CN117871548A - 传感器装置、水分含量测量装置、水分含量测量方法、信息处理装置和信息处理方法 - Google Patents

传感器装置、水分含量测量装置、水分含量测量方法、信息处理装置和信息处理方法 Download PDF

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Abstract

根据本技术的实施方式的传感器装置包括传感器头和测量单元。传感器头包括第一探头和第二探头，第一探头包括用于发射的第一天线部，第二探头包括用于接收的第二天线部，第二探头与第一探头相距特定距离并面对第一探头。测量单元包括信号生成部，信号生成部生成测量信号，测量信号包括关于第一天线部与第二天线部之间的介质中的电磁波传播特性的信息。

Description

传感器装置、水分含量测量装置、水分含量测量方法、信息处 理装置和信息处理方法
本申请是申请日为2018年4月18日、申请号为201880034469.3、发明名称为“传感器装置、水分含量测量装置、水分含量测量方法、信息处理装置和信息处理方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本技术涉及用于测量诸如土壤的介质中的水分含量的传感器装置、水分含量测量装置、水分含量测量方法、信息处理装置和信息处理方法。
背景技术
已知有时域反射法(TDR)作为用于测量介质中的水分含量的方法。这种方法包括沿着嵌入在介质中的金属探头发射电磁波，并且从基于电磁波的反射响应而测量的相对介电常数来计算介质中的水分含量(例如，参见专利文献1)。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开平第H10-90201号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，存在以下问题，其中，由于TDR使用介质中的探头附近的电磁波传播特性来测量相对介电常数，在探头附近产生的间隙对测量具有很大影响，并且因此不可能正确地测量相对介电常数。
鉴于上述情况，本技术的目的是提供能够改善介质的相对介电常数测量或介质中的水分含量测量的精度的传感器装置、水分含量测量装置、水分含量测量方法、信息处理装置和信息处理方法。
解决技术问题的手段
根据本技术的实施方式的传感器装置包括传感器头和测量单元。
传感器头包括第一探头和第二探头，第一探头包括用于发射的第一天线部，第二探头包括用于接收的第二天线部，第二探头与第一探头相距特定距离并面对第一探头。
测量单元包括生成测量信号的信号生成部，该测量信号包括关于第一天线部与第二天线部之间的介质中的电磁波传播特性的信息。
传感器装置获得分别执行电磁波的发射和接收的第一探头与第二探头之间的介质中的电磁波传播特性。通过使第一探头与第二探头之间的距离足够大于每个探头附近产生的间隙，可以使间隙对相对介电常数或水分含量的测量的影响减小到足以忽略的程度。
传感器装置经由第一天线部和第二天线部发射和接收电磁波，这防止由于探头共振而降低测量精度。
第一探头和第二探头可以各自由包括芯线部和屏蔽部的同轴电缆构成。在这种情况下，第一天线部和第二天线部可以各自被构造为设置在屏蔽部的一部分中的开口部。
这使得能够获得包括天线部的探头的简单结构。
第一探头和第二探头可各自包括电性连接在芯线部的末端部与屏蔽部之间的末端电阻。
这防止发射信号和接收信号在探头的末端处的不希望的反射。
传感器头可以进一步包括电磁波吸收材料。该电磁波吸收材料设置在第一探头和第二探头的中，以覆盖屏蔽部中的开口部周围的一部分。
这抑制发射信号和接收信号从开口部以外的区域泄漏。
电磁波吸收材料可以包括铁氧体。
传感器头可以进一步具有包括第一臂、第二臂部和连接第一臂和第二臂的连接部，并且第一探头和第二探头可以分别由分别设置在第一臂和第二臂中的带状线构成。这使得能够获得简单并且坚固的传感器头的结构，并且能够改善操纵性能。
在这种情况下，测量单元可以安装在连接部上。
这使得传感器头和测量单元能够彼此整合为一体。
传感器头可以进一步包括温度检测部。该温度检测部设置在第一探头或第二探头的至少一个中，并且能够检测介质的温度。
这使得能够获得用于校正测量数据的关于介质温度的信息。
传感器头可以进一步包括电导率检测部。电导率检测部设置在第一探头或第二探头的至少一个中，并且能够检测介质的电导率。
这使得能够获得用于校正测量数据的关于介质电导率的信息。
信号生成部可以包括信号产生器和正交检波器。信号产生器将向第一探头输入特定频率的脉冲信号。正交检波器对第二探头的输出进行正交检波。
这使得能够生成关于在探头之间传播的电磁波的传播延迟时间的信息。
测量单元可以进一步包括能够将测量信号发射到信息处理装置的通信部。
这使得能够将测量信号提供给布置在与观察点不同的位置中的信息处理装置。
根据本技术的实施方式的水分含量测量装置包括传感器头、测量单元和信号处理部。
传感器头包括第一探头和第二探头，第一探头包括用于发射的第一天线部，第二探头包括用于接收的第二天线部，第二探头与第一探头相距特定距离并面对第一探头。
测量单元生成测量信号，测量信号包括关于第一天线部与第二天线部之间的介质中的电磁波传播特性的信息。
信号处理部基于测量信号来测量介质中的水分含量。
信号处理部可以包括延迟时间计算部、相对介电常数计算部和水分含量计算部。延迟时间计算部基于测量信号来计算第一探头与第二探头之间的电磁波传播延迟时间。相对介电常数计算部基于传播延迟时间来计算介质的相对介电常数。水分含量计算部基于相对介电常数来计算介质中的水分含量。
