CN102565147A - 接触式物体含水量感测装置及感测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种接触式物体含水量感测装置及感测方法，该装置包括一电力单元、一感测单元与一运算单元。感测单元包括一基板与一铜箔，铜箔配置于基板上。感测单元用以接触一目标物，电力单元用以供电予铜箔，铜箔受电而形成一等效电容，该等效电容因应目标物的含水量而具有不同的电容值。运算单元电性连接至感测单元，用以分析该等效电容的电容值，以计算出目标物的含水量。

Description

接触式物体含水量感测装置及感测方法

技术领域

本发明涉及一种物体含水量感测装置及方法，特别是涉及一种接触物体以感测物体的含水量的感测装置及感测方法。

背景技术

先前技术的接触式含水量传感器的类型包括下列数种：(1)在感测组件为一绝缘基板上刻录电路，并在基板表面配置一化学物质，如高分子材质，以借由化学物质的化学变化以呈现感测组件所处环境的含水量。(2)利用陶瓷材质配合电路设计来制作感测组件，将陶瓷多孔的吸水特性结合电量传导率调整技术，以借由水分吸收量引发的物质的电量传导率变化，推算出感测组件所在环境的含水量。(3)将电解液的离子传导技术结合于感测组件，借由感测组件的水份吸收量来影响电解液的离子传导率变化，并借此变化推算出感测组件所在环境的含水量。(4)感测组件结合热传导技术，借由水吸收热量的特性，借由水分吸收量引发的物质热传导率变化，推算出感测组件所在环境的含水量。

然而，表面配置化学物质的感测组件，其是将两个电性极片结合化学物质，再将电性极片与化学物质结合于绝缘基板的电路，令其结合一体，工序复杂度相当的高。相同的，电解液技术的感测组件亦需配置适当的电解液以结合感测组件，同时需分析电解液的离子传导率，此类感测组件的制作复杂度皆不低，成本亦不菲。其次，组件表面配置化学物质的接触式含水量传感器，其需以接触方式感测目标物含水量，如土地含水量、粉状物含水量，然而此等化学物质会因长时间接触目标物，而引发不必要的化学反应，导致化学物质劣化(化学物质变质、脆化、粉化...等)的情形产生。相同的，陶瓷材质的感测组件于长期接触目标物，乃全天候感测目标物含水量，因此组件的陶瓷部位也容易有劣化情形发生，如脆化或粉化，导致组件寿命的降低，且组件在感测含水量时其稳定性亦不足。其三，接触式传感器常应用于感测土壤含水量，而组件寿命的低下与组件的劣化，导致此类接触式传感器难以应用于长期感测土壤含水量的感测作业，而且一但组件劣化情形发生，感测到的含水量数据必为异常不可用，故无法精确的量测土壤水分含量。其四，如土壤这类的目标物，其内含液体的成份较为复杂，然此类液体亦含有水份，但现今的含水量传感器多会排除此等非纯水类的成份，所量测出的含水量亦有待商确。

由此可见，上述现有的接触式物体含水量感测装置及感测方法在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何提供不易劣化，且能以接触方式长期监测目标物水分含量或含水量的含水量传感器，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种适用于接触感测目标物的含水量的物体含水量感测装置及感测方法。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种接触式物体含水量感测装置，其包括：一感测单元，其包括一基板与一铜箔，该铜箔配置于该基板上，该感测单元用以接触一目标物，该铜箔受电而形成一等效电容；一电力单元，用以电性连接该感测单元并供电予该铜箔；以及一运算单元，电性连接该感测单元，用以分析该等效电容的电容值，以计算出该目标物的含水量。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的接触式物体含水量感测装置，其还包括一存储单元，该存储单元储存多个频率数据与其对应的多个含水量数据，该运算单元分析该等效电容的充放电信号，将该充放电信号转换成一脉冲信号，再将该脉冲信号转换成一频率信号，再利用该频率信号对比该等频率数据，依据该等含水量数据以计算出该目标物的含水量。

