CN106662542A - 基质势传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基质势传感器(100)。具体但不排他地，本发明可以涉及包含被布置成吸水的微型格基质部分(104)的传感器。基质势传感器(100)包括感测电子器件(120)，被布置成经由一个或多个感测元件(102)测量注入到基质中的信号的改变，其中基质包括基本上开孔的亲水性微型格基质(104)的至少一部分，该亲水性微型格基质被布置成从在使用中该亲水性微型格基质插入其中的介质吸收水分。

Description

基质势传感器

技术领域

本发明涉及基质势传感器。具体但非排他性地，本发明可以涉及含有布置为吸水的微型格基质部分的传感器。

背景技术

虽然土壤-水分含量测量的领域已经发展了数十年，但是基质势测量领域是较新的且试图测量介质吸水和保持水的能力。介质的基质势给出介质对水的吸引力的测量，其可以被认为是该介质保持水的能力。因此，知道介质的基质势给出在确定来自该介质的水的可获得性上的有用测量手段。

关于测量土壤含水量来描述该概念的背景是方便的，但是本发明具有更广泛的适用性，并且当与无土基底一起使用时尤为有利。例如，传感器可以用于基底和/或介质的任何非穷举列表：椰壳纤维、棉绒、矿棉、沙、岩棉、火山物质、植物生长介质、泥炭、堆肥、混凝土、建筑材料、药物材料等。此外，传感器还可以找到用于以下非穷举的应用列表中测量的应用：环境监测、灌溉监测、灌溉控制、作物产量优化、洪水控制、湿气测量、建筑物沉降、垃圾堆肥监测和制药工业中的药物制造。

诸如具有相对小孔的粘土的介质具有保持水的能力，其比具有相对大的孔的粗糙介质(诸如沙土)的保持水的能力高。知道处于特定含水量的介质的基质势可用于确定例如何时灌溉等且有助于避免过度灌溉，从而节约水。此外，测量基质势可以提供土壤水分的土壤类型独立评估，其能够可靠地用于避免不利于植物生长和导致作物产量下降的水分胁迫条件。

此类基质势测量系统最初使用充水张力计，这遭受许多问题，包括：操作复杂；测量范围有限；因为恒定水源而吸引附近植物的根部；不能在低于冰点条件下操作；需要脱气水。

诸如椰壳纤维的介质具有与粘土不同的性质。椰壳纤维由中空的天然纤维构成。此外，细纤维和粗纤维的混合物在纤维之间提供孔隙。

因此，流经椰壳纤维的水通常比通过许多其它生长介质更快。如果气泡不能容易地从传感器的感测元件周围区域逸出，则可导致气泡被捕获在传感器的感测元件周围，这可导致不准确的读数。

如在2013年7月22至25日Annual Conference of the American Society forHorticultural Science的海报262上发表的L.D.Rivera、L.Crawford、M.van Iersel和S.K.Dove所著的“Comparison Hydraulic Properties of Soil-less Substrates withNatural Soils：A More Details of Look at Hydraulic Properties and Their Impacton Plant Water Availability”中所描述的，土壤和其他介质具有可以分成三类的孔径分布：

(i)良好分级(在一个范围上尺寸的均匀分布)；

(ii)均匀分级(全部大小大致相同)；和

(iii)间隙分级(一些小的和一些大的双峰孔径分布，中间具有“间隙”)。

分级影响排水和水力传导系数。传统上，土壤使用筛子分级。然而，具有较小孔(其为较大颗粒的一部分)的介质(例如椰壳纤维)不能以这种方式分级。

间隙分级的介质在低水势(即大约-10kPa的水势)具有非常低的水力传导系数(比农艺土壤低500倍--L.Rivera等人(2013))。这种显著降低的水力传导系数可导致产生根周围的耗尽区，该耗尽区即使当大量的水保持在介质中时也妨碍植物吸水。发生这种情况是因为一旦较大的孔已经排空，则变得难以将水移出较小的孔。