传感器头可以进一步包括能够检测介质的温度的温度检测部，并且信号处理部可经配置以根据温度检测部的输出来校正水分含量。
传感器头可以进一步包括能够检测介质的电导率的电导率检测部，并且信号处理部可经配置以根据电导率检测部的输出来校正水分含量。
根据本技术的实施方式的水分含量测量方法包括以下步骤：通过第二探头的第二天线部接收从布置在介质中的第一探头的第一天线部发射的电磁波，并且生成测量信号，测量信号包括关于电磁波的传播特性的信息，第二探头布置在介质中并与第一探头相距特定距离。使用测量信号测量介质中的水分含量。
水分含量的测量可以包括以下步骤：基于测量信号计算所测量的电磁波的传播延迟时间，基于传播延迟时间计算介质的相对介电常数，和基于相对介电常数计算介质中的水分含量。
介质可以是土壤。
根据本技术的实施方式的信息处理装置包括延迟时间计算部、相对介电常数计算部和水分含量计算部。
延迟时间计算部基于从第一探头的第一天线部发射并由第二探头的第二天线部接收的电磁波，来计算第一探头与第二探头之间的电磁波传播延迟时间，第一探头布置在介质中，第二探头布置在介质中并与第一探头相距特定距离处。
相对介电常数计算部基于传播延迟时间计算介质的相对介电常数。
水分含量计算部基于相对介电常数计算介质中的水分含量。
根据本技术的实施方式的信息处理方法包括以下步骤：使用从第一探头的第一天线部发射并由第二探头的第二天线部接收的电磁波，来计算第一探头与第二探头之间的电磁波传播延迟时间，第一探头布置在介质中，第二探头布置在介质中并与第一探头相距特定距离处。
基于传播延迟时间计算介质的相对介电常数。
基于相对介电常数计算介质中的水分含量
发明的效果
如上所述，本技术使得能够改善介质的相对介电常数或介质中的水分含量的测量的精度。
注意本文描述的效果不必是限制性的，并且可以是本公开内容中描述的任何效果。
附图说明
图1示意性图示根据本技术的第一实施方式的包括传感器装置的水分含量测量装置的结构。
图2是图示水分含量测量装置的结构的框图。
图3是图示水分含量测量装置中的测量单元的结构的框图。
图4是本技术的实施方式中的水分含量测量方法的流程图。
图5是解释TDR的示意图。
图6图示表明间隙对通过TDR获得的测量值所具有的影响的实验结果。
图7图示将通过上述测量方法获得的测量值与通过土壤采样方法获得的测量值比较的实验结果。
图8是解释由水分含量测量装置提供的效果的图表。
图9是解释由水分含量测量装置提供的效果的图表。
图10是解释由水分含量测量装置提供的效果的图表。
图11是解释由水分含量测量装置提供的效果的图表。
图12示意性图示根据本技术的第二实施方式的包括传感器装置的水分含量测量装置的结构。
图13是解释由水分含量测量装置提供的效果的图表。
图14是解释由水分含量测量装置提供的效果的图表。
图15是解释由水分含量测量装置提供的效果的图表。
图16是解释由水分含量测量装置提供的效果的图表。
图17示意性图示根据本技术的第三实施方式的包括传感器装置的水分含量测量装置的结构。
图18是示意性图示根据本技术的第四实施方式的传感器装置的结构的前视图。
图19是示意性图示根据本技术的第四实施方式的包括传感器装置的结构的局部剖视侧视图。
图20示意性图示根据本技术的实施方式的传感器装置的变形例。
图21示意性图示根据本技术的实施方式的传感器装置的变形例。
图22示意性图示根据本技术的实施方式的传感器装置的变形例。
图23示意性图示根据本技术的实施方式的传感器装置的变形例。
图24示意性图示根据本技术的实施方式的传感器装置的变形例。
图25示意性图示根据本技术的实施方式的传感器装置的变形例。
图26示意性图示根据本技术的实施方式的传感器装置的变形例。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述根据本技术的实施方式。
<第一实施方式>
图1示意性图示根据本技术的实施方式的包括传感器装置的水分含量测量装置的结构。图2是图示水分含量测量装置的结构的框图。
[水分含量测量装置]
本实施方式的水分含量测量装置100包括传感器装置10和信号处理单元50。在本实施方式中，说明将本技术应用于测量农作物将要生长的土壤的水分含量的示例。
传感器装置10获取介质(土壤)M中的电磁波传播特性，并生成用于计算介质M的相对介电常数的测量信号S1。信号处理单元50从传感器装置10接收测量信号S1，并使用测量信号S1计算介质M中的水分含量。
下面详细描述每个部件。
传感器装置10包括传感器头20和测量单元30。
(传感器头)
传感器头20包括发射探头21(第一探头)和接收探头22(第二探头)。传感器头20分别包括天线部210和天线部220(第一天线部和第二天线部)，天线部210和天线部220布置在诸如土壤的介质M中，并且使得能够在发射探头21和接收探头22之间发射和接收特定频率的电磁波EW。
发射探头21和接收探头22以大概竖直的姿态埋入介质M中，使得发射探头21和接收探头22彼此相距距离D处并且彼此面对。发射探头21和接收探头22各自由包括芯线部C1和屏蔽部C2的同轴电缆构成。电缆的厚度和长度不受特别限制，并且电缆可以具有任意厚度和任意长度。例如，如果电缆具有2mm至6mm的厚度(直径)，那么电缆能容易地插入土壤中。芯线部C1由铜线构成，并且屏蔽部C2由铜管构成，然而屏蔽部C2可以由铜线制成的网构成。尽管未图示屏蔽部C2的外表面，但是屏蔽部C2的外表面覆盖有由绝缘材料构成的保护层。
发射探头21连接至测量单元30的输出端子34(参见图3)，并且将发射信号从测量单元30发射至天线部210。天线部210设置在发射探头21的端部(末端)上或设置在发射探头21的端部附近，并且将对应于发射信号的电磁波EW发射到接收探头22。
