感器20a-l到20a_4的每一個(gè)和傳感器 20b-l到20b-4的每一個(gè)接收傳感器信號(hào)。因此，在目前優(yōu)選的實(shí)施例中，連接408a和408b 為電纜連接。但是，可以理解，在一些情況下，理想的是每一個(gè)傳感器20都帶有自己的電源 和無(wú)線發(fā)射器，將其傳感器信號(hào)通過無(wú)線信號(hào)發(fā)送，這樣的設(shè)置也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。每一個(gè)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)404可以管理一個(gè)或多個(gè)傳感器20，并且優(yōu)選地包括對(duì)這些傳感器 20供電的耐用的裝置。在當(dāng)前的實(shí)施例中，場(chǎng)節(jié)點(diǎn)404包括一組太陽(yáng)能電池和可充電電池 系統(tǒng)(未示出)，該電池系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)404和其管理的每一個(gè)傳感器20供電。但是，可以理 解，場(chǎng)節(jié)點(diǎn)404可以連接外部電源，例如120伏交流電源或者其他可用的適當(dāng)?shù)碾娫?，或?如果需要的話由適當(dāng)組的一次性電池等等來(lái)供電。除了優(yōu)選包括對(duì)傳感器20供電的電源，場(chǎng)節(jié)點(diǎn)404包括一處理器，例如適當(dāng)?shù)? 位或16位微控制器，和一適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)器，例如閃存或帶備用電池的靜態(tài)只讀存儲(chǔ)器，存儲(chǔ) 器的操作允許場(chǎng)節(jié)點(diǎn)404接收、處理和存儲(chǔ)來(lái)自傳感器20的表征每個(gè)傳感器20的每個(gè)電 路板32測(cè)量的濕度值的信號(hào)和/或來(lái)自電路板32的任何其他信息，例如溫度測(cè)量等。場(chǎng)節(jié)點(diǎn)404還包括一通信裝置，例如無(wú)線收發(fā)機(jī)412，通過無(wú)線收發(fā)機(jī)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)404 可以向系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)416提供存儲(chǔ)的信號(hào)，系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)帶有相應(yīng)的無(wú)線收發(fā)機(jī)420，和/或場(chǎng) 節(jié)點(diǎn)404可以從系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)416接收指令。在本發(fā)明目前優(yōu)選的一個(gè)實(shí)施例中，場(chǎng)節(jié)點(diǎn)404 和系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)416通過與IEEE 802. 15. 4/Zigbee協(xié)議兼容的數(shù)字通信系統(tǒng)通信，這種標(biāo)準(zhǔn) 和協(xié)議的內(nèi)容在此全文引作參考。系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)416可以直接連接用戶，例如直接連接在手提電腦或個(gè)人電腦上，也 可以通過適當(dāng)?shù)姆绞竭B接到遠(yuǎn)程用戶，例如通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)諸如因特網(wǎng)。系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)416