低水力传导系数限制了基底中剩余水的移动，即使仍然存在“可用”水。使用用于产生土壤水分释放曲线的传统方法(诸如压力板、悬挂水柱和Tempe压力单元)忽略了水力传导系数的这种急剧改变。

水力传导系数也由以下说明：J.Amer.Soc.Hort.Sci.126(5):638—643,2001，M.Raviv，J.H.Lieth、D.W.Burger和R.Walach“Optimization of Transpiration andPotential Growth Rates of'Kardinal'Rose with Respect to Root-zone PhysicalProperties”，其中叙述：“……在许多情况下，即使在接近理想的空气条件下，跨介质/根界面的水通量也不能与大气对水的需求匹配。这是由于K(水力传导系数)随着(水含量)的减少而急剧降低”。这种急剧降低表现为针对该论文中测试的条件和介质(椰壳纤维和定义的堆肥冷杉树皮-泥炭砂混合物)在0kPa至10kPa的水势范围内发生。

此外，在椰壳纤维生长介质中的水势通常接近0kPa，即，条件是湿润的。这可导致传感器的饱和，从而阻碍在湿润条件下的精确读数。

影响空气和水对植物根的可用性的生长介质的保水特性还由J-CMichel在Miresand Peat，Volume 6，Article 2，2010，“The physical properties of peat：a keyfactor for modern growing media”中说明，其中，保水曲线的特征在于对于选择的泥炭和无泥炭的替代生长基底(包括岩棉、珍珠岩和粗砂)的0kPa至-10kPa的水势范围，清楚地标识土壤水分中的区域，高水可用性的张力。

水柱电位计，诸如在加拿大专利申请号第2,611,196(Plantcare AG，2006)中描述的水柱电位计可用于测量土壤水分含量。水柱电位计依赖由于土壤中水压改变而导致的柱中水的高度改变。这种布置难以使用，特别是如果气体进入该系统的情况下，而可能更适合于实验室环境。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种基质势传感器，布置成测量介质的基质势。基质势传感器适用于测量无土介质的基质势。通常，传感器包括至少一个电极。传感器还可以包括多孔材料部分，其被布置成从在使用中传感器插入其中的介质吸收水分。通常，多孔材料部分是亲水的，意指其对水具有亲和性并且容易润湿。此外，多孔材料部分通常具有基本上开孔的微型格结构。具有这些特征的实施例具有增加的水力传导系数的材料。

在一些实施例中，多孔材料是塑料材料，即，聚合物材料。聚氨酯是用于基质的合适聚合物的示例。塑料材料提供了相对便宜的材料和简单的制造的优点，但是可以使用陶瓷和复合材料以及其它材料。

有利地，当用作无土生长介质时，聚氨酯泡沫提供改进的水处理能力。因此，此类材料具有用作水势传感器元件的有利性质。

方便地，多孔材料是顺应的(compliant)。此类实施例是有利的，因为它们允许多孔材料符合该电极或每个电极，从而减少或去除可在测量中引入误差的在电极和多孔材料之间的任何间隙。此类间隙可以导致水被捕获在其中，这可以影响传感器所获取的读数。这有利地改进了多孔材料和电极之间的接触。

在各种实施例中，多孔材料可为泡沫。有利地，初始形成的泡沫的孔隙率和开孔属性可以在结合到传感器中之前通过网状化和/或压缩来增加。网状化和/或压缩增加了孔隙率且使结构更开放，并控制孔径，这增加了水力传导系数。网状和/或压缩泡沫提供的改进的吸水率减少了获取读数所需的时间，因为传感器的平衡时间随着水力传导系数增加而降低。因此，多孔材料可以包括网状和/或压缩的泡沫。

