CN104977328A - 具有共面电极的农业湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有驱动电极和分开的感测电极的湿度传感器。这两个电极都具有面对被感测材料的表面并且这些表面是共面的。驱动电极接收激励信号并且生成在感测电极中产生电流的电场。所述电流指示被感测材料中的湿度。

Description

具有共面电极的农业湿度传感器
技术领域
本发明涉及一种湿度传感器。更具体地，本发明涉及一种农业机械上的用于感测农产品的湿度的湿度传感器。
背景技术
湿度传感器被用在农收设备中，从而获得收获的产品的湿度的测量结果。一些当前的湿度传感器通过如下的方式来感测湿度：以一个或多个频率测量收获的产品的介电常数，然后应用校准功能以从测得的介电常数估算湿度。一些此种湿度传感器使用电容结构，其中，在此结构中，收获的材料形成该电容结构中的电介质。
存在各种不同类型的湿度传感器，这些传感器具有不同的几何结构。一种几何结构包含形成为平行板结构的电容结构，在该平行板结构中，正在被测量的材料从电容结构的板之间通过并且形成为电介质。两个板中的一个板被激励电压驱动，并且另一板感测由穿过电容结构的电场感生的电流。此类型的结构对于诸如谷物等的多种材料而言都工作良好。
一些湿度传感器也是平面结构。该平面结构具有被施加激励电压的驱动电极，并且通过该驱动电极的电流也被测量。驱动电极建立边缘电场(fringing electric field)，该边缘电场从该驱动电极开始穿过正被测量的材料，然后返回到处于相同平面中的各个接地的导电表面。该驱动电压以及因此而产生的电流被测量并且被用于计算被测量材料的介电常数。这些类型的传感器对于不容易流过平行板结构的软质的、可压缩材料(诸如，干草、棉花和草料)而言能够更好地工作。
如上的讨论仅仅提供背景信息并且不意图用于辅助确定请求保护的发明主题的范围。
发明内容
一种湿度传感器，具有驱动电极和分开的感测电极。这两个电极都具有面对被感测材料的表面并且这些表面是共面的。驱动电极接收激励信号并且生成在感测电极中产生电流的电场。所述电流指示被感测材料中的湿度。
根据本发明的一个方面，提供了一种湿度传感器。所述湿度传感器包括：驱动部件，所述驱动部件产生驱动信号；驱动电极，所述驱动电极被耦合到所述驱动部件并且具有面对被感测材料的表面，当驱动电极被驱动信号驱动时，驱动电极生成电场；感测电极，所述感测电极具有面对被感测材料的表面，驱动电极和感测电极在结构上彼此耦合，从而驱动电极的面对被感测材料的表面与感测电极的面对被感测材料的表面大致共面；以及感测部件，所述感测部件被耦合到所述感测电极并且产生感测信号，该感测信号指示由驱动电极生成并且到达感测电极的所述电场在感测电极中产生的电流。
根据一个示例性实施例，所述湿度传感器还包括保护电极，所述保护电极被设置在感测电极周围以使得除通过面对被感测材料的表面之外禁止所述电场到达感测电极。
根据另一示例性实施例，保护电极和感测电极被保持在基准电压电势。
根据另一示例性实施例，保护电极被设置成在感测电极周围形成保护体，并且限定开口以暴露所述面对被感测材料的表面。
根据另一示例性实施例，保护电极被设置在感测电极的除所述面对被感测材料的表面之外的基本所有表面的周围。
根据另一示例性实施例，湿度传感器还包括设置在感测电极和保护电极之间的绝缘体。
根据另一示例性实施例，湿度传感器还包括设置在驱动电极和保护电极之间的绝缘体。
根据另一示例性实施例，感测部件包括电流感测放大器，所述电流感测放大器具有被保持在所述基准电压电势的输入端，并且在该输入端接收在感测电极中产生的电流。
根据另一示例性实施例，驱动部件包括交流(AC)部件，所述交流部件生成所述驱动信号作为交流激励信号。
根据另一示例性实施例，湿度传感器还包括计算机处理器，所述计算机处理器测量所述交流激励信号和所述感测信号，并且基于所述交流激励信号和所述感测信号确定驱动电极的面对被感测材料的表面和感测电极的面对被感测材料的表面附近的材料的湿度水平。