8可以通過合適的物理的或無(wú)線的數(shù)據(jù)鏈路連接到用戶或數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，土壤測(cè)量系統(tǒng)400可以以多種方式操作。例如，場(chǎng)節(jié) 點(diǎn)404可以處理和儲(chǔ)存以常規(guī)間隔來(lái)自所管理的傳感器20的信號(hào)并將那些存儲(chǔ)的信號(hào)以 預(yù)設(shè)間隔(例如每小時(shí)、每天等)或根據(jù)要求發(fā)送給系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)。在其他實(shí)施例中，場(chǎng)節(jié)點(diǎn) 404可以處理來(lái)自所管理的傳感器20的信號(hào)并將那些信號(hào)基本上實(shí)時(shí)地發(fā)送給系統(tǒng)主節(jié) 點(diǎn)416。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以有多種其他方式來(lái)操作土壤測(cè)量系統(tǒng)400。本發(fā)明提供一種新型的有用的土壤傳感器和土壤測(cè)量系統(tǒng)。所述土壤傳感器采用 新型的復(fù)合傳輸電極，其提供的傳輸電極的長(zhǎng)度大于傳感器的長(zhǎng)度，允許利用TDT方法有 效地、準(zhǔn)確地確定鄰近該傳感器的一定體積的土壤的濕度。該土壤傳感器的結(jié)構(gòu)允許該傳 感器直接插入土壤，無(wú)須挖空土壤或?qū)鞲衅骰靥钔寥馈Ｔ撏寥纻鞲衅骺梢灾茏魍寥罍y(cè)量 系統(tǒng)的一部分，優(yōu)選地，一個(gè)或多個(gè)傳感器通過場(chǎng)節(jié)點(diǎn)管理，該場(chǎng)節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)互通。現(xiàn)在參考附圖8-12描述又一個(gè)非限定性實(shí)施例，其中與傳感器20的組件類似的 組件用類似的附圖標(biāo)記表示，附圖標(biāo)記帶有后綴“a”。參考圖8，又一個(gè)非限定性實(shí)施例的傳感器整體示為300。傳感器300包括一主體 22，該主體包括一鑿子形部分24a和一頭部28a。電子測(cè)量電路支撐在安裝基材32a (見圖 8中的虛線)，該安裝基材容裝在主體22內(nèi)，下面會(huì)詳細(xì)描述。在圖8所示的一些非限定性 實(shí)施例中，安裝基材32a可以完全容裝在鑿子形部分24a內(nèi)。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理 解，安裝基材32a例如也可以部分容裝在頭部28a內(nèi)。電連接36a從傳感器300延伸進(jìn)頭 部28a并連接到基材32a。電連接36可以是帶套的纜線，可以包括但不特別限于信號(hào)導(dǎo)線 和傳感器300的電源供應(yīng)。傳感器300的主體22包括半部64和66。傳感器還可以包括一個(gè)蓋68。半部64、 66和蓋68可以由金屬或者適當(dāng)?shù)姆墙饘俨牧夏Ｖ苹驍D出成型。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解， 如果金屬用于半部64、66和蓋68之一，安裝基材32a在插入主體22前可以涂覆非導(dǎo)電材 料。例如，主體22可以構(gòu)成硬塑料或金屬的剛性的載體架，而安裝基材32a可以在主體22 內(nèi)包以非導(dǎo)電介電套。圖9和圖10示出了在傳感器300的B區(qū)域的剖視圖中的半部64和66。應(yīng)注意， 在剖視圖中，鑿子形部分24a優(yōu)選為其第一尺寸明顯大于第二尺寸。例如，在圖9和圖10 中，鑿子形部分24a的寬度明顯大于高度。這樣的設(shè)置允許，例如在傳感器300安裝在土壤 中測(cè)量濕度時(shí)，傳感器300相對(duì)地面(未示出)水平安裝而不會(huì)明顯阻礙傳感器300周圍 的水隨重力流動(dòng)。圖9示出了在一些非限定性實(shí)施例中主體22的半部64和66的分割。圖10類似 地示出了在其他一些非限定性實(shí)施例中半部64和66的分割。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解， 半部64和66的其他的設(shè)置是可以的，也落入了本說(shuō)明的范圍。如圖9和10所示，主體22的半部64和66的每一個(gè)可以在此限定一個(gè)通道70，該 通道用于容裝一部分安裝基材32a(未示出)。半部64和66的通道70在半部64和66相 接時(shí)形成主體22內(nèi)的空腔，用于容裝安裝基材32a。通過一堅(jiān)固器(例如粘合劑)將半部64和66連接在一起，以形成內(nèi)部帶空腔的 主體22a，來(lái)完成傳感器300的安裝。在主體22a內(nèi)限定的空腔可以延伸到頭部28a，因而 在頭部28a處提供了 一個(gè)開口，安裝基材32a可以滑動(dòng)插入該開口。在其他一些非限定性