在一些实施例中，多孔材料可为可由聚合物泡沫复制技术产生的泡沫，其中聚合物泡沫用作模板，并加入所需材料的浆料，之后干燥和烧结以产生原始聚合物泡沫的复制品。当用于泡沫的所需材料是陶瓷或具有比用作开始点的聚合物泡沫实质上更高的烧尽温度的另一种材料时，聚合物泡沫复制技术尤为有利。另选地，可以使用本领域已知的合适溶剂溶解市售聚合物泡沫，留下复制的泡沫。因此，泡沫可为陶瓷或其他非塑料材料。

在其它实施例中，可以通过3D打印或其它固体自由成形制造和快速成型技术制造多孔材料。此类技术包括技术诸如选择性激光烧结或形状沉积建模的技术，其中每一种可用于产生这样的结构，该结构类似于网状和压缩泡沫的结构。这种结构可以被认为是互连支柱的幅材(web)。

此类固体自由成形制造技术允许控制多孔材料的孔隙率、孔径和孔径分布。这是有利的，因为其允许多孔材料适应不同的应用、测试介质和/或润湿水平。

此外，此类固体自由成形制造技术可有助于确保由相同模板或设计生产的多孔材料的块高度相似或相同。这提供了在产品特性和性能上的一致性的优点。有利地，对于这些块，水分特性曲线在公差内将是相同的，从而减少在销售或使用之前所需的表征量。单个水分特性曲线可以提供用于通过相同模板或设计产生的所有块并提供高精度。

通过以上引用的任何方法制造的微型格结构适合于高孔隙率；超过60％，且优选超过85％。高孔隙率有利于在湿润条件下使用。这不亚于使用粒状基质材料或从粒状基质材料烧结的多孔块获得的40％至45％孔隙率。有利地，由多孔材料的基本上开孔微型格结构提供的较高孔隙率更匹配无土基底的孔隙率，并且具有类似的水力性质。

技术人员将理解，如果在无土介质中使用颗粒状或烧结的多孔部分(孔隙率低于50％)，则这些部分的水力性质受到损害。例如，这些粒状或烧结的多孔部分可以展现润湿/干燥滞后和较慢的响应时间。相比之下，所描述的实施例的多孔部分的高孔隙率开孔结构允许保持适当的水力传导系数并且允许快速的响应时间。

通过上述方法也可以控制孔径，孔通常范围跨越1μm至500μm；朝向该范围的较大端的孔径优选用于在接近0kPa水势操作(即，在非常湿润的条件下操作)的亲水材料。优选地，多孔材料包含具有一定直径范围的孔。直径的范围可以从1μm至500μm。有利地，具有一定范围的孔径增加水势范围，传感器可以在该水势范围中操作，因为孔径是确定水势的因子，在该水势下孔将排空。

有利地，高孔隙率和开孔结构的组合有利于在水进入时在多孔材料部分内的空气的逸出。

在一些实施例中，可以提供单个多孔材料部分。然而，在其他实施例中，可以提供多于一个多孔材料部分。

在具有多于一个多孔材料部分的实施例中，多孔材料的一个或多个尺寸可在各部分之间变化。例如，孔径可以在各部分之间变化。此类实施例据信有利于增加传感器的操作范围。

此外，多孔材料的部分可以可选地通过电路板分离。

此外或替换地，多孔材料的部分可以由不同的材料制成。这可以有利于创建具有不同孔径范围的元件。

在一些实施例中，可以使用粘合剂将多孔材料的一个部分和每个部分固定在适当位置。具体地，粘合剂可以布置成将多孔材料的一个部分和每个部分彼此固定。

通常，如果使用粘合剂，则其将用于从电极移除(即，与电极远离)的多孔材料的区域中。

优选地，在任何实施例中的多孔材料部分被布置成允许仅附接到传感器主体，允许移除和更换。在一些实施例中，在传感器上设置紧固孔洞，可以使用夹子或螺钉或其它紧固装置将多孔材料附接至该紧固孔洞。在其它实施例中，可以提供本领域已知的其它附接装置，例如细长紧固件、弹性带或网或粘合剂。