前述的接触式物体含水量感测装置，其中所述的感测单元更配置有一保护层，该保护层配置于该铜箔表面。

前述的接触式物体含水量感测装置，其还包括一存储单元，电性连接该感测单元，其记录一电容边界数据，该运算单元在该电容值符合该电容边界数据时，计算出该目标物的含水量。

前述的接触式物体含水量感测装置，其还包括一提示单元和一存储单元，分别电性连接该感测单元，该存储单元储存有多个提示条件，当该运算单元判定该目标物的含水量符合该等提示条件中的一目标提示条件时，以利用该提示单元输出对应该目标提示条件的一提示信号。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种接触式物体含水量感测方法，其包含以下步骤：经由一感测单元接触一目标物，该感测单元配置有一铜箔；经由一电力单元供电予该铜箔，该铜箔受电而形成一等效电容；以及经由一运算单元分析该等效电容的电容值，以计算出该目标物的含水量。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的接触式物体含水量感测方法，其中由一运算单元分析该等效电容的电容值，以计算出该目标物的含水量的该步骤包括：将该等效电容的充放电信号转换成一脉冲信号；将该脉冲信号转换成一频率信号；对比该频率信号与多个频率数据，每一频率数据对应一含水量数据；以及依据对比结果以从该等含水量数据找出该频率信号对应的含水量数据，以计算出该目标物的含水量。

前述的接触式物体含水量感测方法，其中由一运算单元分析该等效电容的电容值，以计算该目标物的含水量的该步骤还包括：纪录一电容边界数据；以及判断该电容值是否符合该电容边界数据，以决定是否计算该目标物的含水量。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明接触式物体含水量感测装置及感测方法至少具有下列优点及有益效果本发明采用铜箔，作为感测单元的构件之一，铜箔材料会因为所接触的物体、环境的含水量不同，产生较为明显示物理量变化，如阻抗与本发明所提及的电容值，而且此物理量变化是具有特定的规律性，故铜箔材料将有助于提升物体含水量的量测准确度。其次，铜箔的金属特质，将使铜箔本身不会产生如陶瓷材料与高分子材料般的易劣化情形，除了有助于提升物体含水量的量测准确度外，更可延长感测组件的使用寿命，大幅提升感测装置的适用性。其三，借由铜箔的电容值变化特性，即使感测组件应用于感测如土壤这类成份复杂的目标物，亦能测得非纯水类液体的含水量，故量测出的含水量较为精确。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1绘示本发明实施例的接触式物体含水量感测装置架构示意图。

图2绘示本发明实施例的信号变化示意图。

图3绘示本发明实施例的铜箔面积与电容值对照表的示意图的一例。

图4绘示本发明接触式物体含水量感测装置的一实施例示意图。

图5绘示本发明接触式物体含水量感测装置的另一实施例示意图。

图6绘示本发明实施例的接触式物体含水量感测方法的流程示意图。

图7绘示本发明实施例的分析等效电容的充放电信号以计算目标物含水量的细部流程示意图。

图8绘示本发明实施例的依据电容边界数据判断是否启动计算目标物含水量的细部流程示意图。

10：感测单元           11：基板

12：铜箔               13：保护层

21：运算单元           211：锯齿波转脉沖模块

212：脉沖转频率模块    213：频率转含水量模块

22：电力单元           23：存储单元

24：提示单元           31：频率数据

32：含水量数据         331：铜箔截面积数据

332：电容边界数据      34：提示条件

40：充放电信号         41：锯齿波

42：脉冲信号           43：高频信号

44：低频信号           51：花盆

52：工厂               60：铜箔面积与电容值对照表

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的接触式物体含水量感测装置及感测方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

首先请参阅图1绘示本发明实施例的接触式物体含水量感测装置架构示意图，装置主要包括一感测单元10、一运算单元21与一电力单元22。

感测单元10配置有一基板11与一铜箔12，铜箔12配置于基板11上，以下实施例以方形的铜箔12进行说明，但不以方形为限，其它如圆形、三角形、多角形等其它形状的铜箔12亦适用。感测单元10用以接触一目标物(未绘示)，此目标物如土壤、墙壁、电器设备或是其它可被接触的物体皆适用。在本发明一些实施例中，感测单元10更可配置有一保护层13，保护层13配置于铜箔12表面，其中，保护层13为一层胶膜或化学薄膜，用以防止铜箔氧化，避免铜箔因氧化而影响到侦测准确性。

