CN111108366A - 土壤水势效应器设备及其应用 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于在含水介质中影响水势的设备，该设备包括透水壳体、可保持水的体积变化材料、可压缩插入物以及用于接收和转换信号的接收器。

Description

土壤水势效应器设备及其应用
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年7月18日提交的以色列专利申请第253540号和2018年4月26日提交的美国临时专利申请第62/662,950号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及土壤水势领域，尤其涉及土壤水势效应器系统及其在农业中的应用。
背景技术
可使用干燥土壤样品之前和之后之间的重量差直接确定土壤中的水含量。这种直接技术通常被称为热重法(或简称重量法)，当将水含量表示为水的重量相对于干燥土壤的重量，GWC[lb3lb-3](即，样品中存在的水的质量与土壤样品烘干(100℃至110℃)至恒重之后的质量之比)。另一方面，热体积法(或简称体积法)给出的水含量为一定体积的未扰动土壤VWC[ft3ft-3]中的水的体积(即，与烘干的未扰动样品(土芯)的体积相关的水的体积)。尽管这些直接方法准确(±0.01ft3ft-3)且便宜，但它们具有破坏性、速度慢(最少2天)、费时且不允许在同一位置重复。
另选地，许多间接方法可用于监测土壤含水量。这些方法通过与其他一些可测量变量之间的校正关系来估算土壤湿度。每种方法的适用性取决于几个问题，诸如成本、准确性、响应时间、安装、管理和耐用性。
取决于所测量的量，间接技术首先被分类为体积法和张力法。前者提供体积土壤湿度，后者产生土壤吸力或水势(即，毛细作用产生的张力)。体积技术估算未扰动土壤样品体积中的水的体积[ft3ft-3]。该量对于确定土壤的饱和程度(即，土壤水溶液占土壤总体积的比例)很有用。当以深度(即，单位表面积土壤中向下至给定深度的水的体积(英寸水))表示时，可将其与其他水文变量(如降水、蒸发、蒸腾作用和深层排水)进行比较。
张力法估算土壤水的基质势(matric potential)，其包括土壤的吸附和毛细作用。基质势是总土壤水势的组分中的一种，总土壤水势还包括重力(相对于参考高程平面的位置)、渗透性(土壤溶液中的盐分)、气压或气动(来自滞留的空气)以及上覆盖层组分。基质势和重力势的总和是土壤和其他类似土壤的多孔介质中水运动的主要驱动力。
所有可用的张力测量仪器均具有与土壤接触的多孔材料，水可通过该多孔材料移动。因此，水从干燥土壤中的多孔介质中抽出，并被从土壤中抽出到潮湿土壤中的介质中。除了诸如直接读数和耐盐碱性的某些优点外，张力计已知具有有限的土壤吸力范围(<1bar)；响应时间相对较慢；它们需要与陶瓷杯周围的土壤紧密接触以获取一致的读数，并避免频繁排放(内部水柱破裂)，需要频繁维护(重新填充)以保持管内充满水，尤其是在炎热干燥的天气中。
因此，仍然需要一种通用的、持久的、耐用的、廉价的并且对土壤含水量的细微变化反应灵敏的水势效应器系统。
发明内容
因此，本发明的主要目的是克服用于感测和测量土壤水势的现有技术方法和系统的缺点，从而提供具有快速响应时间并且能够响应土壤含水量的细微变化的通用的、耐用的、成本有效的、范围广的水势效应器设备。
本发明的水势效应器设备包括：透水壳体，其包括能够保持水的预定浓度的体积变化材料(VCM)，所述VCM被配置成响应于含水介质的水势的变化而增加或减小其体积；以及可压缩插入物，其被配置成维持预定的内部压力，其中壳体的内表面与VCM直接接触，并且当所述VCM的体积增加时，它变得在操作上与接收器接合，从而影响含水介质中的水势。
根据第一方面，提供了一种设备，其包括：
a.壳体，其包括至少一个透水部分；
b.体积变化材料(VCM)，其能够保持水，其中VCM响应于水浓度的增加或减少而分别增加或减少其体积，并且其中VCM与壳体的至少一个透水部分的内表面直接接触；
c.可压缩插入物，其被配置成在设备内维持至少预定的内部压力；以及
d.接收器，其被配置成在预定的水浓度阈值或高于预定的水浓度阈值两者下接合VCM、可压缩插入物或两者，并且被配置成在接合时、脱离时或两者时转换信号。
根据一些实施例，VCM填充壳体内空间体积的10％至90％之间。根据一些实施例，可压缩插入物填充壳体内未被VCM填充的任何空间。
根据一些实施例，接收器被配置成将由VCM、可压缩插入物或两者施加的力转化成电信号或机械信号。根据一些实施例，接收器包括压力传感器、行进传感器、力传感器、阀或计量器。
根据一些实施例，透水部分包括多孔材料。根据一些实施例，多孔介质是天然的、合成的或半合成的膜。
根据一些实施例，可压缩插入物包括充气内部体积。
根据一些实施例，VCM包括水凝胶。根据一些实施例，VCM包括杀生物剂。根据一些实施例，水凝胶是杀生物剂。
根据一些实施例，VCM包括丙烯酸、甲基丙烯酸、2-溴丙烯酸、2-(溴甲基)丙烯酸、2-乙基丙烯酸、甲基丙烯酸、2-丙基丙烯酸、丙烯酸钠、甲基丙烯酸钠或其衍生物、氢氧化钠，或其与二丙烯酸酯、二丙烯酰胺和二乙烯基的交联剂聚合的均聚物、杂聚物或衍生物。
根据一些实施例，VCM包括烷基丙烯酰胺、N-(3-氨基丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐、N-叔丁基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N,N-二乙基甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-[3-(二甲基氨基)丙基]甲基丙烯酰胺、N-乙基丙烯酰胺、N,N'-六亚甲基双(甲基丙烯酰胺)、N-羟基乙基丙烯酰胺、N-(羟基甲基)丙烯酰胺、(4-羟基苯基)甲基丙烯酰胺、2-羟基丙基-甲基丙烯酰胺、N-(异丁氧基甲基)丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-异丙基甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺，或其与二丙烯酸酯、二丙烯酰胺和二乙烯基的交联剂聚合的均聚物、杂聚物或衍生物。
根据一些实施例，VCM包括马来酸酐共聚物、聚乙烯醇共聚物、交联聚环氧乙烷、交联羧甲基纤维素或淀粉接枝共聚物的共聚物。
根据一些实施例，本发明的设备还包括在VCM、插入物或两者与接收器之间的隔膜，其中隔膜将来自VCM、插入物或两者的力传递到接收器。
根据一些实施例，该设备可操作地链接到灌溉系统，使得灌溉系统响应于所转换的信号而启动或关闭。根据一些实施例，该设备可操作地链接到土壤水势测量系统。
根据一些实施例，本发明的设备用于测量水势。
根据一些实施例，本发明的设备用于在设备附近的含水介质中影响水势。
根据另一方面，提供了一种用于在可变深度处测量水势的湿度传感器设备，其包括：
a.本发明的至少一个设备；
b.至少一个可变扩展器，其被配置成将所述至少一种设备以预定深度插入含水介质中；
c.发送器，其被配置成无线地发送关于由湿度传感器设备测量的水势的数据。