接收探头22连接至测量单元30的输入端子35(参见图3)，使用天线部220接收电磁波EW，并且将接收信号输入至测量单元30。天线部220设置在接收探头22的端部(末端)上或设置在接收探头22的端部附近，使得天线部220面对发射探头21的天线部210。天线部210和天线部220不限于分别设置在探头21和探头22的端部，并且可以分别设置在任意位置，诸如探头21和探头22的中心位置。
天线部210和天线部220用于在探头21和探头22的相应特定位置处局部地发射和接收电磁波EW，并且天线部210和天线部220通常各自由微小天线构成，天线部210和天线部220的微小天线的尺寸形成得足够小，而不使相应的探头21和探头22共振。这使得能够防止测量精度由于探头21和探头22的共振而降低。
在本实施方式中，天线部210和天线部220各自包括设置在屏蔽部C2的一部分中的开口部H。换言之，探头21和探头22各自由泄露同轴天线构成，泄露同轴天线具有作为无线电波泄漏部的天线部210和天线部220。
开口部H具有开口形状，诸如矩形、圆形、椭圆形或卵形，并且在本实施方式中，开口部H形成为具有卵形形状，该卵形形状分别在探头21和探头22的纵向方向上具有长轴。开口部H的长轴可以根据要使用的电磁波EW的波长适当设定。例如，当电磁波EW的波长为500MHz至8GHz时，开口部H的长轴的长度是大约约5mm至15mm。
发射探头21和接收探头22各自具有末端电阻23。末端电阻23电性连接于芯线部C1的末端与屏蔽部C2之间。这防止发射信号和接收信号在探头的末端处不希望的反射。
有利的是，发射探头21和接收探头22的端部覆盖有电磁波穿透性保护部件(未示出)，电磁波穿透性保护部件(未示出)覆盖天线部210和天线部220。
发射探头21和接收探头22还各自包括包含电磁波吸收材料的套筒24。套筒24覆盖探头21和探头22的天线部210和天线部220(开口部H)周围的外周面，并且防止发射信号和接收信号从开口部H以外的区域泄漏。
铁氧体主要用作构成套筒24的电磁波吸收材料，但不限于此，并且根据例如电磁波EW的频率，可以使用任何其他高穿透性材料，诸如铝硅铁合金或坡莫合金。套筒24可以根据需要省略，或者可以仅设置在探头21和探头22中的一个中。
发射探头21与接收探头22之间的距离D的大小不受特别限制，并且例如为20mm至100mm。如果距离D大于100mm，那么传播通过介质M的电磁波EW的衰减增加，这可能造成无法获得足够的接收强度的风险。另一方面，如果距离D小于20mm，那么在技术上难以进行观察。此外，如果距离D较短，那么在探头21和探头22附近形成的间隙具有较大影响，这可能造成无法正确地测量相对介电常数或水分含量的风险。
间隙是形成在介质M与探头21和探头22周围的一部分之间的空气层，并且是当探头21和探头22从介质M的表面埋入介质M中时、或者当探头21和探头22在介质M中移动时形成的。如稍后描述的，为了以高精度测量介质M的相对介电常数或介质M中的水分含量，间隙的尺寸(空气层的厚度)最好较小，但通常可能产生约1mm的间隙。
(测量单元)
图3是图示测量单元30的结构的框图。
测量单元30包括信号生成部31和通信部32。测量单元30通常由网络分析仪构成。
例如，信号生成部31包括控制器310、信号产生器311、移相器313和混频部315。信号生成部31生成测量信号S1，测量信号S1包括关于探头21的天线部210与接收探头22的天线部220之间的介质M中的电磁波EW的传播特性的信息。
控制器310由包括例如中央处理单元(CPU)和存储器的计算机构成，并且控制测量单元30的部件，包括信号产生器311和通信部32。
信号产生器311产生特定频率的发射信号F，并且将发射信号F经由放大器312和输出端子34输入到发射探头21。信号产生器311生成脉冲波(脉冲信号)作为发射信号F，但是可以被配置成产生连续波作为发射信号F。
信号产生器311可以具有发射信号F的扫频的功能。在这种情况下，信号产生器311根据由控制器310给出的指令来生成例如500MHz到8GHz的发射信号F。
移相器313将发射信号F分离成两个信号，所述两个信号的相应相位彼此相差90度，并且移相器313将所述两个信号输入到混频部315。混频部315将接收信号与从移相器313输出的两个信号混频，以将这些信号调制成两个响应信号(I信号/Q信号)，所述接收信号经由输入端子35和放大器314从接收探头22输入，所述两个响应信号彼此正交。这些响应信号经由AD转换器316从模拟信号转换为数字信号，以便在控制器310中生成为测量信号S1。
移相器313和混频部315构成对接收探头22的输出进行正交检波(IQ检波)的正交检波器。I信号和Q信号的平方和对应于接收信号的强度，I信号和Q信号的平方和的平方根对应于接收信号的幅度，并且I信号和Q信号的反正切对应于相位。
通信部32由包括用于通信的天线通信模块构成。通信部32用于将测量信号S1从传感器装置10无线发射到信号处理单元50。这使得能够将测量信号S1提供给布置在与观察点不同的位置中的信号处理单元50。结构不限于此，并且传感器装置10可以经由例如配电电缆连接至信号处理单元50。
(信号处理单元)
如图2中所示，信号处理单元50包括延迟时间计算部51、相对介电常数计算部52与水分含量计算部53、以及存储器54。信号处理单元50由信息处理装置构成，信息处理装置使用从传感器装置10(测量单元30)发射的测量信号S1来测量介质M中的水分含量。