根据本发明的另一个方面，提供了一种运输农业材料的农业机械。所述农业机械包括：材料运输机构，所述材料运输机构限定农业材料所通过的材料区域；以及感测探针，所述感测探针包括驱动电极和感测电极，所述驱动电极具有面对着材料运输机构的材料区域的面对材料的表面，并且所述感测电极具有与驱动电极的所述面对材料的表面共面的面对材料的表面，驱动电极接收驱动信号并且生成电场，所述电场在感测电极中产生电流，所述感测探针相对于材料运输机构安装以基于在感测电极中产生的所述电流生成湿度感测信号，该湿度感测信号指示穿过材料运输机构的材料区域的农业材料中的湿度。
根据一个示例性实施例，感测探针还包括保护电极，所述保护电极被设置在感测电极周围以使得除通过所述材料区域之外禁止所述电场到达感测电极。
根据另一示例性实施例，保持电极和感测电极被保持在基准电压电势。
根据另一示例性实施例，所述农业机械还包括绝缘体，所述绝缘体使驱动电极、感测电极以及保护电极彼此分离。
根据另一示例性实施例，材料运输机构包括打包机的打包室。
根据另一示例性实施例，感测探针被安装到打包室的侧壁，从而驱动电极的面对材料的表面和感测电极的面对材料的表面面对打包室的内部。
根据另一示例性实施例，材料运输机构包括联合收割机的谷物运输机构。
根据另一示例性实施例，材料运输机构包括联合收割机的残料排出部。
根据本发明的又一个方面，提供了一种湿度感测探针。该湿度感测探针包括：驱动电极，所述驱动电极被构造成接收激励信号并且基于该激励信号生成电场，所述驱动电极包括面对被感测材料的电极表面；感测电极，所述感测电极具有与驱动电极的面对被感测材料的表面共面的面对被感测材料的表面，并且所述感测电极相对于驱动电极设置，使得所述电场在感测电极中产生电流；以及保护电极，所述保护电极设置在感测电极周围以基本防止电场通过除感测电极的面对被感测材料的表面之外的表面流过所述感测电极。
根据一个示例性实施例，保持电极和感测电极被保持在基准电压电势。
根据另一示例性实施例，保护电极被设置在感测电极的除面对被感测材料的表面之外的基本所有表面周围。
根据另一示例性实施例，湿度感测探针还包括使感测电极与驱动电极分离的绝缘体。
根据另一示例性实施例，湿度感测探针还包括使感测电极与保护电极分离的绝缘体。
该发明内容以简化的形式介绍概念的选择，并且在具体实施方式中将进一步说明该概念的选择。该发明内容不试图确定所要求保护主题的关键特征或必要特征，并且也不试图被用于帮助确定要求保护主题的范围。要求保护的主题不限于解决在背景技术中提及的任何或所有缺点的实施例。
附图说明
图1是农业机械上的湿度测量系统的一个实施例的方块图。
图2是图1所示的湿度测量系统的一部分的局部示意剖视图。
图2A是图1所示的湿度测量系统的另一实施例的一部分的局部示意剖视图。
图3是湿度感测探针的一个实施例的透视图。
图4是湿度感测探针的第二实施例的透视图。
具体实施方式
如在背景技术部分中所述的那样，一些湿度传感器具有平面结构。在此结构中，电极是共面的，并且被感测材料被设置为与被感测的材料接触。该驱动电极接收激励信号并且建立穿过被感测的材料的边缘电场。该边缘电场返回到电极所在平面中的各个接地的导电表面。该复合驱动电压和因此而产生的复合电流被测量并且被用于计算正被测量的材料的介电常数。
因此，在此种共面结构中，通过驱动电极的电流被测量。然而，该电流的重要部分产生自电场通量线，这些电场通量线通过不同于正被测量的材料的其他介质接地。例如，一些电场通量线可以通过空气、通过该结构上的绝缘部件，以及通过其他物件接地。
该电流已知为寄生电流并且由寄生电容和导电效应产生。该寄生电流占据被测量的电流的大部分(大概达被测量电流75％之多)，这将导致被测量电流的信噪比很差。
另外，寄生电流受除正被测量的材料之外的各种材料的特性尤其是温度和湿度的影响。一些湿度传感器试图在校准程序中对寄生电流进行修正。然而，随着温度和其他条件发生变化，很难维持适当的修正。这导致了介电常数测量中出现明显的偏差。