根据一些实施例，本发明的湿度传感器设备包括本发明的多个设备，其中设备各自被至少一个可变扩展器隔开。
根据一些实施例，本发明的设备还包括被配置成向设备供电的太阳能电池板，并且其中该太阳能电池板位于设备的被配置成在设备的操作期间高于地面的区域中。
在一个实施例中，壳体中VCM的浓度为至少5％。在另一个实施例中，VCM的浓度在5％至90％之间。在一个实施例中，VCM的浓度在10％至70％之间。在另外的实施例中，VCM的浓度在10％至50％之间。在又一个实施例中，VCM的浓度在10％至30％之间。
在一个实施例中，当VCM的体积增加时，接收器被配置成将压力转化成电信号或机械信号。在一个实施例中，接收器是活塞、阀、膜、换能器、测压元件和计量器。
在一个实施例中，透水壳体包括多孔介质。在另一个实施例中，多孔介质是天然的、合成的或半合成的膜。在一个实施例中，多孔介质是粘土。
在一个实施例中，可压缩插入物包括在水溶液中稀释的水凝胶的混合物。在又一个实施例中，可压缩插入物包括二价盐溶液中的防冻盐。
在一个实施例中，VCM包括水凝胶。在一个实施例中，VCM还包括杀生物剂。在另一个实施例中，水凝胶是杀生物剂。在一个实施例中，VCM还包括肥料。在又一个实施例中，VCM还包括防冻剂。
在一个实施例中，土壤水势效应器设备可操作地联接到灌溉系统。
在一个实施例中，土壤水势效应器设备可操作地联接到土壤水势测量系统。
在一个实施例中，本发明提供了一种水势效应器设备，其包括：透水壳体，其包括能够保持水的预定浓度的体积变化材料(VCM)，该VCM被配置成响应于含水介质的水势变化而增加或减少其体积，其中壳体的内表面与VCM直接接触，并且当VCM的体积增加时，它变得在操作上与接收器接合，并且其中VCM包括丙烯酸、甲基丙烯酸、2-溴丙烯酸、2-(溴甲基)丙烯酸、2-乙基丙烯酸、甲基丙烯酸、2-丙基丙烯酸、丙烯酸钠、甲基丙烯酸钠或其衍生物、氢氧化钠、其与二丙烯酸酯、二丙烯酰胺和二乙烯基的交联剂聚合的均聚物、杂聚物或衍生物，从而影响含水介质中的水势。
在又一个实施例中，本发明进一步提供一种水势效应器设备，其包括：透水壳体，其包括预定浓度的能够保持水的体积变化材料(VCM)，该VCM被配置成响应于含水介质的水势变化而增加或减小其体积，其中壳体的内表面与VCM直接接触，并且当VCM的体积增加时，它就可与接收器进行接合，并且其中VCM包括烷基丙烯酰胺、N-(3-氨基丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐、N-叔丁基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N,N-二乙基甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-[3-(二甲基氨基)丙基]甲基丙烯酰胺、N-乙基丙烯酰胺、N,N'-六亚甲基双(甲基丙烯酰胺)、N-羟基乙基丙烯酰胺、N-(羟基甲基)丙烯酰胺、(4-羟基苯基)甲基丙烯酰胺、2-羟基丙基-甲基丙烯酰胺、N-(异丁氧基甲基)丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-异丙基甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、其与二丙烯酸酯、二丙烯酰胺和二乙烯基的交联剂聚合的均聚物、杂聚物或衍生物，从而影响含水介质中的水势。
在另外的实施例中，提供了一种水势效应器设备，其包括：透水壳体，其包括能够保持水的预定浓度的体积变化材料(VCM)，该VCM被配置成响应于含水介质的水势变化而增加或减少其体积，其中壳体的内表面与VCM直接接触，并且当VCM的体积增加时，它变得在操作上与接收器接合，并且其中VCM包括马来酸酐共聚物、聚乙烯醇共聚物、交联聚环氧乙烷、交联羧甲基纤维素或淀粉接枝共聚物的共聚物，从而影响含水介质中的水势。
根据以下附图和描述，本发明的附加特征和优点将变得显而易见。
附图说明
为了更好地理解本发明并示出如何实施本发明，现在将仅以示例的方式参考附图，在附图中，相同的附图标记始终表示相应的元件或区段。
现在详细地具体参考附图，要强调的是，所示细节仅通过示例的方式，并且仅用于对本发明的优选实施例的说明性论述的目的，并且是为了提供被认为是对本发明的原理和概念方面最有用和最容易理解的描述而呈现。在这方面，除了对本发明的基本理解所必需的之外，没有试图更详细地示出本发明的结构细节，结合附图进行的描述使本领域技术人员清楚本发明的几种形式如何在实践中体现。在附图中：
图1A至图1E示出了根据所公开主题的示例性实施例的包括液体可渗透容器和换能器的湿度传感器设备。
图2A至图2C示出了根据所公开主题的示例性实施例的包括无线发送器和天线的湿度传感器。
图3A至图3D示出了根据所公开主题的示例性实施例的嵌入灌溉设备中的湿度传感器。
图4A至图4C示出了根据所公开主题的示例性实施例的包括压力传感器的湿度传感器。
图5示出了根据所公开主题的示例性实施例的位于特定区域中的多个深度中的多个湿度传感器。
图6示出了根据所公开主题的示例性实施例的位于特定区域中的多个位置中的多个湿度传感器。
图7A至图7B示出了根据所公开主题的示例性实施例的尺寸可调的湿度传感器。
图8A至图8C：图示了没有可压缩插入物的水势效应器设备的横截面的图。(8A)图示了当VCM[800]没有完全膨胀时本发明的设备的图。(8B)图示了当VCM[800]膨胀时本发明的设备的图。(8C)图示了当VCM完全膨胀并且力被施加到隔膜[802]和接收器[803]时本发明的设备的图。
图9A至图9B：图示了具有可压缩插入物[905]的水势效应器设备的横截面的图。可压缩插入物的开口朝向壳体[901]的底部定向。(9A)图示了当VCM[900]膨胀并且可压缩插入物未被压缩时的设备的图。(9B)示出了VCM完全膨胀并且插入物被压缩的图。
图10A至图10B：图示了具有可压缩插入物[1005]的水势效应器设备的横截面的图。可压缩插入物的开口朝向壳体[1001]的顶部定向，并且在操作上直接与接收器[1003]接合。(10A)图示了当VCM[1000]膨胀并且可压缩插入物未被压缩时的设备的图。(10B)示出了VCM完全膨胀并且插入物被压缩的图。
图11A至图11B：图示了具有可压缩插入物[1105]的水势效应器设备的横截面的图。可压缩插入物的开口朝向壳体[1101]的顶部定向，并且在操作上通过隔膜[1102]与接收器[1103]接合。(11A)图示了当VCM[1100]膨胀并且可压缩插入物未被压缩时的设备的图。(11B)示出了VCM完全膨胀并且插入物被压缩的图。
具体实施方式
在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解，本发明的应用不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的组件的构造和布置的细节。本发明可应用于其他实施例或以各种方式被实践或执行。另外，应当理解，本文采用的措词和术语是出于描述的目的，而不应被认为是限制性的。