在各种实施例中，多孔材料部分足够顺应以填充多孔材料和电极之间的空气间隙，并且另外地提供与在使用中插入其中的材料的良好接触。

在一些实施例中，多孔材料可以包含电极设置在其中的凹口，并且方便地，多孔材料足够顺应以确保与电极的接触。

在各种实施例中，提供笼来封装多孔材料。笼可以改进多孔材料的一部分与传感器的主体的附接。可以使用固定孔洞以有利于使用夹子或螺钉或本领域已知的任何其它附接装置将笼附接到传感器的主体，可以如先前针对多孔材料所讨论的那样使用。

笼有利地为多孔材料的一部分提供物理支撑和保护。笼被设计成不显著地阻止多孔材料的部分与在使用中传感器插入其中的材料之间的水流动。

技术人员将理解，笼可以由塑料材料以及其他材料制成，但是优选地由金属或其他导电材料制成。不锈钢可为有利的，因为其导电性和耐腐蚀性。

在具有导电笼的实施例中，笼还用作用于多孔材料部分的法拉第笼。这有利地减少从电场泄漏到周围区域和/或来自外部场的杂散场相关的误差。

在一些实施例中，笼处于薄壁杯的形式。薄壁杯可以包括在壁和基部中的至少一个中的圆形孔洞，以有利于水的移动。在可替换实施例中，笼可包括交叉支柱、刚性网或网格，以及对于本领域技术人员而言显而易见的其它可能性形式。

在一些实施例中，电极被设置为包括一个或多个轨迹的电路板。在根据已知制造技术的电路板中，已经记录了多至10μm的轨迹厚度的变化。此外，在此类电路板中，在板的织物内的纤维的编织也可导致板的表面的变化。因此，使用顺应材料用于多孔材料部分的实施例的优点在于此类变化可以被吸收，从而有助于去除否则可能容纳水的凹处。

通常，电路板的一个轨迹或每个轨迹被布置成使电流通过。设置在传感器上的至少一个轨迹(通常两个轨迹)可以被布置用于形成电容器的极板。因此，感测电子器件可以被布置成测量传感器的电容的变化。传感器的电容可以被布置成由围绕测试介质(例如土壤)的水分含量引起变化。

在替换的或附加的实施例中，电极可以被设置为一个或多个引脚。通常，设置多个引脚。

在一些实施例中，基质势传感器可为介电张力计。

根据本发明的第二方面，提供了一种灌溉系统，包括优选为自动化的根据本发明的第一实施例的传感器。可以响应于由传感器进行的测量来触发、增加、减少或停止浇水的水平。采用来自此类传感器的反馈的灌溉控制可以有助于避免由低水力传导系数条件引起的植物水分胁迫，例如，在间隙分级的介质(诸如椰壳纤维)中发现的一旦较大的孔已经排空。

根据本发明的第三方面，提供了一种测量套件，其包括根据本发明第一方面的一个或多个传感器和多个多孔材料部分，优选地其中多空材料具有一定范围孔径以有利于在各种水含量条件下的水势测量。

根据本发明的第四方面，提供了一种水分含量测量仪，其包括根据本发明的第一方面的至少一个传感器和以下中的至少一个：

(i)人可读的输出和用于显示所述输出的装置；或

(ii)机器可读的输出和用于将输出传送到能够读取该输出的机器的装置。

在一些实施例中，使用无线信号以电子方式将输出传送到计算机或其他设备。在其他实施例中，使用有线连接。在替换的或附加的实施例中，输出可以显示在形成传感器的一部分的屏幕上。