图1示出了农业机械102上的湿度测量系统100的一个实施例的方块图。农业机械102可以是各种不同类型的机械，诸如联合收割机、打包机、棉花收获机或各种其他的农业机械。农业机械102例如与被感测的材料104接触，并且具有将材料104传送穿过机械102的传送机构。作为一个示例，被感测的材料104可以是正在被农业机械102收获的材料。在农业机械102是联合收割机的实施例中，被感测的材料104可以是谷物。当农业机械102是打包机时，被感测的材料104可以是干草，棉花或其他被打包的材料。这些仅仅是示例而已。
湿度测量系统100例如包括处理器106、驱动部件108、共面的湿度感测探针110、感测部件112，并且该湿度测量系统100也可包括其他部件114。处理器106例如是具有相关联的存储器和定时电路(未单独示出)的计算机处理器。该处理器106控制驱动部件108以驱动共面的湿度感测探针110中的电极。感测部件112例如感测共面的湿度感测探针110中的多个电极中的一个电极的参数(诸如电流)并且向处理器106提供信号。处理器106计算指示被感测的材料104的湿度的湿度值。计算所得的湿度由图1中的方块116表示。
计算得到的湿度116能够被以各种不同的方式使用。例如，该计算得到的湿度可以与位置信号组合从而产生湿度地图(moisture map)。该计算得到的湿度还可以在产量监测应用中使用并且提供信息以辅助做出关于收割、储存和其他处理的决定。它还能够以各种其他方式使用。
图2是共面的湿度感测探针110、驱动部件108和感测部件112的一个实施例的局部的、示意性的剖视图。在图2所示的实施例中，探针110包括驱动电极120和感测电极122。应当理解，能够使用多个不同的电极，仅仅为了举例的目的，在图2的实施例中示出了两个电极。
驱动电极120具有面对材料的表面124，面对材料的表面124与感测电极122的面对材料的表面126大致共面。这些表面被描绘成共面的，从而正在被测量的材料104能够与电极120和122的共面的表面接触，或者至少非常接近这些表面。电极120和122中的每一个电极被示出为分别具有包围它们的绝缘体128和130。因此，电极120和122具有分别包围它们的除面对材料的表面124和126以外的所有表面的绝缘体128和130。
探针110也示意性地包括接地电极132。接地电极132至少包围感测电极122(以及该感测电极122的绝缘体130)。接地电极132也可以包围电极120和122以及绝缘体128和130。然而，接地电极132仍暴露电极120和122的面对材料的表面124和126。
在图2所示的实施例中，探针110被耦合到结构化的机械壳体134。该壳体134可以是联合收割机、打包机或其他农业机械102的壳体。例如，在农业机械102是联合收割机的情况下，探针110可以被安装到联合收割机上的干净谷物升运器的谷物旁通通道上的壳体134。另外，该探针110可以被安装在干净谷物升运器的底部防护区域(bottom boot area)上。此外，在传感器感测其他生物材料(例如除谷物之外的其他材料)的湿度的情况下，探针10可以被安装到联合收割机上的转子的后部或者被安装到邻近联合收割机的排出物切碎器的残料罩(residue hood)上。另外，在农业机械102是打包机或棉花收获机的情况下，该探针100可以被安装在打包室或收获机的内侧壁上，或者安装在其他位置。以上这些仅仅是举例，机械壳体134也可以是农业机械的其他结构部分。
驱动部件108示意性地包括可控的振荡器136。振荡器136可以被处理器106控制以向可操作的放大器138提供交流(AC)驱动信号，放大器138在其自己的输出端提供交流(AC)驱动电压VD。电压VD被供给到驱动电极120以作为激励信号。
感测部件112示意性地包括零输入阻抗电流感测放大器140，该放大器140被连接到由电阻器142和电容器144形成的RC电路。感测部件112被耦合到感测电极122以在其输入端接收感测电流Is。该感测部件112在其输出端提供信号146，该信号146指示感测电流Is。