本发明公开了一种湿度传感器设备，其包括由液体可渗透材料制成的容器，该容器被设计为插入诸如地面的表面中。容器包括体积变化材料(VCM)，该体积变化材料被配置成响应于吸收经由容器渗透的液体而改变其体积。液体可为水。任选地，该设备还包括可移除地联接到容器的第二单元。第二单元包括换能器，该换能器被配置成生成代表由换能器测量的力的电信号。换能器可为测压元件、压力传感器等。该设备还可包括可操作地联接到VCM的活塞，当VCM膨胀(swell)时，活塞朝向换能器移动并且在换能器上施加力。换能器被配置成测量由活塞施加的力或压力，并生成代表所测量的力的电信号。在一些示例性实施例中，该设备可包括用于将电信号传输到远程目的地的无线发送器。本文描述的任选元件不仅仅限于列出了它们的附图或实施例，而是可与本文描述的任何附图或实施例一起应用或组合。
本发明还公开了一种用于从多个湿度传感器设备接收电信号并对其进行分析的方法。此类分析可包括根据湿度传感器的位置生成湿度映射图。第二单元可包括例如经由螺钉、螺栓、钩和环、尼龙搭扣等固定到容器的换能器盖。第二单元可容易地与容器分离使得安装和使用该设备的人能够调节容器在表面中的深度。类似地，还可通过在换能器和无线发送器之间添加一个中间空心元件来实现对容器深度的调节，该中间空心元件可能需要放置在表面外，例如地面上方。通过将第二单元从容器移除来实现的模块化使得能够根据特定需求安装不同的容器，例如根据季节、容器被插入的液体吸收体积(LAV)的类型、换能器的类型等来更换容器。
在一些示例性情况下，本发明的湿度传感器被嵌入在设备中，该设备用于根据VCM的膨胀来控制供应到设备附近的水。该设备因此可用于灌溉。灌溉设备与水源联接并且在需要灌溉的位置处被插入表面中，以控制所述位置处表面中的水含量水平。该表面可为地面，例如草或土壤，或者植物或蘑菇在其上生长的表面。在另一些情况下，表面中的位置可包括需要灌溉的细菌、微生物或蘑菇。在某些情况下，地面中的位置可以包括动物，例如需要潮湿土壤的蜗牛农场中的蜗牛。
图1A至图1E示出了根据所公开主题的示例性实施例的包括液体可渗透容器和换能器的湿度传感器设备。图1A示出了横截面图，图1C示出了湿度传感器的组装图，图1D示出了设备的分解图，并且图1E示出了换能器和换能器壳体的分解图。图1B示出了与图1A相同的截面图，但是增加了可压缩插入物105。现在参考图1A至图1E。
液体容器101可被插入表面或LAV(诸如地面)中，以使湿度传感器能够感测表面的湿度水平。液体容器101是用于湿度传感器设备的壳体。诸如水的液体从表面渗透并与位于液体容器101中的VCM 100接触。液体容器101可由任何透水材料制成，诸如作为非限制性示例，由粘土制成。容器101的仅一部分可为透水的。VCM 100在接触液体时膨胀，并将活塞130从液体容器101推开，并朝向换能器140推动。换能器感测由活塞130施加的力并将该力转变为电信号。可经由位于管142中的电缆将电信号从换能器140传输到发送器，该发送器将信号发送到远程位置。在一些其他情况下，电信号可被保存在与换能器140通信的存储单元上。在一些实施例中，换能器是从VCM 100或插入物105接收信号的接收器。
在一些情况下，湿度传感器包括位于VCM 100和活塞130之间的膜125，用于防止VCM 100泄漏到位于活塞130上方的电子组件中，例如换能器140。膜125可附接到活塞130上，并且当活塞130移动时移动。活塞130可在活塞壳体135内移动。活塞壳体135的内侧壁将活塞130朝向换能器140引导并朝向VCM 100引导回。在一些示例性情况下，活塞壳体135的外侧壁包括螺纹128。在一些实施例中，膜是隔膜的一部分。在一些实施例中，膜是隔膜。
在一些示例性实施例中，该设备包括容器盖120，该容器盖120朝向活塞壳体135覆盖液体容器101的上部。该容器盖120可由诸如塑料或金属的刚性或半刚性材料制成。在一些示例性实施例中，液体容器101的上部比液体容器380的较窄的下部宽。在此类实施例中，容器盖120从液体容器101的底部向上滑动。任选地，容器盖120可具有一个或多个壁龛122，液体可经由壁龛122渗入液体容器101中。容器盖120可帮助将液体容器101固定到换能器140。也就是说，通过将容器盖120的上内侧壁拧入螺纹128的下部。类似地，螺纹128的上部被配置成螺纹连接到换能器壳体138。换能器壳体138容纳换能器140并且可经由螺纹128附接到活塞壳体135。在某些情况下，换能器壳体138可使用粘合材料、螺栓等附接到活塞壳体135。
换能器壳体138也可附接到垫圈145。可在穿过管142内的电缆被配置成到达位于湿度传感器外的组件的情况下使用垫圈145。在这种情况下，垫圈被配置成密封换能器壳体138的孔，电缆经由该孔朝向远程装置引出。此类远程装置可为另一个传感器、服务器、发送器等。换能器壳体138的侧向部分136被配置成容纳垫圈145。
图1B与图1A相同，但还示出了可压缩插入物105，该可压缩插入物105可用该设备维持至少预定的内部压力。在一些示例性实施例中，插入物105直接接触膜125。在一些实施例中，插入物105直接接触活塞130。在一些实施例中，插入物105直接接触换能器140。在一些实施例中，插入物125被锚固到容器101。在一些实施例中，插入物105在VCM 100中自由浮动。
图1C还示出了用于防止材料和液体渗透湿度传感器并接触换能器140的上密封件150。在一些示例性情况下，上密封件150是换能器壳体138的整体部分。在一些示例性情况下，侧向部分136是换能器壳体138的整体部分。图1D引入了连接换能器壳体138和活塞壳体135的环139。
图1E示出了湿度传感器的分解图。分解图示出了将管142固定到换能器140的螺钉145。螺钉145具有中空空隙，当附接到换能器时，管140被定位在该中空空隙中。螺钉145可限定管142的方向，并且因此限定传递电信号的电缆的方向。电缆和管142经由换能器壳体138的侧向部分136内的中空空隙被固定到换能器140。
图2A至图2C示出了根据所公开主题的示例性实施例的包括无线发送器和天线的湿度传感器。湿度传感器包括容纳VCM 200的液体容器201。液体容器201至少部分地由容器盖220覆盖。根据渗入液体容器201的液体，活塞230根据VCM 200的体积变化朝向换能器240移动。膜225可将VCM 200与活塞230隔开。活塞230在活塞壳体235中移动，活塞壳体围绕活塞230在其中移动的体积。活塞230与换能器240接触，换能器240测量由活塞230施加的力并生成代表所测量的力的电信号。换能器240位于换能器壳体238中。换能器壳体238可例如经由粘合剂、螺栓等附接到活塞壳体235。在一些情况下，活塞壳体235的外侧壁包括螺纹，容器盖220和换能器壳体238均被拧到该螺纹上。