运算单元21与电力单元22分别连接感测单元10。电力单元22用以供电予铜箔12，铜箔12受电且邻接目标物时，会形成一等效电容，以进行一充放电动作，依据该目标物的含水量的不同，等效电容具有的电容值亦有差异。其中，电力单元22的供电动作可受运算单元21的控管，或是独立运作，根据设计人员的需求而进行设计。

在一些实施例中，运算单元21用以分析上述等效电容的电容值，以计算出目标物的含水量。运算单元21对目标物含水量的分析，请同时参阅图2，其绘示本发明实施例的信号变化示意图。在此实施例中，铜箔12接受电力单元22的供电，会产生一电容，而依据目标物的含水量不同时，其电容值亦有所不同，也就是说目标物含水量的多少会影响到电容值，电容值不同，会影响充放电时间常数，因此其对应的充放电信号也会有所不同。充放电信号为一时间累积的信号，波形为锯齿波，其频率会依据电容值不同而对应改变，因此即可依据频率决来计算出含水量。

在另一些实施例中，感测装置更可包括一存储单元23(如图1所示)，此存储单元23储存有多个频率数据31与其对应的多个含水量数据32。当运算单元21会通过感测单元10分析出前述等效电容的电容值。

在另一些实施例中，更进一步时，运算单元21可分析等效电容的充放电信号40，将该充放电信号转换成一脉冲信号，再将该脉冲信号转换成一频率信号，再利用该频率信号对比该等频率数据，依据该等含水量数据以计算出该目标物的含水量。运算单元21的细部结构如图2绘示，运算单元21包括三个信号转换模块，一为锯齿波转脉沖模块211、一为脉沖转频率模块212、一为频率转含水量模块213。充放电信号40转换成时序图时，会呈现一锯齿波41。锯齿波转脉沖模块211会将充放电信号40进行信号滤整，以将锯齿波41转换为脉冲信号42。接着，脉沖转频率模块212会依据上述的脉冲信号42，计算出充放电信号40的频率，以将上述的脉沖转换成对应的频率信号。然而，依据脉冲信号42的信号内容的不同，可转换出的频率信号亦有差异，如图2呈现的高频信号43与低频信号44。之后，频率转含水量模块213会利用频率信号对比上述的频率数据31，找出频率信号对应的含水量数据32，以计算出目标物的含水量。

然而，频率转换对应含水量的运算数据亦得以预先储存于运算单元21中，或设计于运算单元21所执行的程序中，并不以上述预储含水量数据32与频率数据31为限。

在另一些实施例中，更进一步时，存储单元23更储存有一铜箔截面积数据331与对应的一电容边界数据332(请参阅图1)。运算单元21会先取得铜箔12的面积，此面积是预储于存储单元23中，或是使用者通过一运算单元21的接口输入以供运算单元21使用。接着，运算单元21可依据电容边界数据332，当分析出前述等效电容的电容值符合电容边界数据332时，开始对目标物进行含水量的计算。

在另一些实施例中，更进一步时，可依据铜箔12的面积来计算出电容值。请同时参阅图3绘示本发明实施例的铜箔面积与电容值对照表的示意图的一例。前述铜箔12形成的等效电容，其电容值可通过下列公式1取得：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d}$ (公式1)

其中，C＝电容值，ε₀＝目标物的内含液体的介电常数，A＝铜箔12的表面积(上表面积或下表面积，上表面积＝下表面积，亦为等效电容的截面积)，d＝铜箔12高度(即电容间距)。

在此目标物以土壤为例，土壤内含的常见成份及其介电常数包括H₂O(水，78.5)、HCOOH(甲酸，58.5)、HCON(CH₃)2(N，N-二甲基甲酰胺，36.7)、CH₃OH(甲醇，32.7)、C₂H₅OH(乙醇，24.5)、CH₃COOH₃(丙酮，20.7)、n-C₆H₁₃OH(正己醇，13.3)、CH₃COOH(乙酸或醋酸，6.15)、C₆H₆(苯，2.28)、CCl₄(四氯化碳，2.24)、n-C₆H₁₄(正己烷，1.88)。