根据本发明的第五方面，提供了一种制造基质势传感器的方法。该方法包括在传感器的电极周围插入开孔的、亲水性微型格基质的一个或多个部分。

技术人员将理解，与本发明的上述方面中的任一个描述有关的特征可以在适当变通的情况下适用于本发明的任何其他方面。

附图说明

现在仅通过示例的方式参考附图详细描述本发明的实施例，其中：

图1示出实施例的传感器；

图2示出穿过类似于图1中示出的实施例的基质和电极的截面；

图3示出沿着图2的线X-X的截面；

图4示出实验结果，其示出实施例的多孔基质的孔径分布特性；

图5示出实验结果，其示出实施例的传感器的响应性能；

图6示出替换的实施例的传感器的分解透视图；

图7示出其中设置了可选的笼的实施例的传感器；

图8示出穿过电极和用于其中电极被重叠打印的实施例的基质的截面；

图9示出其中使用三电极布置的实施例的截面；以及

图10(现有技术)示出用于参考图1至图9描述的实施例的示例感测电子器件。

具体实施方式

参见图1，传感器100具有处于引脚形式的两个电极102a、102b，该引脚可以被认为形成感测元件。由多孔材料104的一部分提供基质，基质被设置有两个孔洞(在图1中未示出)，在所描述的实施例中，它们是实心孔洞，具有与两个电极102a、102b互补的形状和尺寸。在组装的传感器100中，两个电极102a、102b插入两个孔洞中，由此使得多孔材料围绕电极102a、102b，并且电极102a、102b向下延伸到多孔材料104中。

电极102a、102b中的每一个提供电容器的极板，其电容根据邻近电极的多孔材料104的部分的介电常数而变化。介电常数受保持在多孔材料104内的水量的影响，所述水量转而受到围绕多孔材料的水的水势的影响。

在其他实施例中，两个电极102a、102b可以被迫进入多孔材料104，这样这些电极在电极插入时在多孔材料中创建互补孔洞。

固定孔洞106设置在传感器100的主体中，以有利于多孔材料104的部分的附接。

本实施例中的多孔材料104的一部分是基本上开孔的亲水性微型格基质。为了避免疑问，亲水材料为可润湿的并且具有小于90度的水接触角。该实施例的微型格是由材料幅材组成的三维(3D)网络结构，其中孔直径在1μm至500μm的数量级。发现根据本发明的该实施例制备的微型格基质给出在10度至85度的范围的接触角，优选在60度至75度的范围内。

多孔材料104具有大于60％，优选大于85％的孔隙率。

在所描述的实施例中，多孔材料104是聚合物且具体为聚氨酯。因此，多孔材料104也是顺应的。

在其他实施例中，可以使用其他塑料材料、陶瓷和复合材料。实际上，在一些实施例中，可以使用这些材料中的多于一种。

在所描述的实施例中，多孔材料104的微型格基质由网状和压缩的泡沫提供。网状和压缩的优点在于初始形成的泡沫的孔隙率和开孔属性增加，且可以控制孔径。

图2示出穿过在实施例(类似于图1所示实施例)中的多孔材料204的横截面，但其中电极引脚202a、202b具有变化的横截面而非恒定横截面。在所示实施例中，多孔材料204的一部分的形状证实基质的顺应，其与引脚202a、202b的形状符合。

图3示出了沿图2中的线X-X截取的穿过多孔材料204的横截面。电场线310示出在多孔材料104内的电极202a、202b周围。还应当注意，多孔材料104紧邻引脚202a、202b，使得引脚202a、202b与多孔材料204基本接触。

传感器100包括感测电子器件120(其可以如在EP 1 836 483中所述，该文献通过引用并入本文)并且被布置成将信号注入由多孔材料104的部分提供的基质中。感测电子器件120可以被设置在传感器100的主体内的任何地方。技术人员将理解，感测电子器件120的其它位置是可以的。例如，感测电子器件120可以位于可被认为是感测元件的引脚102a、102b上。

图10示出了可以使用并且如在EP 1 836 483中更详细描述的感测电子器件1000的示例。可以看出，振荡器1001、增益控制1002、感测阻抗Za 1003和复阻抗1004(C1、L1、C2)。所示的电路还可以测量在感测阻抗和振荡器1001之间的点与复阻抗1004的输出侧之间的差分信号。