9實(shí)施例中，在主體22a內(nèi)限定的空腔不延伸到頭部28a，在將半部64和66連接在一起之前， 至少部分安裝基材容裝在通道70?？梢岳斫猓坏┌惭b基材32a容裝在傳感器300的主體 22內(nèi)，連接36a可以連接到安裝基材32a。一旦將半部64和66連接在一起并且安裝基材32a通過頭部28a處的開口插入空 腔內(nèi)，主體22內(nèi)的空腔的余留空隙會(huì)加入填料。填料可以是例如聚氨酯或環(huán)氧樹脂組合 物，或者是本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的其他適當(dāng)?shù)牟牧稀Ｉw68然后如圖8所示蓋在主體22的 頭部28a。蓋68可以通過一緊固件諸如粘合劑連接在主體22的頭部28a。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，如圖8所示，蓋68允許電連接36a相對(duì)主體22的長(zhǎng)度 L以基本上90°從傳感器300伸出。本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以理解，電連接36a也可以相對(duì) 長(zhǎng)度L以基本上0°或180°或者上述角度之間的角度從傳感器300伸出。通常，該68可 以制造為例如提供有空隙72，以允許連接36a以相對(duì)傳感器300的多種不同角度從傳感器 300伸出?，F(xiàn)在參考圖11和12描述傳感器300的安裝基材32a。在一些非限定性實(shí)施例中， 安裝基材32a可以是印刷電路板(PCB)但是不限于PCB，也可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任 一安裝基材。安裝基材32a支撐電子測(cè)量電路38a，電子測(cè)量電路用高頻方法測(cè)量濕度。高 頻測(cè)量方法可以基于時(shí)域方法(例如時(shí)域透射法)、頻域方法或者混合的時(shí)域和頻域方法。 安裝基材32a可以包括用于連接電連接36a的連接器40a，以及用于連接又一安裝基材(未 示出)的連接器204a。 安裝基材32a也可以支撐信號(hào)傳輸電極44a。在描述的實(shí)施例中，信號(hào)傳輸電極沿 安裝基材32a的每一面的每一邊延伸，并連接至電路38a。信號(hào)傳輸電極44a包括設(shè)置在安 裝基材32a—面下的第一組導(dǎo)體48a(在圖11中示為虛線)和設(shè)置在安裝基材32a另一面 下第二組導(dǎo)體52a。第一組導(dǎo)體48a中每一個(gè)相應(yīng)的導(dǎo)體段的第一端通過一貫通連接器或 孔56a連接至第二組導(dǎo)體52a中相應(yīng)導(dǎo)體段的第一端。第二組導(dǎo)體52a中每一相應(yīng)導(dǎo)體段 的另一端通過另一孔60a連接至第一組導(dǎo)體48a中相應(yīng)導(dǎo)體段的另一端。兩組導(dǎo)體48a和 52a通過孔56a和60a電連接，以形成單個(gè)的、長(zhǎng)的復(fù)合信號(hào)傳輸電極44a，該電極從在安裝 基材32a —個(gè)面的組48a上的一個(gè)導(dǎo)體段交替到安裝基材32a另一面的組52a的一個(gè)導(dǎo)體 段，然后再返回組48a的一個(gè)導(dǎo)體段，以此類推。由圖11可以看出，信號(hào)傳輸電極44a開始于到電路38a的連接，即信號(hào)傳輸電極 的輸入，然后沿安裝基材32a的一邊延伸，穿越到安裝基材32a的另一邊，沿該邊返回，以重 新連接到在信號(hào)傳輸電極輸出處的電路38a。請(qǐng)注意，導(dǎo)體組48a中的導(dǎo)體段基本上彼此平行，導(dǎo)體組52a中的導(dǎo)體段也基本上 彼此平行。但是，導(dǎo)體組48a相對(duì)導(dǎo)體組52a成一角度，使得信號(hào)傳輸電極44a為基本上之 字形?？