信息处理装置可以通过在计算机中使用的硬件部件(诸如CPU，随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM))和通过必要的软件来提供。作为CPU的替代或补充，可以使用例如可编程逻辑器件(PLD)，诸如是现场可编程门阵列(FPGA)的可编程逻辑器件(PLD)、数字信号处理器(DSP)或专用集成电路(ASIC)
在本实施方式中，通过使CPU执行特定程序，延迟时间计算部51、相对介电常数计算部52和水分含量计算部53被配置为功能块。例如，存储器54由信号处理单元50的ROM等构成。当然，可以使用诸如集成电路(IC)的专用硬件以提供每个块。程序经由例如各种记录介质安装在信号处理单元50中。或者，可以经由例如互联网来安装程序。
延迟时间计算部51经配置以基于测量信号S1来计算发射探头21(天线部210)与接收探头22(天线部220)之间的电磁波EW的传播延迟时间。
电磁波EW的传播延迟时间通常是介质M中的电磁波EW传播时间与空气中的电磁波传播时间的差。电磁波的传播延迟时间取决于传输路径的相对介电常数，并且传播延迟时间与介质的相对介电常数的平方根成比例。通常，土壤本身的相对介电常数是大约1到10，并随水分含量变化。因此，这表示如果能够测量传播延迟时间，就将能够间接地测量介质M中的水分含量。
用于计算传播延迟时间的方法没有特别限定，在本实施方式中，对测量信号S1进行傅里叶逆变换(IFFT)，以获得脉冲响应，并从脉冲响应的峰值位置计算脉冲延迟时间。通过从脉冲延迟时间减去探头21和探头22的传输时间(电缆传输时间)，来计算电磁波EW的传播延迟时间。
相对介电常数计算部52被配置为基于延迟时间计算部51中算出的电磁波EW的传播延迟时间来计算介质M的相对介电常数。水的相对介电常数通常为80。
水分含量计算部53被配置为基于相对介电常数计算部52中算出的相对介电常数来计算介质M中的水分含量。例如，使用Topp公式来计算水分含量(稍后描述)，并且计算介质M的体积含水率[％]作为水分含量。
例如，信号处理单元50可以进一步包括通信部和显示部，所述通信部能够与测量单元30的通信部32通信，显示部能够显示例如关于在每个功能块中计算的传播延迟时间、相对介电常数和水分含量的信息。
[水分含量测量方法]
在下文中，与根据本实施方式的水分含量测量装置的典型操作一起详细描述信号处理单元50。
图4是本实施方式中的水分含量测量方法的流程图。
首先，如图1中所示，将发射探头21和接收探头22埋入土壤M中(步骤101)。发射探头21与接收探头22之间向面对的距离D例如为50mm。
随后，在发射探头21(天线部210)与接收天线(天线部220)之间发射和接收电磁波EW(步骤102)。
在本实施方式中，测量单元30以10MHz的步进改变输入到发射探头21的发射信号F(n)的频率，同时生成包含从接收探头22输出的接收信号的正交频率响应信号(I(n)信号和Q(n)信号)的测量信号S1，并且将测量信号S1发射到信号处理单元50。
随后，信号处理单元50(延迟时间计算部51)基于测量信号S1计算发射探头21与接收探头22之间的电磁波EW的传播延迟时间(步骤103)。
延迟时间计算部51使用快速傅里叶变换(FFT)对接收信号进行傅里叶逆变换，以获得脉冲响应h(τ)，其中I(n)信号是实部，Q(n)信号是虚部。
h(τ)＝FFT{I(n),Q(n)}…(1)
延迟时间计算部51从脉冲响应h(τ)的峰值位置获得脉冲延迟时间τ[s]，并且从脉冲延迟时间τ减去电缆发射时间τ0[s]，以获得传播延迟时间τdelay[s]。
τdelay＝τ-τ0…(2)
随后，信号处理单元50(相对介电常数计算部52)计算介质M的相对介电常数εr，其中传播延迟时间是τdelay[s]，光速是c[m/s]，并且探头之间的距离(D)是d[m](步骤104)。
τdelay＝d·√(εr)/c…(3)
随后，信号处理单元50(水分含量计算部53)基于Topp公式计算介质M中的水分含量(体积含水率)θ[％]。
θ＝-5.3×10-2+2.92×10-2εr-5.5×10-4εr 2+4.3×10-6εr 3…(4)
如上所述，计算介质M的相对介电常数和介质M中的体积含水率。
在本实施方式中，使用介质M中的发射探头21与接收探头22之间的电磁波EW的传播延迟时间来计算介质M的相对介电常数和介质M中的体积含水率。探头21与探头22之间的距离D(50mm)比在探头21和探头22中的每一个的附近产生的间隙(1mm)大得多，因此这些间隙对测量相对介电常数的影响较小。这使得由于间隙而发生的测量误差被抑制，并且测量介质M的相对介电常数和介质M中的水分含量的精度得到改善。
在此，如图5所示，在TDR中，将TDR传感器1的两个测量探头1a和1b埋入介质中，沿着这些测量探头输入脉冲信号(电磁波)，并且使用在探头的末端处获得的反射响应来计算电磁波的传播延迟时间。然而，如果在探头1a和探头1b周围存在间隙G，那么关于间隙G的相对介电常数的信息将包括在响应信号中，这造成无法正确地测量介质M的相对介电常数。因此，在TDR中，取决于间隙G的尺寸，测量误差的发生大大增加。
图6图示间隙对通过TDR获得的测量值所具有的影响的示例。在图中，纵轴表示使用相同土壤的通过TDR获得的测量值与通过土壤采样方法获得的测量值之间的误差，而横轴表示间隙的尺寸。土壤采样方法是用于从土壤干燥前后的重量来计算水分含量的方法，并且测量值不受空隙影响。另一方面，在TDR方法中，空隙对测量值的影响太大而不容忽视，并且通过TDR获得的测量值大大偏离通过土壤采样方法获得的测量值。因此，在TDR中，取决于工作者的测量值变化更容易发生，并且因此需要将测量探头埋入介质中的高度熟练，以便尽可能防止间隙发生。