图2A至图2C的湿度传感器公开了连接到换能器240的无线发送器255。在这种情况下，无线发送器255可位于换能器壳体238内。无线发送器255被配置成将电信号传输到远程位置，例如传输到云存储、因特网网关、与多个湿度传感器通信的服务器以及同一网络中的其他传感器等。本领域技术人员可选择传输电信号的方式，例如特定网络、通信协议、频带等。无线发送器255可物理地附接到换能器240并且经由连接器接收电信号。在一些其他情况下，无线发送器255可经由通信电缆252连接到换能器240。通信电缆252可由同轴电缆制成。在一些示例性情况下，无线发送器255可固定到湿度传感器并且位于换能器壳体238的外部。在一些情况下，无线发送器255可从湿度传感器可移除或可更换。在一些情况下，无线发送器255可连接到输出电信号的天线260。无线发送器255可处理从换能器240接收的电信号，例如向电信号添加目的地地址，或者根据适合天线260或信号目的地或网络的格式重新格式化电信号。在某些情况下，换能器壳体238具有如图2C所示的侧向延伸部248。侧向延伸部被配置成在通信电缆252比换能器壳体238的圆形形式更侧向延伸的情况下容纳通信电缆252。在一些情况下，根据通信电缆252、换能器240和无线发送器255的尺寸和架构，侧向延伸部248可从换能器壳体238移除。在移除侧向延伸部248的情况下，可使用垫圈来密封由移除引起的孔。图2A至图2C中描绘的实施例也可用可压缩插入物来执行，诸如本文通篇所述。
图3A至图3D示出了根据所公开主题的示例性实施例的嵌入灌溉设备中的湿度传感器。湿度传感器包括容纳VCM 300的液体容器301。液体容器301至少部分地被容器盖320覆盖。根据渗入液体容器301的液体，活塞330根据VCM 300的体积变化朝向换能器340移动。膜325可将VCM 300与活塞330隔开。活塞330在围绕活塞330在其中移动的体积的活塞壳体335中移动。活塞330与换能器340接触，换能器340测量由活塞330施加的力并生成代表所测量的力的电信号。换能器340位于换能器壳体338中。换能器壳体338可例如经由粘合剂、螺栓等附接到活塞壳体335。在某些情况下，活塞壳体335的外侧壁包括螺纹，容器盖320和换能器壳体338均被拧到该螺纹上。
灌溉设备包括连接到水管的水入口364。水管可向多个灌溉设备提供水。换能器340可操作地联接到次级活塞375。当活塞330朝向换能器340移动时，换能器也朝向次级活塞375移动。换能器的移动可在0.1毫米至20毫米的范围内。换能器340使次级活塞375向上移动，从而阻止水向灌溉设备的灌溉输出端385移动。水可从水入口364经由次级通道380流向灌溉输出端。因此，当次级活塞375向上移动时，根据容器301中VCM 300的体积，水无法经由次级通道380流到灌溉输出端385。当VCM 300的体积减小时，活塞330向下移动，结果换能器340和次级活塞375向下移动，从而允许水经由次级通道380流到灌溉输出端385。
灌溉设备包括被配置成容纳水入口364、灌溉出口385和次级通道380的灌溉壳体360。在一些示例性情况下，灌溉壳体360还包括连接器输出端362，该连接器输出端362被配置成将水从水入口364传递到另一个设备，例如另一个水管或另一个灌溉设备。灌溉壳体360可例如经由插入灌溉壳体360的底部中的壁龛中的螺栓390附接到换能器壳体338。在一些其他示例性情况下，灌溉壳体360可附接到活塞壳体335或容器盖320。
图3B示出了具有湿度传感器的灌溉设备的横截面。横截面图示出了连接到换能器340并且将电信号传送出灌溉设备的通信管342。形成为允许通信管342从换能器壳体338向外延伸的孔可由垫圈345密封。图3C示出了组装的灌溉设备。图3D的分解图示出了位于换能器壳体338的上部的两个孔390、孔391，其将灌溉壳体360固定到换能器壳体338。图3A至图3D所示的实施例也可用可压缩插入物来执行，诸如本文通篇所述。
图4A至图4C示出了根据所公开主题的示例性实施例的包括压力传感器的湿度传感器。湿度传感器包括容纳VCM 400的液体容器401。液体容器401至少部分地由容器盖420覆盖。根据渗入液体容器401的液体，压力换能器424检测VCM 400的体积变化。压力换能器424在围绕压力换能器424在其中移动的体积的活塞壳体435中移动。压力换能器424测量由VCM 400直接施加的压力，并生成代表所测量的压力的电信号。通信管427连接到压力换能器424，并且能够将电信号从湿度传感器中传送出去。通信管427可位于换能器壳体438中。换能器壳体438可例如经由粘合剂、螺栓等附接到活塞壳体435。在一些情况下，活塞壳体435的外侧壁包括螺纹，容器盖420和换能器壳体438均被拧到该螺纹。由通信管427引起的换能器壳体438中的孔可由垫圈445密封。该孔可位于换能器壳体438的顶部或换能器壳体438的侧壁中。
图4C示出了具有压力换能器424的湿度传感器的分解图。该分解图示出了被配置成插入活塞壳体435中的孔中的换能器基座422。换能器基座422被附接到较宽的块455。块455比活塞壳体435中的孔宽，并且限制了压力换能器424朝向液体容器401的向下移动。在一些示例性情况下，传感器壳体438包括被配置成固定块455的内环450。图4A至图4C中描绘的实施例也可用可压缩插入物来执行，诸如本文通篇所述。
图5示出了根据所公开主题的示例性实施例的位于特定区域中的多个深度中的多个湿度传感器。湿度传感器522、湿度传感器524、湿度传感器526将代表由VCM施加的力的电信号传递到远程装置520。远程装置520可存储信号、处理信号、生成定期报告、生成指示特定区域中各个位置的湿度水平的映射图等。远程装置520可包括无线发送器，用于将在远程装置520处生成的信号或数据传输到另一装置或因特网网关。远程装置520还可控制湿度传感器周围区域的灌溉。
多个湿度传感器522、524、526的至少一部分位于地面510下方。多个湿度传感器522、524、526被配置成测量树530附近的湿度水平。应当注意，树仅是示例性的，并且多个湿度传感器可位于多个液体吸收体积(LAV)中或可位于单个LAV中的不同位置。在一些示例性情况下，多个湿度传感器522、524、526分别使用通信电缆523、通信电缆525、通信电缆527传输由换能器生成的电信号。在一些其他情况下，多个湿度传感器522、524、526可使用低范围无线发送器(例如，蓝牙发送器)发送电信号。在一些示例性情况下，多个湿度传感器522、524、526可位于地面510下方的不同深度。例如，多个湿度传感器可被安装在插入地面的单个杆上，一个传感器设置在地面510下方0.7米处，并且另一个传感器设置在地面510下方1.7米处。由安装在不同深度的两个传感器提供的信号可帮助负责灌溉植物的人优化灌溉计划。
图6示出了根据所公开主题的示例性实施例的位于特定区域的多个位置的多个湿度传感器。图6示出了多棵树618、628、638。树618、树628、树638中的每一棵均与位于树附近的一个或多个湿度传感器相关联。树618与湿度传感器610、湿度传感器611、湿度传感器612相关联，树628与湿度传感器620、湿度传感器621、湿度传感器622相关联，并且树638与湿度传感器630、湿度传感器631、湿度传感器632相关联。多个湿度传感器(例如610、611、612)可在相同深度或不同深度。每棵树的多个湿度传感器可将电信号传输到与单棵树相关联的远程装置。例如，湿度传感器610、湿度传感器611、湿度传感器612将信号传输到远程装置615，湿度传感器620、湿度传感器621、湿度传感器622将信号传输到远程装置625，并且湿度传感器630、湿度传感器631、湿度传感器632将信号传输到远程装置635。在其他一些示例性情况下，单个远程装置与整个区域相关联，例如与50棵树相关联。因此，当每棵树与3个传感器相关联时，远程装置可从150个传感器接收信号。