当驱动电压VD被施加到驱动电极120时，电极120例如产生由电场通量线146表示的边缘电场。驱动电压VD能够以一个或多个频率提供以产生由通量线146表示的电场。由电极120产生的电场穿过被感测材料104。该电场与电极120和122的面对材料的表面124和126所在的平面中的所有周围的接地表面连接。
感测电极126示意性地保持在地电势(ground potential)。在感测电极122中因电场穿过感测电极122而感生的电流被称为感测电流Is。
保护电极132也被保持在地电势并且防止穿过绝缘体128和130或者通过除穿过材料104的路径之外的其他路径的电场的任意部分到达感测电极122。相反地，由穿过绝缘材料或穿过除感测材料104之外的其他路径的通量线而产生的寄生电流IP通过保护电极132而被短路至接地。寄生电流不到达感测电极122。因此，保护电极132防止或阻止不单独地穿过被感测材料104的通量路径。它们因此不对感测电流Is做出贡献。
相反地，在感测电极122(而不是驱动电极120)中被感测的感测电流Is仅仅由穿过正被测量材料104并且到达感测电极122的通量路径感生。感测电流Is因此不受通过绝缘体或者直接接地的寄生通量路径的影响。所有的通量都与接地的保护电极132连接，因此这些通量不影响感测电流Is。
探针110因此被构造成只测量被感测材料104的介电常数，并且对探针结构的特性(包括但不限于：包围电极120和122的绝缘体128和130的特性)不敏感。通过对感测电极122(而不是驱动电极120)中的电流进行感测，驱动电极120与地面之间的寄生电容和电导耦合被从感测电流Is中基本消除。通过将保护电极132和感测电极122维持在地电势，对感测电极122和周围的接地结构之间的寄生电容和电导的敏感性也被基本消除。
应当注意，也可以提供用于感测探针110的其他构造。例如，如果驱动电极120和感测电极122被进一步地分开(例如，在由箭头150所示的方向上)或者它们被移动得更加靠近，这可能影响感测电流Is的信号水平。这是因为两个电极120和122之间的间距将影响通量线146进入感测材料104的穿透深度。将上述两者移动得更远将允许通量线146在由箭头152所示的方向上更加深入地穿透到被感测材料104中。将上述两者移动得更加靠近将导致通量线146穿透得更浅。
图2A示出了共面的湿度感测探针110的另一示例性构造。图2A所示的实施例在一些方面与图2所示的实施例类似，并且类似的项具有类似的附图标记。然而，可以看出，在图2A所示的实施例中，探针110不仅包括驱动电极120和感测电极122，还包括第二感测电极156。
感测电极156也包括设置在其周围的绝缘体158。与绝缘体128和130类似，该绝缘体158被设置在电极156的除面对材料的表面160之外的所有表面周围，该面对材料的表面160自身与电极120和122的面对材料的表面124和126共面。另外，可以看出接地保护电极132同样围绕感测电极156(和绝缘体158)的除表面160之外的所有表面延伸。
因此，虽然图2A的实施例的操作与图2的实施例的操作类似，但图2A的实施例包括额外的感测电极156。保护电极132阻止通量线146(除穿过被感测材料之外的通量线)到达感测电极156。因此，由到达感测电极122和156的通量线146感生的电流将被体现在感测电流Is中。
应当注意，也可以使用其他构造。例如，多个驱动电极可以与单个感测电极一起使用，或者可以具有多个驱动电极和多个感测电极。所有的这些构造在本发明的预期之内。
图3是图2A所示的感测探针110的一个实施例的立体图。与图2A中示出的项类似的项在图3中具有类似的附图标记。在图3所示的实施例中，探针110具有一套安装结构162和164，安装结构162和164可以用于将探针110安装到机械壳体134。在一个实施例中，电极120、122和156的表面124、126和160分别被安装成与机械壳体134平齐。然而，在另一实施例中，这些表面可以在被测量材料的方向上从机械壳体134突出，或者它们可以在相反的方向上后移。所有这些实施例都在本发明的预期范围内。