另一方面，在本实施方式中，如上所述，评估电磁波在两个探头21和22之间的传播延迟特性，两个探头21和22在介质M中布置为彼此相距一定距离，该距离足够大于间隙。这使得能够在大体上不受间隙影响的情况下以高精度地计算关于介质M的相对介电常数的信息。
图7图示将根据本实施方式获得的测量值与通过土壤采样方法获得的测量值比较的实验结果。在图中，纵轴表示电磁波的传播延迟时间，电磁波的传播延迟时间是用于针对任意土壤所测量的水分含量的基本数据，而横轴表示针对相同土壤通过土壤采样方法获得的测量值。在图中，黑色方块表示没有间隙的测量值，白色圆圈表示存在1mm的间隙时的测量值。
如图7所示，本实施方式与土壤采样方法之间测量值几乎没有误差。而且，不论间隙存在与否都获得稳定的测量值，所以取决于工作者的测量值变化比较不可能发生，并且因此不需要将探头放置到土壤中的高度熟练。
随后，通过上述本实施方式的水分含量测量方法，针对四种具有不同水分含量(体积含水率)的土壤测量电磁波(脉冲响应)的传播延迟时间。图8图示上述实验的结果。使用Toyoura Keiseki Kogyo有限公司的“标准砂(Toyoura标准砂)”作为土壤。在图8中，波形P11、P12、P13和P14分别对应于相应的体积含水率为0％、8％、17％和25％的样品。使用上述公式(4)计算的相对介电常数的值分别是1.9、5.0、9.1和13.4。
图9图示使用有机土壤(TAKII有限公司的“用于育苗的培养土壤”)作为土壤以相似方式进行的实验的结果。在图9中，波形P21、P22、P23和P24分别对应于相应的体积含水率为11％、19％、27％和36％的样品。使用上述公式(4)计算的相对介电常数的值分别为6.4、10.3、14.7和21.2。
针对脉冲响应与体积含水率之间的关系，确定近似值，并且进行相同延迟时间下的体积含水率的比较，确认(标准砂和有机土壤之间)土壤的差异。结果，误差为7％。据估计，这是因为有机土壤本身密度比标准砂小，并且因为土壤本身的介电常数不同。
图10图示以表示脉冲响应的峰值位置(传播延迟时间)的纵轴和表示通过土壤采样方法获得的体积含水率的横轴绘制的图表。类似地，图11图示以表示脉冲响应的峰值位置的纵轴和以表示使用上述公式(4)计算的相对介电常数的横轴绘制的图表。针对标准砂和有机土壤，假设受到间隙影响，对标准砂和有机土壤中的每一个进行两次测量，但误差为1％或更小，因此几乎没有来自间隙的影响。
本实施方式使得能够以高精度测量土壤总的体积含水率，并且因此例如能够恰当地确定土壤是否适合于农作物生长。另外，适当地管理土壤中的水分含量成为可能。
<第二实施方式>
图12是示意性图示根据本技术的第二实施方式的水分含量测量装置的结构。
在下文的说明中，主要描述与第一实施方式不同的部件，并且将用相同的参考标记指示与第一实施方式相同的部件，省略或简化与第一实施方式相同的部件的描述。
本实施方式的水分含量测量装置200与第一实施方式的水分含量测量装置的不同之处在于：构成传感器头20的发射探头21和接收探头22各自不包括末端电阻23(参照图2)
本实施方式也使得能够获得与上述第一实施方式所提供的效果相似的效果。例如，图13和图14各自图示针对在第一实施方式中描述的两种类型的土壤(标准砂和有机土壤)测量的电磁波传播特性。在图13中，波形P31、P32、P33和P34分别对应于相应的体积含水率为0％、8％、17％和25％的标准砂样品。在图14中，波形P41、P42、P43和P44分别对应于相应的体积含水率为11％、19％、27％和36％的有机土壤样品。
此外，证实了省略提供末端电阻造成改善的电磁波穿透性(灵敏度)，并且因此无论水分含量如何，都可以以几乎均匀的灵敏度测量传播特性。
如在第一实施方式的情况中一样，图15和图16分别图示以表示脉冲响应的峰值位置(传播延迟时间)的纵轴和表示通过土壤采样方法获得的体积含水率的横轴绘制的图表，和以表示脉冲响应的峰值位置的纵轴和表示相对介电常数的横轴绘制的图表。同样在本实施方式中，每次的误差为1％或更小，因此几乎没有来自间隙的影响。
<第三实施方式>
图17示意性图示根据本技术的第三实施方式的水分含量测量装置的结构。
在以下的说明中，主要描述与第一实施方式不同的部件，并且用相同的参考标记表示与第一实施方式相同的部件，省略或简化与第一实施方式相同的部件的描述。
本实施方式的水分含量测量装置300与第一实施方式的水分含量测量装置的不同之处在于：传感器头20包括温度检测部25和电导率检测部26。
温度检测部25能够检测介质M的温度。例如，可以采用诸如热电偶或热敏电阻的任意温度传感器作为温度检测部25。
温度检测部25设置在接收探头22的天线部220附近。替代地，温度检测部25可以设置在接收探头22的不同位置中，例如套筒24的表面。温度检测部25不仅可以设为在接收探头22中而且还可以设置在发射探头21中，或者可以设置在发射探头21中。
电导率检测部26能够检测介质M中的电导率。例如，可以采用例如双线式或四线式的适当的电导率传感器或电阻率传感器作为电导率检测部26。
电导率检测部26设置在发射探头21的天线部210附近。替代地，电导率检测部26可以设置在发射探头21中的不同位置中，诸如套筒24的表面。电导率检测部26不可以设置在发射探头21中而且还可以设置在接收探头22中，或者可以设置在接收探头22中。
已知介质M的相对介电常数与介质M的温度或电导率具有固定的相关性。本实施方式使得能够不仅获得介质M中的电磁波传播特性，而且可以获得关于介质M的温度和电导率的信息，因此，能够根据所获得的温度信息或所获得的电导率信息来校正介质M的相对介电常数或介质M中的体积含水率的计算值。这使得能够进一步改善测量精度。