图7A示出了根据所公开主题的示例性实施例的尺寸可调的湿度传感器。可以调节湿度传感器的高度，以使传感器的用户能够将液体容器701放置在各种深度。例如，相同的湿度传感器可位于表面下方20厘米、表面下方50厘米和表面下方80厘米的位置。液体容器701联接到固定到第一壳体725的容器盖720。第一壳体可包括活塞(未示出)和换能器。第一壳体725使用第一连接器730联接到第二壳体735。第一连接器730可为双面螺钉，使得能够从下方连接第一壳体725并且从上方连接第二壳体735。在一些实施例中，第一连接器被本发明的湿度传感器设备代替。这样，在一个尺寸可调的设备中可有多个传感器。如图7B所示，传感器-壳体-传感器模式可重复多次。一个设备中具有多个传感器允许在不同深度同时测量。因此，一个设备可确定同一位置的多个深度处的灌溉需求。第二壳体735经由第二连接器740联接到发送器壳体延伸部745，第二连接器740类似于第一连接器730起作用。在一些实施例中，在发送器壳体延伸部745之前，将多个传感器壳体中继器并入设备中。任选地，在发送器壳体延伸部745之前可有最终连接器740，而不管并入设备中的传感器的数量。在一些实施例中，该设备包括至少一个传感器。在一些实施例中，该设备包括多个传感器。在一些实施例中，该设备包括1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个传感器。每种可能性代表本发明的一个单独的实施例。在一些实施例中，不止一个传感器被连接器隔开，使得当传感器被插入LAV中时处于不同的深度。在一些实施例中，每个传感器相隔至少0.1米、0.2米、0.25米、0.3米、0.4米、0.5米、0.6米、0.7米、0.75米、0.8米、0.9米、1米、2米、3米、4米或5米。每种可能性代表本发明的一个单独的实施例。尽管图7B描绘了在一个设备中具有多个传感器的实施例，但是该特征可应用于本文所述的本发明的任何其他实施例。发送器壳体延伸部745联接到容纳无线发送器(未示出)的发送器壳体750。在一些情况下，发送器壳体750连接到安装在发送器壳体750的外表面上的太阳能电池板760。太阳能电池板760可电耦合到无线发送器，从而向发送器提供电力。在一些实施例中，太阳能电池板被配置成为设备、传感器、接收器、发送器或其组合供电。在一些实施例中，太阳能电池板位于设备的被配置成在设备的操作期间高于地面的区域中。
在一些示例性情况下，发送器壳体延伸部745联接到第一壳体725，并且第二壳体735被移除。这样，使用湿度传感器的人可调节液体容器701与发送器之间的距离，从而调节液体容器在湿度传感器周围的体积中的深度。在一些其他实施例中，湿度传感器包括连接换能器和发送器壳体750的单个壳体，该单个壳体以被可调节的方式设计，例如被设计为伸缩杆。
根据第一方面，提供了一种水势效应器设备，其包括透水壳体和体积变化材料(VCM)。本发明提供了一种包括透水壳体的水势效应器设备。透水壳体[101、201、301、401、701、801、901、1001、1101]被配置成插入含水介质或LAV中。在一个实施例中，含水介质是土壤。在一些实施例中，壳体在壳体的至少一部分上是透水的。在一些实施例中，整个壳体是透水的。在一些实施例中，壳体的特定区域是透水的。在一些实施例中，壳体的底部是透水的。在一些实施例中，壳体的至少一部分是透水的。在一个实施例中，壳体由多孔介质制成。在一些实施例中，透水部分或区域由多孔介质制成。在另外的实施例中，多孔介质是天然的、合成的或半合成的膜。在又一个实施例中，多孔介质是粘土。
在本发明的实施例中，壳体包括能够保持水的体积变化材料(VCM)。在一些实施例中，VCM能够吸收水。VCM[100、200、300、400、800、900、1000、1100]被配置成响应于含水介质中水势的变化而增加或减小其体积。在一些实施例中，壳体围绕包括VCM的区域。在一些实施例中，本发明的设备包括VCM。在一些实施例中，VCM响应于进入VCM的水的增加和减少而分别增加或减少其体积。在一些实施例中，VCM响应于水浓度的增加和减少而分别增加或减少其体积。在一些实施例中，水浓度是VCM中水的浓度。在一些实施例中，水浓度是含水介质中水的浓度。在一些实施例中，水浓度是VCM、含水介质或两者中的水的浓度。在一个实施例中，当含水介质中的水势增加时，水通过壳体到达VCM，从而致使VCM体积增大。在一些实施例中，VCM体积的增加建立了硬胀压。在一个实施例中，当含水介质中的水势降低时，水通过壳体从VCM排出到含水介质中，从而致使VCM体积减小。在本发明的一个实施例中，VCM与壳体的内表面直接接触。在一些实施例中，VCM与壳体的透水部分直接接触。在一个实施例中，壳体的内表面涂覆有VCM。在一些实施例中，壳体的整个内表面与VCM接触或涂覆有VCM。在又一个实施例中，壳体的内表面的仅一部分与VCM直接接触。在一些实施例中，壳体的内表面的仅一部分涂覆有VCM。
在本发明的一个实施例中，当VCM的体积增加时，它在操作上与接收器[803、903、1003、1103]接合。在一些实施例中，接收器是换能器[140、240、340]。在一些实施例中，接收器或换能器被配置成将由VCM施加的力转化成电信号或机械信号。在一些实施例中，接收器包括隔膜或膜。在一些实施例中，VCM接触隔膜或膜。本发明的接收器是但不限于压力传感器、力传感器、阀和计量器。在一些实施例中，接收器包括传感器。在一些实施例中，传感器被配置成感测VCM的体积。在一些实施例中，传感器包括压力传感器、力传感器、阀和计量器中的至少一个。在一些实施例中，接收器被配置成接合VCM。在一些实施例中，接收器被配置成在预定的水浓度阈值或高于预定的水浓度阈值时接合VCM。在一些实施例中，接收器被配置成在其达到预定体积或大于预定体积时接合VCM。在一些实施例中，接收器被配置成转换信号。在一些实施例中，接收器被配置成在接合时转换信号。在一些实施例中，接收器被配置成在脱离接合时转换信号。在一些实施例中，接收器被配置成在接合和/或脱离接合时转换信号。在一些实施例中，本发明的设备还包括如本文所述的接收器。
在一些实施例中，壳体还包括被配置成维持预定的内部压力的可压缩插入物[105、905、1005、1105]。在一些实施例中，壳体围绕包括插入物的区域。在一些实施例中，本发明的设备包括插入物。插入物被配置成响应于VCM施加的力而改变其体积。在一些实施例中，插入物配置成响应于施加到其上的力而改变其体积。在一些实施例中，插入物被配置成维持壳体内的预定压力。在一些实施例中，插入物被配置成维持壳体内的至少预定压力。在一些实施例中，插入物被配置成在由VCM施加的最大压力下不破裂。VCM可施加的最大压力会发生在当VCM水饱和100％时。VCM不含水时会施加最低压力。在此类情况下，插入物在设备内占据其最大体积，并在设备内保持最小的预定压力。维持此类最小压力是有利的，因为它增强了设备以防止潜在的破裂或变形。当设备周围的土壤移动或被压缩时，它可在设备的壳体上施加物理力。由于壳体必须是透水的，因此壳体是由刚性的或不是很坚固的材料制成的，诸如粘土。如果未在设备中维持最小压力，则它可在周围土壤的压力下更容易变形，尤其是如果这种力足以克服壳体的强度的情况下。