另外，在一个实施例中，被接地的保护电极132具有通孔。这些通孔容纳用于将包括驱动部件108和感测部件112的电路板连接到相应的电极120、122和156的电连接元件。当然，感测探针110中的连接件的具体构造可以根据应用而变化。例如，在探针110被安装在谷物升运器、干净的谷物箱中、打包机的打包室中、或者联合收割机或其他的收获机的管口上的情况下，用于将探针110连接到机械壳体134的连接件可以改变。此外，基于被收获的材料的具体特性改变构造。当收获的材料是干草、棉花或其他相对较软的材料时，其可以采用一种构造(例如与机械壳体134平齐)。当收获的材料是谷物或其他粒状材料时，其可以采用另一种构造，例如从机械壳体134稍微地突出。当然，给出这些构造的目的仅仅是举例，并且安装构造也可以以其他方式加以改变。
图4示出了感测探针110的另一实施例的另一立体图。可以看出，图4所示的探针110包括四个电极170、172、174和176。在图4中可以看出，各个电极都具有面对材料的表面。所有的面对材料的表面都是共面的。各个电极也分别被绝缘材料178、180、182和184包围。此外，接地电极132被设置在上述电极的除面对材料的表面之外的所有表面周围(并且也包围绝缘体)。在图4中示出的实施例中，电极中的一些电极可以是驱动电极，同时其他电极可以是感测电极。例如，电极172可以是驱动电极，而电极170、174和176是感测电极。在另一实施例中，电极176是填充感测电极。其可以在感测谷物时使用。探针被定向成使该探针位于竖直平面中，并且电极176比其他电极更高。在该定向中，当在电极176中感测到最小量电流之上的电流时，可以获知其他电极已被材料(诸如谷物)完全覆盖，并且可以进行有效的介电常数测量。当然，驱动电极和感测电极也可以不同。图4示出的电极的具体几何构造可以具有各种不同的形式。
因此可以看出，通过在感测探针110上提供共面的电极表面，复合的驱动电压和因此而产生的复合电流可以被测量并且被用于计算被测量材料104的介电常数。这继而能够用于生成材料104的湿度的测量值。形成探针结构的一部分的接地保护电极132被相对于感测电极定位，以屏蔽感测电极使之基本上不受除基本上只穿过被感测材料104所在的空间之外的所有电场通量的影响。由驱动电极所产生的并且穿过绝缘材料或者其他物件的通量与接地保护电极连接并且不被感测到。通过采用这种构造，探针只测量被感测材料104的介电常数并且对探针结构(例如围绕电极的绝缘体)的特性相对不敏感。此外，通过对感测电极而非驱动电极中的感测电流进行感测，驱动电极和地面之间的寄生电容和电导耦合被从感测电流中基本消除。由于感测电极被保持在地电势，因此对感测电极和周围的接地结构之间的寄生电容和电导的敏感性也被基本消除。
应当注意本文说明的不同实施例可以以不同的方式被组合。也就是，一个或多个实施例的多个部分可以与一个或多个其他实施例的多个部分组合。这些所有的组合都被考虑在本文中。
虽然已经以结构特征和/或方法行为所专用的语言描述了主题，但是应当理解在所附权利要求中所限定的主题没有必要限定于上述的特定特征或行为。相反地，上述的特定特征或行为被描述为执行权利要求的示例形式。

Claims (23)

1.一种湿度传感器，包括：
驱动部件，所述驱动部件产生驱动信号；
驱动电极，所述驱动电极被耦合到所述驱动部件并且具有面对被感测材料的表面，当驱动电极被驱动信号驱动时，驱动电极生成电场；
感测电极，所述感测电极具有面对被感测材料的表面，驱动电极和感测电极在结构上彼此耦合，从而驱动电极的面对被感测材料的表面与感测电极的面对被感测材料的表面大致共面；以及
感测部件，所述感测部件被耦合到所述感测电极并且产生感测信号，该感测信号指示由驱动电极生成并且到达感测电极的所述电场在感测电极中产生的电流。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器，还包括：