在本实施方式中，温度检测部25和电导率检测部26均设置在传感器头20中。然而，结构不限于此，并且可以仅提供温度检测部25和电导率检测部26中的一个。此外，可以根据需要省略末端电阻23。作为温度检测部25和电导率检测部26的替代或补充，可以在传感器头20中提供能够测量介质M的pH的pH检测部。
<第四实施方式>
图18和图19分别是示意性图示根据本技术的另一实施方式的传感器装置的结构的前视图和局部剖视侧视图。本实施方式的传感器装置40包括传感器头420和测量单元430。
传感器头420包括支撑基板410、发射探头421(第一探头)和接收探头422(第二探头)。支撑基板410包括第一臂411、第二臂412和连接部413。发射探头421设置在第一臂411中，接收探头422设置在第二臂412中。
支撑基板410由特定厚度的板材构成，并且典型地由在布线基板的表面上和在内部中包括布线层的布线基板构成。第一臂411和第二臂412各自形成为具有板条形状，所述板条形状具有特定长度并且平行于轴向方向延伸，第一臂411和第二臂412的板条形状彼此相距特定距离(例如20mm至100mm)处。连接部413形成为大致矩形，并且将第一臂411和第二臂部412各自的末端彼此连接。
发射探头421和接收探头422各自由包括表面层20a和20b与内部层20c的带状线构成。在发射探头421和接收探头422中，构成内部层20c的布线层对应于信号线，并且构成表面层20a和20b的布线层对应于屏蔽线。表面层20a和20b与内部层20c通常由铜箔构成。
传感器头420还包括一对各自包含电磁波吸收材料的套筒424。套筒424分别覆盖第一臂411的发送探头421的区域和第二臂412的接收探头422的区域，这些区域是除了第一臂411和第二臂412的端部(末端)之外的区域。在图18中，各自被套筒424覆盖的第一臂411和第二臂412的周边各自设有多个开口，但是可以省略这些开口。
探头421和探头422的各自未被套筒424覆盖的端部(末端)分别构成探头421和探头422的天线部4210和4220(第一天线部和第二天线部)。在天线部4210和天线部4220中，表面层20a和表面层20b通过单个通孔20d或多个通孔20d彼此电性连接。通孔20d可以是中空的，或者可以填充有树脂材料或金属材料。或者，可以连接末端电阻代替通孔20d。天线部4210和天线部4220可以覆盖有电磁波穿透性保护部件20e(图19)。
发射探头421和接收探头422的天线部4210和天线部4220被布置为彼此面对，并且能够在埋入介质中的探头421和探头422之间发射和接收特定频率的电磁波。
测量单元430对应于第一实施方式的测量单元30，并且生成测量信号，测量信号包括关于发射探头421的天线部4210与接收探头422的接收探头4220之间的介质中的电磁波传播特性的信息。
测量单元430与传感器头420一体构成。在本实施方式中，测量单元430由安装在支撑基板410的连接部413的表面上的单个电子部件或多个电子部件构成。测量单元430通过支撑基板410的布线层电性连接到发射探头421的表面层20a和20b与内部层20c，并且电性连接到接收探头422的表面层20a和20b与内部层20c。
具有如上所述的结构的本实施方式的传感器装置40也使得能够获得与由上述第一实施方式提供的效果相似的效果。根据本实施方式，发射探头421和接收探头422各自由带状线构成，构成发射探头421和接收探头422的带状线分别设置在支撑基板410的第一臂411和第二臂412中，这使得能够获得传感器头420的简单并且坚固的结构。根据本实施方式，恒定维持天线部4210与天线部4220之间的距离，这使得能够容易地在不调整接收探头421与发射探头422之间的距离的情况下将其埋入土壤中，并且能够改善操纵性能。
在本实施方式中，接收探头421和发射探头422各自由带状线构成。然而，结构不限于此，并且接收探头421和发射探头422可各自由其中省略了表面层20a和表面层20b中的一个的微带状线构成。
支撑基板410的第一臂411和第二臂412中的一个可以进一步设置有例如检测介质的温度的温度检测部、检测介质的电导率的电导率检测部和检测介质的pH的pH检测部。
<变形例>
尽管上文已经描述了本技术的实施方式，但是不用说，本技术不仅限于上述实施方式，并且可以对上述实施方式做各种修改。
例如，在上述实施方式中，已经描述了将本技术应用于测量农作物将生长的土壤中的水分含量的示例。然而，本技术不限于此示例，并且还可应用于测量已知相对介电常数的不同物质(诸如肥料)的浓度。
测量目标介质不限于土壤，并且可以是除土壤以外的物质，诸如牲畜饲料。
水分含量测量装置100被配置为使用介质中的电磁波传播特性来计算相对介电常数，并且使用相对介电常数来计算介质中的水分含量。然而，结构不限于此，并且水分含量测量装置100可被配置为基于所获得的电磁波传播特性来直接计算介质中的水分含量。例如，当介质由相对简单的系统构成时，能够建立电磁波的传播特性与介质中的水分含量之间的对应表，并且因此能够通过参照对应表来直接从电磁波的传播特性获得介质中的水分含量。
在上述实施方式中，已经描述了信号处理单元50由单个信息处理装置构成的示例。然而，结构不限于此，并且信号处理单元50可由计算机系统构成，在计算机系统中多个计算机彼此协同运行。
另外，已经使用传感器装置中的发射探头和接收探头各自包括单个天线部的示例描述上述每一个实施方式。然而，结构不限于此，并且发射探头或接收探头中的至少一个可包括多个天线部。此外，传感器装置的结构不限于包括单个发射探头和单个接收探头的示例，并且传感器装置可以包括多个发射探头和多个接收探头中的至少一者。