在本发明的一些实施例中，当VCM的体积增加时，它推动插入物，并且插入物在操作上与接收器[803、903、1003、1103]接合。在一些实施例中，接收器或换能器被配置成将由插入物施加的力转化成电信号或机械信号。在一些实施例中，插入物接触隔膜或膜。在一些实施例中，插入物和/或VCM变得在操作上与接收器[803、903、1003、1103]接合。在一些实施例中，接收器或换能器被配置成将由插入物和/或VCM施加的力转化成电信号或机械信号。在一些实施例中，插入物和/或VCM接触隔膜或膜。
本发明的插入物可含有气体、液体、固体、半固体材料或其组合。在本发明的一个实施例中，插入物对于气体、固体、半固体或液体介质不可渗透。在一些实施例中，插入物包括充气体积。在一些实施例中，插入物是填充有气体、液体、固体、半固体材料或其组合物的气囊或囊。每种可能性代表本发明的一个单独的实施例。在一些实施例中，插入物在VCM上施加的压力不足以将水从VCM推出。在一些实施例中，插入物在VCM上施加的压力不足以阻止水进入VCM的能力。在一些实施例中，在来自VCM的高压下，插入物在VCM上施加压力，这可减缓水的进入。在一些实施例中，在校准设备时考虑插入物的这种反压力。
图10A和图10B示出了另一实施例，其中可压缩插入物的开口通过直接物理接触在操作上与接收器[1003]接合。当水渗入壳体[1001]中时，VCM[1000]的体积增加，从而在壳体内形成硬胀压。该压力触发插入物[1005]的压缩(如图10B所示)，这继而触发施加到接收器[1003]的力的增加。图1B、图10A至图10B和图11A至图11B中所示的插入物[105、1005、1105]的配置是特别有利的，因为它增强了本发明的水势效应器设备的灵敏度并且使得能够感测水势中的细微变化。
图11A和图11B示出了其中可压缩插入物的开口通过隔膜[1102]在操作上与接收器接合的实施例。术语“开口(opening)”是指接触区域。当水渗入壳体[1101]中时，VCM[1100]的体积增加，从而在壳体内形成硬胀压。增大的压力触发插入物[1105]的压缩(如图11B所示)，从而触发施加到隔膜[1102]并且随后施加到接收器[1103]的力的增加。在一些实施例中，隔膜响应于施加的力而变形。在一些实施例中，没有隔膜，并且力被直接施加到接收器。在某些实施例中，隔膜的变形使电路闭合。
图9A和图9B示出了可压缩插入物[905]的开口朝向壳体[901]的底部定向的又一实施例。当水渗入壳体[901]中时，VCM[900]的体积增加，从而在壳体内形成硬胀压。压力触发插入物[905]的压缩(如图9B所示)，并且施加到隔膜[902]和接收器[903]的力增加。在一些实施例中，力被直接施加到接收器，并且没有隔膜。
在一些实施例中，VCM接合接收器。在一些实施例中，插入物接合接收器。在一些实施例中，VCM和插入物接合接收器。在一些实施例中，接收器被配置成接合VCM、插入物或两者。在一些实施例中，接收器以预定的水浓度阈值接合VCM、插入物或两者。在一些实施例中，接收器以预定的水势阈值接合VCM、插入物或两者。在一些实施例中，仅VCM或插入物的限定区域接触接收器或隔膜。在一些实施例中，插入物接触接收器或隔膜，并且接触面积小于插入物与VCM的接触面积。本领域技术人员将理解，通过在VCM和插入物之间具有较大的接触面积，VCM中水浓度的微小变化将对施加在插入物上的力具有指数级的较大影响。如果在插入物的整个表面积周围VCM体积均匀增加发生，即使很小的增加也会极大地影响插入物内的压力。如果插入物和接收器之间的接触面积相对较小，则将在这个小面积上施加所有力。在这种情况下，水浓度的微小变化会致使插入物向接收器施加很大的力。在一些实施例中，插入物和VCM之间的接触面积与插入物和接收器之间的接触面积之比为至少2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1、45∶1、50∶1或100∶1。每种可能性代表本发明的一个单独的实施例。在一些实施例中，插入物的仅一部分接触接收器。在一些实施例中，该设备包括刚性分离器，该刚性分离器将插入物、VCM或两者的一部分与接收器分隔，使得插入物、VCM或两者的仅一部分接合接收器。
在一些实施例中，插入物具有均匀的厚度。在一些实施例中，插入物具有均匀的弹性。在一些实施例中，响应于给定压力，插入物在其整个表面上以相同的速率均匀地压缩或膨胀。在一些实施例中，插入物不是均匀的。在一些实施例中，插入物的至少一部分响应于内部压力而更容易变形。在一些实施例中，插入物的至少一部分响应于内部压力而较不容易变形。在一些实施例中，插入物的与接收器接触的区域响应于压力而更容易变形。在一些实施例中，插入物的与接收器接触的区域响应于压力而较不容易变形。
在一些实施例中，插入物被VCM围绕。在一些实施例中，插入物的整个长度被VCM包围。在一些实施例中，插入物在三个侧面上被VCM包围，并且第四侧面接触接收器或隔膜。在一些实施例中，插入物在三个侧面上被VCM包围，并且第四侧面接触壳体。在一些实施例中，对插入物的内部压力和不带水的VCM的压力进行校准，使得VCM中的水浓度的预定增加将致使接合接收器所必需的VCM、插入物或两者的膨胀。
在本发明的一些实施例中，壳体不包括可压缩插入物。当水渗入壳体[101]中时，VCM[100]的体积增加，从而在壳体内形成硬胀压。当VCM完全肿胀或达到预定阈值时，将力施加到隔膜[102]，这继而将力施加到接收器[103]。另选地，没有隔膜，并且力被直接施加到接收器。
在一个实施例中，壳体中VCM的浓度为至少5％。在另一个实施例中，VCM的浓度在5％至90％之间。在一个实施例中，VCM的浓度在10％至70％之间。在另外的实施例中，VCM的浓度在10％至50％之间。在又一个实施例中，VCM的浓度在10％至30％之间。在一些实施例中，壳体内的空间的至少5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％或90％是VCM。每种可能性代表本发明的一个单独的实施例。在一些实施例中，壳体内的空间的5％至90％、10％至90％、15％至90％、20％至90％、5％至85％、10％至85％、15％至85％、20％至85％、5％至80％、10％至80％、15％至80％、20％至80％、5％至75％、10％至75％、15％至75％、20％至75％、5％至70％、10％至70％、15％至70％、20％至70％、5％至65％、10％至65％、15％至65％、20％至65％、5％至60％、10％至60％、15％至60％、20％至60％、5％至55％、10％至55％、15％至55％、20％至55％、5％至50％、10％至50％、15％至50％、20％至50％、5％至45％、10％至45％、15％至45％、5％至40％、10％至40％、15％至40％、20％至40％、20％至45％、5％至35％、10％至35％、15％至35％、20％至35％、5％至30％、10％至30％、15％至30％或20％至30％是VCM。在一些实施例中，剩余的体积被插入物占据。在一些实施例中，内部空间基本上没有空的空间。
在本发明的一个实施例中，VCM是水凝胶。在一些实施例中，VCM包括杀生物剂。在一些实施例中，杀生物剂是农药。在一些实施例中，杀生物剂是抗生素。在一些实施例中，杀生物剂杀死霉菌、细菌、孢子和真菌中的至少一种。在一些实施例中，水凝胶是杀生物剂。