因此，感测电子器件1000测量跨感测阻抗Za 1003测量的差分信号。如本领域技术人员将容易理解的，峰值检测器电路1600、1602包括肖特基二极管Db和Dc以及充电电容器1604、1606。

使用所示的感测电子器件1000，可以从信号的振幅的改变中检测多孔材料104的水分含量的改变(例如使用峰值检测器电路1600、1602)。

因此，将看到，感测阻抗Za 1003被提供为具有由复阻抗1004(C1、L1、C2)和多孔材料104形成的阻抗的分压器。这里，应当理解，因为传感器是基质势传感器，由感测电子器件1000直接测量多孔材料104的水分含量而非周围介质的水分含量。然而，多孔材料104的水分含量与周围介质的水分含量相关。参见图7的实施例，信号通常将经由引脚702a、702b中的一个注入，而引脚702a、702b中的另一个将接地。

基质、感测电子器件和感测元件中的至少一些的阻抗形成分压器，并且感测电子器件被布置成测量该电势分压器的参数的改变。本领域技术人员将理解，基质的阻抗随着基质的水分含量变化而变化。

图4示出关于适合用于本文所述实施例的多孔基质材料的样品的孔径分布特性的实验水银浸入孔隙率测定法的结果。累积浸入被绘制成相对于以微米计的孔径(直径)的百分比，其以对数标度示出。更容易填充更大的孔；必须增加压力以迫使水银进入更小的孔中。因此，孔径根据迫使水银进入孔所需要的压力而计算。

测试两个样品——样品A和样品B的数据分别由线401和403示出。

从图4中绘制的水银浸入孔隙率测定法的数据提取的孔隙数据列于下表1中。用于针对实施例的传感器轨迹的泡沫B具有85.1％的孔隙率和47.4μm的平均孔直径。

样品A是基于疏水性多元醇的聚氨酯泡沫，样品B是基于亲水性多元醇的聚氨酯泡沫——泡沫已经经受基本上相同的网状化和压缩处理。这些示例仅用于说明目的；本发明不受所采用的多元醇的类型限制，也不受网状或压缩处理的类型的限制。

表1

聚氨酯泡沫的制造方法，包括其原料成分，允许调节孔径分布，同时允许孔隙率保持大部分不变。从表1可以看出，A和B的平均(均值)孔直径显著不同，而总孔隙率非常相似。

在使用中，将传感器100插入待测试的介质(例如土壤)中，由此使得多孔材料104的该部分完全由测试介质包围。

通过测量与介质中的水平衡的水的势能，传感器用于测量该介质中的水势。根据热力学第二定律，具有不同能级的连接系统朝向平衡移动，因此一旦多孔材料104与被测介质进行水力接触，在多孔材料104内的水势与在测试介质中的水势进行平衡。平衡时间根据所施加的压力梯度和多孔材料的水力传导系数而变化，在更湿润的介质中平衡时间更短。因此，一旦水势达到平衡，在多孔材料104内的水势的测量结果应该是在介质中的水势的测量结果。通过增加水可以移入和移出多孔材料104的容易程度，使用亲水的、高孔隙率开孔基质(多孔材料)减少了平衡时间，从而有利于快速测量。

介质水含量和水势通过水分特性曲线相关，该曲线对材料是唯一的。在使用之前，精确地测量多孔材料104的水含量和相应的水势，以产生校准曲线。该校准与介质类型无关，因此可以用于根据使用在任何介质中的测试的多孔材料部分获得的读数推断水势。

图5示出显示本实施例的传感器的响应性能的实验结果501并提供水分特性曲线。以mV为单位的传感器(针对传感器SM150DT)的响应相对于以kPa为单位的水势绘图。在图5中呈现的数据证明在-0.6kPa至-3kPa范围内的水势的情况下传感器响应的显著改变——传感器响应501在该水势范围上从超过600mV改变到0mV。这种大小的电压改变容易测量且在极值之间的平滑曲线有利于测量点501之间的插值。