保护电极，所述保护电极被设置在感测电极周围以使得除通过面对被感测材料的表面之外禁止所述电场到达感测电极。
3.根据权利要求2所述的湿度传感器，其中，保护电极和感测电极被保持在基准电压电势。
4.根据权利要求3所述的湿度传感器，其中，保护电极被设置成在感测电极周围形成保护体，并且限定开口以暴露所述面对被感测材料的表面。
5.根据权利要求4所述的湿度传感器，其中，保护电极被设置在感测电极的除所述面对被感测材料的表面之外的基本所有表面的周围。
6.根据权利要求4所述的湿度传感器，还包括：
绝缘体，所述绝缘体被设置在感测电极和保护电极之间。
7.根据权利要求4所述的湿度传感器，还包括：
绝缘体，所述绝缘体被设置在驱动电极和保护电极之间。
8.根据权利要求3所述的湿度传感器，其中，感测部件包括：
电流感测放大器，所述电流感测放大器具有被保持在所述基准电压电势的输入端，并且在该输入端接收在感测电极中产生的电流。
9.根据权利要求8所述的湿度传感器，其中，驱动部件包括：
交流(AC)部件，所述交流部件生成所述驱动信号作为交流激励信号。
10.根据权利要求9所述的湿度传感器，还包括：
计算机处理器，所述计算机处理器测量所述交流激励信号和所述感测信号，并且基于所述交流激励信号和所述感测信号确定驱动电极的面对被感测材料的表面和感测电极的面对被感测材料的表面附近的材料的湿度水平。
11.一种运输农业材料的农业机械，包括：
材料运输机构，所述材料运输机构限定农业材料所通过的材料区域；以及
感测探针，所述感测探针包括驱动电极和感测电极，所述驱动电极具有面对着材料运输机构的材料区域的面对材料的表面，并且所述感测电极具有与驱动电极的所述面对材料的表面共面的面对材料的表面，驱动电极接收驱动信号并且生成电场，所述电场在感测电极中产生电流，所述感测探针相对于材料运输机构安装以基于在感测电极中产生的所述电流生成湿度感测信号，该湿度感测信号指示穿过材料运输机构的材料区域的农业材料中的湿度。
12.根据权利要求11所述的农业机械，其中，感测探针还包括：
保护电极，所述保护电极被设置在感测电极周围以使得除通过所述材料区域之外禁止所述电场到达感测电极。
13.根据权利要求12所述的农业机械，其中，保持电极和感测电极被保持在基准电压电势。
14.根据权利要求13所述的农业机械，还包括：
绝缘体，所述绝缘体使驱动电极、感测电极以及保护电极彼此分离。
15.根据权利要求13所述的农业机械，其中，材料运输机构包括打包机的打包室。
16.根据权利要求15所述的农业机械，其中，感测探针被安装到打包室的侧壁，从而驱动电极的面对材料的表面和感测电极的面对材料的表面面对打包室的内部。
17.根据权利要求13所述的农业机械，其中，材料运输机构包括：
联合收割机的谷物运输机构。
18.根据权利要求13所述的农业机械，其中，材料运输机构包括：
联合收割机的残料排出部。
19.一种湿度感测探针，包括：
驱动电极，所述驱动电极被构造成接收激励信号并且基于该激励信号生成电场，所述驱动电极包括面对被感测材料的电极表面；
感测电极，所述感测电极具有与驱动电极的面对被感测材料的表面共面的面对被感测材料的表面，并且所述感测电极相对于驱动电极设置，使得所述电场在感测电极中产生电流；以及
保护电极，所述保护电极设置在感测电极周围以基本防止电场通过除感测电极的面对被感测材料的表面之外的表面流过所述感测电极。
20.根据权利要求19所述的湿度感测探针，其中，保持电极和感测电极被保持在基准电压电势。
21.根据权利要求19所述的湿度感测探针，其中，保护电极被设置在感测电极的除面对被感测材料的表面之外的基本所有表面周围。
22.根据权利要求21所述的湿度感测探针，还包括：
绝缘体，所述绝缘体使感测电极与驱动电极分离。
23.根据权利要求21所述的湿度感测探针，还包括：
绝缘体，所述绝缘体使感测电极与保护电极分离。
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