在一个实施例中，水凝胶由丙烯酸、甲基丙烯酸、2-溴丙烯酸、2-(溴甲基)丙烯酸、2-乙基丙烯酸、甲基丙烯酸、2-丙基丙烯酸、丙烯酸钠、甲基丙烯酸钠或其衍生物或氢氧化钠或与单体共混的类似氢氧化物的均聚物或共聚物制成。在又一个实施例中，将水溶液中5％至70％的初始单体浓度与二丙烯酸酯或二丙烯酰胺或二乙烯基的交联剂聚合。在一个实施例中，交联剂浓度在0％wt/wt至20％wt/wt的范围内。在一个实施例中，形成的聚合物是聚丙烯酸的聚合物。在另一个实施例中，形成的聚合物是聚丙烯酸钠盐的聚合物。
在本发明的另一个实施例中，水凝胶由烷基丙烯酰胺、N-(3-氨基丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐、N-叔丁基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N,N-二乙基甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-[3-(二甲基氨基)丙基]甲基丙烯酰胺、N-乙基丙烯酰胺、N,N'-六亚甲基双(甲基丙烯酰胺)、N-羟基乙基丙烯酰胺、N-(羟基甲基)丙烯酰胺、(4-羟基苯基)甲基丙烯酰胺、2-羟基丙基-甲基丙烯酰胺、N-(异丁氧基甲基)丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-异丙基甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺及其衍生物制成。
在一个实施例中，丙烯酸、丙烯酰胺、马来酸酐共聚物、聚乙烯醇共聚物、交联聚环氧乙烷、交联羧甲基纤维素和淀粉接枝共聚物的共聚物用于控制水凝胶的机械性能，以及其在限制壳体内的膨胀和消膨胀。
在另一个实施例中，丙烯酸的盐衍生物用于干燥起始。在另一个实施例中，水凝胶还包括预溶解在水凝胶中的肥料盐。肥料的添加增加了渗透压，并引发了从干燥状态膨胀的至少80％的增加。由于渗透压升高，丙烯酰胺衍生物在富含盐分的土壤中的快速响应显而易见。
在一个实施例中，水凝胶被配置成维持其热稳定性。在一个实施例中，共轭水分子存在于聚合物中。聚合物中的共轭水起防冻剂的作用，从而将凝胶的冷冻温度降低至-5℃，并保持水凝胶的不脆。该温度与任何含有活植物的土壤有关。
在一些实施例中，该设备可操作地链接到灌溉系统。在一些实施例中，接收器向灌溉系统发送信号。在一些实施例中，灌溉系统由设备启动或关闭。在一些实施例中，灌溉系统响应于所转换的信号而启动或关闭。在一些实施例中，该信号关闭灌溉系统。在一些实施例中，缺乏信号会启动灌溉系统。在一些实施例中，当接收器未接合时，它发出信号以启动灌溉系统，而当接收器接合时，它发出信号以关闭灌溉系统。在一些实施例中，该设备可操作地链接到土壤水势测量系统。在一些实施例中，该装置链接到存储器或存储装置。在一些实施例中，该设备链接到地面读数或显示器。
在一些实施例中，该设备用于湿度感测。在一些实施例中，该设备用于测量水势。在一些实施例中，该设备用于影响含水介质中的水势。在一些实施例中，该设备被插入含水介质中。在一些实施例中，含水介质在设备附近。在一些实施例中，含水介质在设备的1米、2米、3米、4米、5米、7米、10米、15米、20米、25米、30米、35米、40米、45米或50米之内。每种可能性代表本发明的一个单独的实施例。
在本发明的上下文中，图2A至图2B、图3A至图3B和图4A至图4B所示的水势效应器设备具有可压缩插入物[201、301、401]的某些优点。优点是但不限于改善的耐用性；更大的感应能力；耐极端温度条件，诸如冻土。例如，可压缩插入物允许控制壳体内的压力，并承受由于土壤冻结而导致的VCM体积急剧增加，从而防止壳体爆炸。因此，本发明的设备可全年插入土壤中，并在各种气候条件下保持其功能性，而无需任何维护要求。可压缩插入物的附加优点是缩短了VCM到达换能器所需的时间，从而开始生成所需的输出。
本文使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式。还应当理解，当在本说明书中使用术语“包括(comprises)”或“包括(comprising)”时，其指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件组件和/或组或其组合的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或组或其组合的存在或添加。如本文所用，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”、“包含(including)”、“具有(having)”及其配合词意指“包括但不限于”。术语“由……组成(consisting of)”意指“包括并限于”。
如本文所用，术语“和/或(and/or)”包括任何和所有可能的组合或一个或多个相关联的所列项目，以及当以替代方式(“或(or)”)解释时缺乏组合。
除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。还应当理解，除非本文明确定义，否则诸如在常用词典中定义的那些术语应被解释为具有与其在说明书和权利要求书的上下文中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来解释。为了简洁和/或清楚起见，可能没有详细描述众所周知的功能或构造。
应当理解，当一个元件被称为“在另一个元件上”、“附接”到另一个元件、“可操作地联接”到另一个元件、与“另一个元件可操作地接合”、“连接”到另一个元件、与“另一个元件耦合(”、“接触”另一个元件，等等，它可直接在另一个元件上、附接到另一个元件、连接到另一个元件、可操作地耦合到另一个元件、与另一个元件可操作地接合、与另一个元件耦合和/或接触另一个元件，或者也可存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接接触”另一个元件时，则不存在中间元件。
应当理解，尽管术语第一、第二等在本文中可用于描述各种元件、组件、区域、层和/或区段，但是这些元件、组件、区域、层和/或区段不应受这些术语的限制。而是，这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层和/或区段与另一元件、组件、区域、层和/或区段区分开来。
为了清楚起见，在单独的实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可在单个实施例中组合提供。相反，为简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可单独地提供，或者以任何合适的子组合提供，或者在本发明的任何其他所述的实施例中合适地提供。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不应被认为是那些实施例的必要特征，除非该实施例在没有那些元件的情况下不可操作。