例如，在图20中图示的传感器装置包括分别包括两个天线部210和天线部220的发射探头21和接收探头22。在此示例中，发射探头21的天线部210和接收探头22的天线部220以彼此面对的方式沿着两个探头21和22的轴向方向以特定的间隔布置。
图21所示的传感器装置包括两个发射探头21和一个接收探头，并且发射探头21和接收探头22分别包括一个天线部210和一个天线部220。在此示例中，接收探头22布置在两个发射探头21之间，并且被配置为使得电磁波从每个发射探头21的天线部210向接收探头22的天线部220发射。
图22所示的传感器装置包括两个发射探头21和两个接收探头22，并且每个发射探头21与接收探头21中对应的一个布置为成对地面对彼此，在此示例中，发射探头21和接收探头22分别包括两个天线部210和两个天线部220，如图20所示，然而，结构不限于此，并且也可应用探头21和探头22分别包括一个天线部210和一个天线部220的情况。
图23所示的传感器装置包括包含两个天线部210的发射探头21和包含一个天线部220的接收探头22，并且接收探头22的天线部220能够接收从发射探头21的每个天线部210发射的电磁波。
图24所示的传感器装置包括包含一个天线部210的发射探头21和包含两个天线部220的接收探头22，并且发射探头21的天线部210能够向接收探头22的每个天线部220发射电磁波。
图25所示的传感器装置包括一个发射探头21和两个接收探头22，并且发射探头21和接收探头22分别包括一个天线部210和一个天线部220。在此示例中，发射探头21布置在两个接收探头22之间，并且各个接收探头22的天线部220各自能够接收从发射探头21的天线部210发射的电磁波。
图26所示的传感器装置包括一个发射探头21和两个接收探头22，并且发射探头21和接收探头22分别包括一个天线部210和一个天线部220。同样在此示例中，相应的接收探头22的天线部220各自能够接收从发射探头21的天线部210发射的电磁波，并且各个接收探头22的天线部220布置在距发射探头21的天线部210的不同距离处。
注意本技术也可采取如下结构。
(1)一种传感器装置，具有：
传感器头，所述传感器头具有第一探头和第二探头，所述第一探头具有用于发射的第一天线部，所述第二探头具有以特定距离面对所述第一探头的且用于接收的第二天线部；和
测量单元，所述测量单元具有生成测量信号的信号生成部，所述测量信号包含关于所述第一天线部与所述第二天线部之间的介质中的电磁波传播特性的信息。
(2)根据(1)所述的传感器装置，其中
所述第一探头和所述第二探头由具有芯线部和屏蔽部的同轴电缆构成，并且
所述第一天线部和所述第二天线部包括设置在所述屏蔽部的一部分中的开口部。
(3)根据(2)所述的传感器装置，其中
所述第一探头和所述第二探头各自具有电性连接在所述芯线部的末端部与所述屏蔽部之间的末端电阻。
(4)根据(2)或(3)所述的传感器装置，其中
所述传感器头进一步具有电磁波吸收材料，所述电磁波吸收材料设置在所述第一探头和所述第二探头中且覆盖所述开口部周围的所述屏蔽部。
(5)根据(4)所述的传感器装置，其中
所述电磁波吸收材料包含铁氧体。
(6)根据(1)所述的传感器装置，其中
所述传感器头进一步具有支撑基板，所述支撑基板包括第一臂、第二臂和连接所述第一臂以及所述第二臂的连接部，并且
所述第一探头和所述第二探头由分别设置在所述第一臂和所述第二臂中的带状线构成。
(7)根据(6)所述的传感器装置，其中
所述测量单元安装在所述连接部上。
(8)根据(1)至(7)中任一项所述的传感器装置，其中
所述传感器头进一步具有设置在所述第一探头和所述第二探头的至少一个中的、并且被构成为能够检测所述介质的温度的温度检测部。
(9)根据(1)至(8)中任一项所述的传感器装置，其中
所述传感器头进一步具有设置在所述第一探头和所述第二探头的至少一个中的、并且被构成为能够检测所述介质的电导率的电导率检测部。
(10)根据(1)至(9)中任一项所述的传感器装置，其中
所述信号生成部具有信号产生器和检波器，所述信号产生器向所述第一探头输入特定频率的脉冲信号，所述检测器对所述第二探头的输出进行正交检波。
(11)根据(1)至(10)中任一项所述的传感器装置，其中
所述测量单元进一步具有被构成为能够将所述测量信号向信息处理装置发射的通信部。
(12)一种水分含量测量装置，具有：
传感器头，所述传感器头具有第一探头和第二探头，所述第一探头具有用于发射的第一天线部，所述第二探头具有以特定距离面对所述所述第一探头的且用于接收的第二天线部；
生成测量信号的测量单元，所述测量信号包含关于所述第一天线部与所述第二天线部之间的介质中的电磁波传播特性的信息；和
基于所述测量信号来测量所述介质中的水分含量的信号处理单元。
(13)根据(12)所述的水分含量测量装置，其中
所述信号处理单元具有：
基于所述测量信号来计算所述第一探头与所述第二探头之间的电磁波传播延迟时间的延迟时间计算部，
基于所述传播延迟时间来计算介质的相对介电常数的相对介电常数计算部，和
基于所述相对介电常数来计算所述介质中的水分含量的水分含量计算部。
(14)根据(12)或(13)所述的水分含量测量装置，其中
所述传感器头进一步具有被构成为能够检测所述介质的温度的温度检测部，并且
所述信号处理单元基于所述温度检测部的输出来校正所述水分含量。
(15)根据(12)至(14)中任一项所述的水分含量测量装置，其中
所述传感器头进一步具有被构成为能够检测所述介质的电导率的电导率检测部，并且
所述信号处理单元基于所述电导率检测部的输出来校正所述水分含量。
(16)一种水分含量测量方法，包括：
通过使从布置在介质中的第一探头的第一天线部发射的电磁波被第二探头的第二天线部接收，来生成包含关于所述电磁波的传播特性的信息的测量信号，所述第二探头与所述第一探头相距特定距离布置在所述介质中，和