此等介电常数结合铜箔12面积导入公式1后，可得图3绘示的铜箔面积与电容值对照表60。从公式1得知，当铜箔12表面积加大(即加大等效电容的截面积)时，等效电容的电容值将提升。因此，可进一步分析出土壤中不同的酸碱液体、溶剂与空气的差异。借此预先设定前述中，关系相对应的铜箔截面积数据331与电容边界数据332。比方说，在铜箔12表面积为5平方厘米时，电容边界数据332可设为20uF，运算单元21即可分析出感测单元10所接触到的目标物是否为液体，或是否接触到空气。在铜箔12表面积为5平方厘米时，电容边界数据332可设为360uF，运算单元21即可分析出感测单元10所接触到的目标物是否为水，或是否为酸碱性溶液，借此排除因目标物的内含溶剂的酸碱度不同而影响量测含水量的准确度的问题。

此外，电力单元22可为一电池或一太阳能电力转换单元，更进一步者，电池可为充电电池并与太阳能电力转换单元同时受一充电控制单元所控制。充电控制单元在充电电池的电力耗尽时，利用太阳能电力转换单元对充电电池进行充电。而且，充电控制单元可在充电期间，同时转送电力与整个装置。然而，此等电力供给技术为相关技术领域的具通常知识者所熟知，在此不赘述。

再请参阅图1，感测装置还包括一提示单元24，而存储单元23储存有多个提示条件34。当运算单元21判定目标物的含水量符合所有提示条件34中的一目标提示条件34时，以利用提示单元24输出对应目标提示条件34的一提示信号。举例而言，当感测单元10配置于土壤时，当运算单元21判定土壤的含水量过高时，利用提示单元24发送含水量过高的提示信号。当运算单元21判定土壤的含水量过低时，利用提示单元24发送含水量过低的提示信号。当运算单元21判定土壤的含水量为适中时，利用提示单元24发送含水量适当的提示信号，亦或是不动作。此提示单元24可为发光单元，如发光二极管，以不同颜色的光或是不同亮度的光来区分不同的提示信号。亦或，提示单元24可为发声单元，如蜂鸣器，以不同长短声或是不同音量的声音来区分不同的提示信号。亦或，提示单元24可为显示单元，以文字或图形来区分不同的提示信号。更甚者，提示单元24可为上述中任两种以上类型的组合。而且，提示单元24可另行配置，不限制配置在感测装置中。

请依序参阅图4绘示本发明接触式物体含水量感测装置的一实施例，感测单元10配置于花盆51的土壤中，提示单元24电性连接运算单元21。运算单元21通过感测单元10感知花盆51的土壤含水量，以通过提示单元24告知使用者土壤含水量的高、低、适中。此配置模式亦适用于需使用液态物质或溶剂的电子设备，如电冷箱或洗衣机。使用者可将感测单元10配置于电子设备中，运算单元21通过感测单元10感知电子设备内的含水量，以借由提示单元24提供相关的提示信号。

请依序参阅图5绘示本发明接触式物体含水量感测装置的另一实施例，上述的感测装置可应用于工厂52中，使用者可将多个感测单元10配置于工厂52内，需高度警戒是否漏水、渗水的设备、工作产线、管路...等重要区域。运算单元21通过感测单元10感知任一处的含水量异常时，即能借由提示单元24告知管理人员。

请参阅图6绘示本发明实施例的接触式物体含水量感测方法的流程示意图、图7与图8绘示本发明实施例的接触式物体含水量感测方法的细部流程示意图，请同时参阅图1至图3以利于了解。此方法说明如下：

将一感测单元10接触一目标物，感测单元10配置有一铜箔12(步骤S110)。如图1，感测单元10包含一基板11，其上配置有铜箔12，一保护层13可被配置于铜箔12表面。

经由一电力单元22供电予铜箔12，铜箔12受电形成一等效电容(步骤S120)。铜箔12受电且邻接目标物时会形成一等效电容，以进行一充放电动作。

经由一运算单元21分析等效电容的电容值，以计算出目标物的含水量(步骤S130)。

步骤S130中更进一步时，更可细分以下步骤，如图7所示：

将等效电容的充放电信号40转换成一脉冲信号42(步骤S131)。运算单元21会通过铜箔12测得等效电容的充放电信号40，充放电信号40转换成时序图时，会呈现一锯齿波。锯齿波转脉沖模块211会将充放电信号40进行信号滤整，以将锯齿波转换为脉冲信号42。