在整个申请中，本发明的各种实施例可以以范围格式呈现。应当理解，范围格式的描述仅是为了方便和简洁，而不应被解释为对本发明范围的不灵活的限制。因此，范围的描述应该被视为已明确公开了所有可能的子范围以及该范围内的各个数值。例如，对诸如从1至6的范围的描述应视为已明确公开了子范围，诸如从1至3、从1至4、从1至5、从2至4、从2至6、从3至6等，以及该范围内的各个数字，例如1、2、3、4、5和6。无论范围有多宽，这一点都适用。
每当在本文中指示数值范围时，其意指包括在指示范围内的任何引用数字(分数或整数)。短语在第一指示数字和第二指示数字“之间的变化范围/范围”和从第一指示数字“到”第二指示数字的“变化范围/范围”在本文中可互换使用，并且意在包括第一指示数字和第二指示数字以及它们之间的所有小数和整数。
本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过引用整体并入本文。如有冲突，应以专利说明书(包括定义)为准。另外，材料、方法和示例仅是说明性的，并不旨在是限制性的。
本领域技术人员将理解，本发明不限于上文已具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围由所附权利要求书限定，并且包括上述各种特征的组合和子组合以及其变化和修改，本领域技术人员在阅读前述描述时会想到这些变化和修改。

Claims (22)

1.一种设备，包括：
a.壳体，其包括至少一个透水部分；
b.体积变化材料(VCM)，其能够保持水，其中所述VCM响应于水浓度的增加或减少而分别增加或减少其体积，并且其中所述VCM与所述壳体的所述至少一个透水部分的内表面直接接触；
c.可压缩插入物，其被配置成在所述设备内维持至少预定的内部压力；以及
d.接收器，其被配置成在预定的水浓度阈值或高于预定的水浓度阈值两者下接合所述VCM、所述可压缩插入物或两者，并且被配置成在接合时、脱离时或两者时转换信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述VCM填充所述壳体内所述空间体积的10％至90％。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述可压缩插入物填充所述壳体内未被所述VCM填充的任何空间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中所述接收器被配置成将由所述VCM、所述可压缩插入物或两者施加的力转化成电信号或机械信号。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中所述接收器包括压力传感器、行进传感器、力传感器、阀或计量器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述透水部分包括多孔材料。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述多孔介质是天然的、合成的或半合成的膜。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的设备，其中所述可压缩插入物包括充气内部体积。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中所述VCM包括水凝胶。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，其中所述VCM包括杀生物剂。
11.根据权利要求1至10所述的设备，其中所述水凝胶是杀生物剂。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备，其中所述VCM包括丙烯酸、甲基丙烯酸、2-溴丙烯酸、2-(溴甲基)丙烯酸、2-乙基丙烯酸、甲基丙烯酸、2-丙基丙烯酸、丙烯酸钠、甲基丙烯酸钠或其衍生物、氢氧化钠、或其与二丙烯酸酯、二丙烯酰胺和二乙烯基的交联剂聚合的均聚物、杂聚物或衍生物。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备，其中所述VCM包括烷基丙烯酰胺、N-(3-氨基丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐、N-叔丁基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N,N-二乙基甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-[3-(二甲基氨基)丙基]甲基丙烯酰胺、N-乙基丙烯酰胺、N,N'-六亚甲基双(甲基丙烯酰胺)、N-羟基乙基丙烯酰胺、N-(羟基甲基)丙烯酰胺、(4-羟基苯基)甲基丙烯酰胺、2-羟基丙基-甲基丙烯酰胺、N-(异丁氧基甲基)丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-异丙基甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺，或其与二丙烯酸酯、二丙烯酰胺和二乙烯基的交联剂聚合的均聚物、杂聚物或衍生物。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的设备，其中所述VCM包括马来酸酐共聚物、聚乙烯醇共聚物、交联聚环氧乙烷、交联羧甲基纤维素或淀粉接枝共聚物的共聚物。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的设备，还包括在所述VCM、所述插入物或两者与所述接收器之间的隔膜，其中所述隔膜将来自所述VCM、所述插入物或两者的力传递到所述接收器。
16.根据权利要求1至15中的任一项所述的设备，其中所述设备可操作地链接到灌溉系统，使得所述灌溉系统响应于所述转换的信号而启动或关闭。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的设备，其中所述设备可操作地链接到土壤水势测量系统。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的设备，其用于测量水势。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的设备，其用于在所述设备附近的含水介质中影响所述水势。
20.一种用于在可变深度处测量水势的湿度传感器设备，其包括：
a.根据权利要求1至19中任一项所述的至少一个设备；
b.至少一个可变扩展器，其被配置成将所述至少一个设备以预定深度插入含水介质中；
c.发送器，其被配置成无线地发送关于由所述湿度传感器设备测量的水势的数据。
21.根据权利要求20所述的设备，包括根据权利要求1至19中的任一项所述的多个设备，其中所述设备各自被所述至少一个可变扩展器隔开。
22.根据权利要求1至21中的任一项所述的设备，还包括被配置成向所述设备供电的太阳能电池板，并且其中所述太阳能电池板位于所述设备的被配置成在所述设备的操作期间高于地面的区域中。
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