梢岳斫?，信號(hào)傳輸電極的其他類型的設(shè)置也是可以的。例如，信號(hào)傳輸電極可以僅 僅在安裝基材32a的一個(gè)面上，和/或可以為堞形或彎曲形設(shè)置(未示出)。這樣的變化落 入的本說(shuō)明書的范圍。通常，構(gòu)造的信號(hào)傳輸電極44a的電長(zhǎng)度大于安裝基材32a的物理長(zhǎng)度。信號(hào)傳 輸電極44a的電長(zhǎng)度可以進(jìn)一步大于安裝基材32a長(zhǎng)度的2倍和安裝基材32a的周長(zhǎng)之一 或兩者。這種設(shè)置提供了理想的長(zhǎng)度，通過該長(zhǎng)度，電信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)穿過信號(hào)傳輸電極以與 要測(cè)量的材料交互，從而與使用較短電極的系統(tǒng)相比增加了測(cè)量的靈敏度和準(zhǔn)確度。在圖
1011所示的實(shí)施例中，安裝基材32a約7英寸長(zhǎng)，而信號(hào)傳輸電極44a提供的電長(zhǎng)度約32英 寸長(zhǎng)。在測(cè)量傳感器300周圍一定體積的材料的濕度時(shí)，電路38a可以設(shè)置為施加一個(gè) 或多個(gè)電脈沖給信號(hào)傳輸電極的輸入，然后分析在信號(hào)傳輸電極的輸出端接收到的所得電 脈沖的響應(yīng)特性。或者，電路38a可以設(shè)置為施加一個(gè)或多個(gè)正弦電脈沖給信號(hào)傳輸電極 的輸入，然后分析在信號(hào)傳輸電極的輸出端接收到的所得正弦電脈沖的振幅和相位至少之
ο圖12示出了圖11中區(qū)域C的部分剖視圖，在安裝基材32a相反面上的第一導(dǎo)體 組48a和第二導(dǎo)體組52a通過孔56a和60a連通穿過安裝基材32a。如果需要，安裝基材32a也可以支撐額外的裝置和性能，以提供關(guān)于傳感器300 周圍材料的額外信息。例如，安裝基材32a可以支撐一溫度傳感器(未示出)，該溫度傳 感器可以允許因土壤溫度的變化對(duì)濕度的測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償。在又一個(gè)例子中，電路38a 設(shè)置為測(cè)量信號(hào)在高頻部件的衰減，允許確定鄰近信號(hào)傳輸電極44a的材料的體電導(dǎo)率 (bulkconductivity)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，體電導(dǎo)率的測(cè)量可以用于調(diào)節(jié)濕度測(cè)量 值，以獲得更高的準(zhǔn)確度?；氐綀D9和10，應(yīng)該注意，傳感器300的主體22的壁在外圍較薄，在該處容接安裝 基材32a的邊緣，而在中央?yún)^(qū)域容接電路38a。傳感器300可以通過例如以下方式安裝，在要測(cè)量的材料內(nèi)作一個(gè)類似于傳感器 300形狀的引孔(primer hole)，然后將傳感器300壓卡進(jìn)該引孔。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理 解，傳感器300也可以以傳感器20的安裝方式安裝，在頭部28a施加力，將鑿子形部分24a 驅(qū)動(dòng)進(jìn)入要測(cè)試的材料。傳感器300也可以包括由多個(gè)對(duì)應(yīng)的安裝基材32a支撐的多個(gè)電路38a，類似于參 考附圖6描述的傳感器200。這些安裝基材32a可以彼此基本共面，并且在適當(dāng)延伸的傳感 器主體內(nèi)基本上長(zhǎng)度方向排列。傳感器300也可以如參考圖7所描述的那樣，單獨(dú)用于或 者結(jié)合傳感器20和200用于類似于系統(tǒng)400的系統(tǒng)。以上描述的本發(fā)明的實(shí)施例僅僅用于說(shuō)明性的目的，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)這些實(shí)施 例的變化和改動(dòng)不會(huì)超出后附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍。
1權(quán)利要求
