基于电容的湿度传感器制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
—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。附图说明图1是根据本专利技术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是根据本专利技术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是根据本专利技术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1.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：迪尔公司，
类型：发明
国别省市：