用于土壤中保水的Van Genuchten模型用于确认遵循预期趋势的传感器响应。该模型由以下等式定义(来自van Genuchten M.Th.，1980年，Soil Sci.Soc.Am.J.，Vol.44，pp 892-898，A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivityof unsaturated soils)，其中θ是在水势h时的含水量，θs和θr分别是饱和水含量和残余水含量，α、n和m是经验系数。

θ＝(θ_s-θ_r)[1+(αh)ⁿ]^-m+θ_r

其中：

m＝1-1/n

传感器响应501由θ表示，并且用于θs和θr的值以及用于经验系数α，n和m的值在下面的表2中提供。

表2

如图5所示，测量数据501与理论模型503完美一致。

多孔材料的大孔径和高度多孔的、开孔结构允许具有这种结构的实施例以在基本上为0kPa至-10kPa的水势范围内操作。这有利点在于在该范围内已经观察到水力传导系数的急剧降低(上文)。

所描述的实施例的多孔部分104的高孔隙率和大孔径使得即使在湿润条件下也可以精确测量水势。多孔材料104的顺应性可以通过填充邻近电极102a、102b的间隙来增强可靠性，否则水可能聚集在其中并使测量失真。

以下实施例说明有关上述实施例的变型。相似部件已经用类似的附图标记指代，其中两个最右边的数字保持不变，但是最左边的数字被修改。

图6示出了第二实施例，其中多孔材料部分604a、604b被分成两部分，由此使得部分设置在传感器元件的每一侧，在这种情况下传感器元件是电路板610。与引脚102a、102b一样，电路板也可被认为是感测元件。电路板610被提供有印刷轨迹，在其上设置两个电极602a、602b。与引脚102a、102b类似，电路板606的轨迹可以用于测量多孔部分604a、604b内的水分含量。

感测电子器件可以如关于图6所描述的实施例的情况那样安装在电路板610之外，但是在其他实施例中，感测电子器件可以安装在电路板610上。实际上，一些感测电子器件可以安装在电路板610上，并且一些感测电子器件安装在电路板610之外。

在所描述的实施例中，多孔材料604a、604b是3D打印结构。该结构由细长的幅材或连接的支柱构成，并且可以实质上被描述为小梁。

图7以分解形式示出了另一个实施例的传感器700，其中基质由围绕电极702a、702b的多孔材料的两个部分704a、704b提供。此外，传感器700包括围绕多孔材料的第一部分704a和第二部分704b的笼708。多孔材料704a、704b的部分在使用中布置成彼此邻近。技术人员将理解，多孔材料704a、704b的部分优选地彼此直接接触，但是它们之间可以存在间隙。因此，在该实施例中包括多孔材料704a、704b的两个部分的基质也可以包括它们之间的间隙。

多孔材料704a和704b的部分被构造成具有不同孔径范围，使得总孔径范围大于单独的多孔材料的任一部分中的孔径范围。这具有增加传感器700的总体操作范围的优点。

笼708改进了多孔材料704a、704b的部分与传感器700的主体的附接。固定孔洞706可用于有利于笼708与传感器700的主体的附接。

笼708提供用于多孔材料704a、704b的部分的物理支撑和保护。笼708被设计成不会显著地阻止在多孔材料704a、704b的部分与在使用中传感器700插入其中的材料之间的水流动，该笼708具有穿过其表面的多个孔洞710。在所示的实施例中，可以看出，孔洞710占据笼708大约60％的表面。在其他实施例中，在笼708的表面中的孔洞可以大致占据40％至80％的表面。在另外的实施例中，在笼708的表面中的孔洞可以大致占据表面的50％至70％的范围。技术人员将理解，在所列出百分比之间的数值也是可以的。

在所描述的实施例中，笼708由不锈钢制成，并且因此笼708还用作用于传感器700的法拉第笼708，保持来自电极702a、702b的电场在笼708内并阻止场泄漏到在使用中传感器700插入其中的介质中。