一種傳感器，用于測(cè)量該傳感器周圍一定體積的材料的濕度，該傳感器包括一電路，該電路實(shí)施高頻方法來(lái)測(cè)量濕度，該電路具有連接在其上的信號(hào)傳輸電極；一支撐該電路和該信號(hào)傳輸電極的安裝基材；所述信號(hào)傳輸電極的電長(zhǎng)度大于所述安裝基材的物理長(zhǎng)度；以及一封裝所述安裝基材和所述電路的傳感器主體，傳感器主體至少在接觸所述電路的部分為非導(dǎo)電的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述信號(hào)傳輸電極的長(zhǎng)度大于所述安 裝基材的物理長(zhǎng)度的兩倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述信號(hào)傳輸電極的長(zhǎng)度大于所述安 裝基材的物理周長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的傳感器，其特征在于，所述安裝基材為一印刷電路板， 所述信號(hào)傳輸電極為復(fù)合電極，由多個(gè)串連的導(dǎo)體段在所述印刷電路板的兩側(cè)形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其特征在于，所述多個(gè)串連的導(dǎo)體段位于所述印刷 電路板的交替邊，每一個(gè)串連的導(dǎo)體段通過在所述印刷電路板對(duì)側(cè)之間延伸的導(dǎo)體連接至 下一個(gè)串連的導(dǎo)體段。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器主體包括一剛性的 載體架和繞所述安裝基材和所述電路的不導(dǎo)電的介電套。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的傳感器，其特征在于，所述電路設(shè)置為向所述信號(hào)傳 輸電極的一個(gè)輸入處施加一個(gè)或多個(gè)電脈沖，并且進(jìn)一步設(shè)置為分析在所述信號(hào)傳輸電極 的一個(gè)輸出處接收到的一個(gè)或多個(gè)電脈沖時(shí)的響應(yīng)特性。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的傳感器，其特征在于，所述電路設(shè)置為向所述信號(hào)傳 輸電極的一個(gè)輸入處施加一個(gè)或多個(gè)正弦電信號(hào)，并且進(jìn)一步設(shè)置為分析在所述信號(hào)傳輸 電極的一個(gè)輸出處接收到的一個(gè)或多個(gè)正弦電信號(hào)時(shí)的振幅和相位特性中的至少一個(gè)。
9.一種傳感器，用于測(cè)量該傳感器周圍一定體積的材料的濕度，該傳感器包括多個(gè)電路，每一電路實(shí)施高頻方法來(lái)測(cè)量濕度，每一電路具有一連接在其上的信號(hào)傳 輸電極；多個(gè)安裝基材，每個(gè)安裝基材對(duì)應(yīng)和支撐所述多個(gè)電路中的一個(gè)不同電路；每一信號(hào)傳輸電極的電長(zhǎng)度大于每個(gè)對(duì)應(yīng)的安裝基材的物理長(zhǎng)度；一封裝所述多個(gè)安裝基材和所述多個(gè)電路的傳感器主體，傳感器主體至少在接觸所述 多個(gè)電路的部分為非導(dǎo)電的；其中，所述多個(gè)電路的每一個(gè)可以測(cè)量鄰近其相應(yīng)安裝基材的一定體積的材料的濕度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器，其特征在于，每個(gè)所述信號(hào)傳輸電極的長(zhǎng)度大于其 相應(yīng)的安裝基材的物理長(zhǎng)度的兩倍。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器，其特征在于，每個(gè)所述信號(hào)傳輸電極的長(zhǎng)度大于其 相應(yīng)的安裝基材的物理周長(zhǎng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11之一所述的傳感器，其特征在于，每個(gè)所述安裝基材為一印刷 電路板，每個(gè)所述信號(hào)傳輸電極為復(fù)合電極，由多個(gè)串連的導(dǎo)體段在相應(yīng)的印刷電路板的 兩側(cè)形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的傳感器，其特征在于，所述多個(gè)串連的導(dǎo)體段位于相應(yīng)印 刷電路板的交替邊，每一個(gè)串連的導(dǎo)體段通過在相應(yīng)印刷電路板對(duì)側(cè)之間延伸的導(dǎo)體連接 至下一個(gè)串連的導(dǎo)體段。