将脉冲信号42转换成一频率信号(步骤S132)。脉沖转频率模块212会计算出充放电信号40的频率，以将脉沖转换成对应的频率信号，依据脉冲信号42的信号内容的不同，可转换出的频率信号亦有差异。

频率转含水量模块213会对比频率信号与多个频率数据31，每一频率数据31对应一含水量数据32(步骤S133)。的后，频率转含水量模块213会依据对比结果，从所有含水量数据32找出频率信号对应的含水量数据32，以计算出目标物的含水量(步骤S134)。然而，频率数据31与对应的含水量数据32可被预先储存于运算单元21中，或设计于运算单元21所执行的程序中。

如图6、图8与图1，在步骤S130执行前，运算单元21可预先执行下列流程：

记录一电容边界数据332(步骤S124)。如前述，存储单元23储存有铜箔截面积数据331与电容边界数据332。

之后，运算单元21判断电容值是否符合电容边界数据332(步骤S126)。当判断电容值符合该电容边界数据332时，运算单元21是执行步骤S130以计算目标物的含水量。反之，则不动作，且返回步骤S120，以重复步骤S120至步骤S126，直至电容值符合电容边界数据332为止。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种接触式物体含水量感测装置，其特征在于其包括：

一感测单元，其包括一基板与一铜箔，该铜箔配置于该基板上，该感测单元用以接触一目标物，该铜箔受电而形成一等效电容；

一电力单元，用以电性连接该感测单元并供电予该铜箔；以及

一运算单元，电性连接该感测单元，用以分析该等效电容的电容值，以计算出该目标物的含水量。

2.根据权利要求1所述的接触式物体含水量感测装置，其特征在于其还包括一存储单元，该存储单元储存多个频率数据与其对应的多个含水量数据，该运算单元分析该等效电容的充放电信号，将该充放电信号转换成一脉冲信号，再将该脉冲信号转换成一频率信号，再利用该频率信号对比该等频率数据，依据该等含水量数据以计算出该目标物的含水量。

3.根据权利要求1所述的接触式物体含水量感测装置，其特征在于其中所述的感测单元更配置有一保护层，该保护层配置于该铜箔表面。

4.根据权利要求1所述的接触式物体含水量感测装置，其特征在于其还包括一存储单元，电性连接该感测单元，其记录一电容边界数据，该运算单元在该电容值符合该电容边界数据时，计算出该目标物的含水量。

5.根据权利要求1所述的接触式物体含水量感测装置，其特征在于其还包括一提示单元和一存储单元，分别电性连接该感测单元，该存储单元储存有多个提示条件，当该运算单元判定该目标物的含水量符合该等提示条件中的一目标提示条件时，以利用该提示单元输出对应该目标提示条件的一提示信号。

6.一种接触式物体含水量感测方法，其特征在于其包含以下步骤：

经由一感测单元接触一目标物，该感测单元配置有一铜箔；

经由一电力单元供电予该铜箔，该铜箔受电而形成一等效电容；以及

经由一运算单元分析该等效电容的电容值，以计算出该目标物的含水量。

7.根据权利要求6所述的接触式物体含水量感测方法，其特征在于其中由一运算单元分析该等效电容的电容值，以计算出该目标物的含水量的该步骤包括：

将该等效电容的充放电信号转换成一脉冲信号；

将该脉冲信号转换成一频率信号；

对比该频率信号与多个频率数据，每一频率数据对应一含水量数据；以及

依据对比结果以从该等含水量数据找出该频率信号对应的含水量数据，以计算出该目标物的含水量。

8.根据权利要求6所述的接触式物体含水量感测方法，其特征在于其中由一运算单元分析该等效电容的电容值，以计算该目标物的含水量的该步骤还包括：

纪录一电容边界数据；以及

判断该电容值是否符合该电容边界数据，以决定是否计算该目标物的含水量。

9.根据权利要求6所述的接触式物体含水量感测方法，其特征在于还包含以下步骤：

经由一存储单元储存有多个提示条件；以及

当该运算单元判定该目标物的含水量符合该等提示条件中的一目标提示条件时，经由一提示单元输出对应该目标提示条件的一提示信号。

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