技术人员将理解，此类笼可以在适当变通的情况下用于图1和图6所示的本发明的实施例。

在图7所示的实施例中，笼708处于薄壁杯的形式，在壁和基部中具有圆形孔洞以有利于水的移动。在一些实施例中，在杯中的、插入介质中时对介质的水力连通性最高的区域有更大的孔洞。具有对介质最高水力连通性的区域在这些实施例中的一些中是在杯的底部。

图8和图9示出与在图3中示出的横截面等同的横截面，其针对本发明的两个另外实施例，其中电极802a、802b、902a、902b、902c的布置不同。

图8中的电极802a、802b是柔性印刷电路板(PCB)。它们被布置成经模压(over-moulded)；即，3D结构可以印刷在PCB的一侧或两侧。该处理也被称为重叠打印，并且可以改进与电极的表面接触。在可替换实施例中，使用薄膜或箔代替PCB。

在该实施例中，还存在导电笼808，其围绕多孔材料804的部分。

图9的实施例在多孔材料904的部分内使用三个电极902a、902b、902c。虽然笼可用于使用此类电极配置的其它实施例，但三电极布置有利地提供有助于最小化杂散场相关误差的额外屏蔽。

Claims (23)

1.一种基质势传感器，包括感测电子器件，所述感测电子器件布置为经由一个或多个感测元件测量注入到基质中的信号的改变，其中，所述基质包括基本上开孔的亲水性微型格基质的至少一部分，所述亲水性微型格基质在使用时插入介质中，所述亲水性微型格基质被布置为从所述介质吸收水分。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，基本上开孔的所述亲水性微型格基质具有超过60％的孔隙率。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的传感器，其中，所述传感器布置为从无土介质吸收水分。

4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，基本上开孔的所述亲水性微型格基质是网状泡沫。

5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述基质的阻抗与所述感测电子器件内的阻抗一起形成分压器，并且所述感测电子器件被布置为测量所述分压器的参数。

6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述感测元件包括以下各项之一：

i)两个或更多个引脚的组；和

ii)电路板，一个或多个轨迹设置在所述电路板上。

7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述基质以多孔材料的一个或多个部分的形式存在。

8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述基质基本上封闭在笼中。

9.根据权利要求8所述的传感器，其中，所述笼被布置为支撑所述基质。

10.根据权利要求8或9所述的传感器，其中，所述笼导电。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的传感器，其中，所述笼由不锈钢制成。

12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述基质包括直径基本在范围1μm和500μm之间的孔。

13.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述基质由聚氨酯制成。

14.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述基质处于小梁形式。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的传感器，其中，所述基质是泡沫。

16.根据权利要求15所述的传感器，其中，在结合于所述传感器中之前，所述泡沫的孔隙率通过网状化而增加。

17.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述基质由顺应材料制成。

18.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，基质由多孔材料的至少两个部分组成，并且孔径分布在多孔材料的所述部分之间不同。

19.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，开孔的所述亲水性微型格基质由以下各项的一项或多项形成：

(i)3D打印；

(ii)选择性激光烧结；或

(iii)形状沉积建模。

20.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，通过固体自由成形制造和快速成型技术形成所述基质。

21.一种套件，包含根据前述权利要求中任一项所述的至少一个传感器和适合在所述传感器中使用的多孔材料部分，其中，优选地，所述多孔材料部分具有一定范围的孔径分布和/或孔隙率。

22.一种水分含量测量仪，包括根据前述权利要求中任一项所述的至少一个传感器以及以下各项中的至少一项：

(i)人可读的输出和用于显示所述输出的装置；或

(ii)机器可读的输出和用于将所述输出传送到能够读取所述输出的机器的装置。

23.一种制造根据权利要求1至20中任一项所述的基质势传感器的方法，其中，所述方法包括邻近至少一个感测元件插入所述开孔的亲水性微型格基质的一个或多个部分。