14.根據(jù)權(quán)利要求9-13之一所述的傳感器，其特征在于，至少一個(gè)所述多個(gè)安裝基材 中還包括一第二濕度傳感器，該第二濕度傳感器采用測(cè)量模態(tài)以提供鄰近所述至少一個(gè)安 裝基材的材料的濕度的第二次測(cè)量。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳感器，其特征在于，所述第二濕度傳感器設(shè)置為測(cè)量與 由所述至少一個(gè)安裝基材支撐的多個(gè)電路之一相比更小體積材料的濕度。
16.根據(jù)權(quán)利要求9-15之一所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器主體包括一剛性 的載體架和繞每一電路和相應(yīng)的安裝基材的不導(dǎo)電的介電套。
17.根據(jù)權(quán)利要求9-16之一所述的傳感器，其特征在于，所述多個(gè)安裝基材基本上共 面并且設(shè)置為在所述傳感器主體的基本上縱長(zhǎng)向上。
18.根據(jù)權(quán)利要求9-17之一所述的傳感器，其特征在于，至少一個(gè)電路設(shè)置為向相應(yīng) 的信號(hào)傳輸電極的一個(gè)輸入處施加一個(gè)或多個(gè)電脈沖，并且進(jìn)一步設(shè)置為分析在所述信號(hào) 傳輸電極的一個(gè)輸出處接收到的一個(gè)或多個(gè)電脈沖時(shí)的響應(yīng)特性。
19.根據(jù)權(quán)利要求9-17之一所述的傳感器，其特征在于，至少一個(gè)電路設(shè)置為向相應(yīng) 信號(hào)傳輸電極的一個(gè)輸入處施加一個(gè)或多個(gè)正弦電信號(hào)，并且進(jìn)一步設(shè)置為分析在所述信 號(hào)傳輸電極的一個(gè)輸出處接收到的一個(gè)或多個(gè)正弦電信號(hào)時(shí)的振幅和相位特性中的至少 一個(gè)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1-19之一所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器主體包括一逐漸 變尖的第一端，用于方便插入要測(cè)試的材料中。
21.根據(jù)權(quán)利要求1-20之一所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器主體包括與第一 端相對(duì)的第二端，以受力驅(qū)動(dòng)所述傳感器主體進(jìn)入要測(cè)試的材料中。
22.根據(jù)權(quán)利要求1-21之一所述的傳感器，其特征在于，還包括一連接到所述傳感器主體的蓋；電連接從該蓋伸出以向該傳感器提供電源；該蓋設(shè)置為允許電纜伸出的相對(duì)該傳感器長(zhǎng)度方向的角度在0到90度之間。
全文摘要
一種新型的、有用的傳感器和測(cè)量系統(tǒng)采用一種傳輸電極，該傳輸電極提供的傳輸電極的長(zhǎng)度大于傳感器的長(zhǎng)度，允許利用高頻測(cè)量方法有效地、準(zhǔn)確地確定一定體積的材料的濕度。該傳感器的結(jié)構(gòu)允許該傳感器直接插入材料，無(wú)須對(duì)材料挖空或回填傳感器。該傳感器可以用作測(cè)量系統(tǒng)的一部分，優(yōu)選地，一個(gè)或多個(gè)傳感器通過場(chǎng)節(jié)點(diǎn)管理，該場(chǎng)節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)互通。
文檔編號(hào)G01N27/02GK101903766SQ200880119247
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者巴塞爾·佐尼, 特雷佛·穆特, 羅納爾多·A·馬卡弗雷 申請(qǐng)人:Esi環(huán)境傳感器有限公司