基于所述测量信号来测量所述介质中的水分含量。
(17)根据(16)所述的水分含量测量方法，其中
所述水分含量的测量包括以下步骤：
基于所述测量信号来计算所测量的所述电磁波的传播延迟时间，
基于所述传播延迟时间来计算所述介质的相对介电常数，和
基于所述相对介电常数来计算所述介质中的水分含量。
(18)根据(16)或(17)所述的水分含量测量方法，其中所述介质是土壤。
(19)一种信息处理装置，包括：
延迟时间计算部，所述延迟时间计算部基于从布置在介质中的第一探头的第一天线部发射并由第二探头的第二天线部接收的电磁波，计算所述第一探头与所述第二探头之间的电磁波传播延迟时间，所述第二探头与所述第一探头相距特定距离布置在所述介质中；
基于所述传播延迟时间来计算介质的相对介电常数的相对介电常数计算部；和
基于所述相对介电常数来计算所述介质中的水分含量的水分含量计算部。
(20)一种信息处理方法，包括以下步骤：
基于从布置在介质中的第一探头的第一天线部发射并由第二探头的第二天线部接收的电磁波，计算所述第一探头与所述第二探头之间的电磁波传播延迟时间，所述第二探头与所述第一探头相距特定距离布置在所述介质中；
基于所述传播延迟时间来计算所述介质的相对介电常数；和
基于所述相对介电常数来计算所述介质中的水分含量。
附图标记
10、40 传感器装置
20、420 传感器头
21、421 发射探头
22、422 接收探头
23 末端电阻
24、424 套筒
25 温度检测部
26 电导率检测部
30、430 测量单元
31 信号生成部
32 通信部
50 信号处理单元
51 延迟时间计算部
52 相对介电常数计算部
53 水分含量计算部
100、200、300 水分含量测量装置
210、220、4210、4220 天线部
310 控制器
311 信号产生器
313 移相器
314 混频部。

Claims (20)

1.一种传感器装置，具有：
传感器头，所述传感器头具有第一探头和第二探头，所述第一探头具有用于发射的第一天线部，所述第二探头具有以特定距离面对所述第一探头的且用于接收的第二天线部；和
测量单元，所述测量单元具有生成测量信号的信号生成部，所述测量信号包含关于所述第一天线部与所述第二天线部之间的介质中的电磁波传播特性的信息。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中
所述第一探头和所述第二探头由具有芯线部和屏蔽部的同轴电缆构成，并且
所述第一天线部和所述第二天线部包括设置在所述屏蔽部的一部分中的开口部。
3.根据权利要求2所述的传感器装置，其中
所述第一探头和所述第二探头各自具有电性连接在所述芯线部的末端部与所述屏蔽部之间的末端电阻。
4.根据权利要求2所述的传感器装置，其中
所述传感器头进一步具有电磁波吸收材料，所述电磁波吸收材料设置在所述第一探头和所述第二探头中且覆盖所述开口部周围的所述屏蔽部。
5.根据权利要求4所述的传感器装置，其中
所述电磁波吸收材料包含铁氧体。
6.根据权利要求1所述的传感器装置，其中
所述传感器头进一步具有支撑基板，所述支撑基板包括第一臂、第二臂和连接所述第一臂以及所述第二臂的连接部，并且
所述第一探头和所述第二探头由分别设置在所述第一臂和所述第二臂中的带状线构成。
7.根据权利要求6所述的传感器装置，其中
所述测量单元安装在所述连接部上。
8.根据权利要求1所述的传感器装置，其中
所述传感器头进一步具有设置在所述第一探头和所述第二探头的至少一个中的、并且被构成为能够检测所述介质的温度的温度检测部。
9.根据权利要求1所述的传感器装置，其中
所述传感器头进一步具有设置在所述第一探头和所述第二探头的至少一个中的、并且被构成为能够检测所述介质的电导率的电导率检测部。
10.根据权利要求1所述的传感器装置，其中
所述信号生成部具有信号产生器和检波器，所述信号产生器向所述第一探头输入特定频率的脉冲信号，所述检测器对所述第二探头的输出进行正交检波。
11.根据权利要求1所述的传感器装置，其中
所述测量单元进一步具有被构成为能够将所述测量信号向信息处理装置发射的通信部。
12.一种水分含量测量装置，具有：
传感器头，所述传感器头具有第一探头和第二探头，所述第一探头具有用于发射的第一天线部，所述第二探头具有以特定距离面对所述所述第一探头的且用于接收的第二天线部；
生成测量信号的测量单元，所述测量信号包含关于所述第一天线部与所述第二天线部之间的介质中的电磁波传播特性的信息；和
基于所述测量信号来测量所述介质中的水分含量的信号处理单元。
13.根据权利要求12所述的水分含量测量装置，其中
所述信号处理单元具有：
基于所述测量信号来计算所述第一探头与所述第二探头之间的电磁波传播延迟时间的延迟时间计算部，
基于所述传播延迟时间来计算介质的相对介电常数的相对介电常数计算部，和
基于所述相对介电常数来计算所述介质中的水分含量的水分含量计算部。
14.根据如权利要求12所述的水分含量测量装置，其中
所述传感器头进一步具有被构成为能够检测所述介质的温度的温度检测部，并且
所述信号处理单元基于所述温度检测部的输出来校正所述水分含量。
15.根据权利要求12所述的水分含量测量装置，其中
所述传感器头进一步具有被构成为能够检测所述介质的电导率的电导率检测部，并且
所述信号处理单元基于所述电导率检测部的输出来校正所述水分含量。
16.一种水分含量测量方法，包括以下步骤：
通过使从布置在介质中的第一探头的第一天线部发射的电磁波被第二探头的第二天线部接收，来生成包含关于所述电磁波的传播特性的信息的测量信号，所述第二探头与所述第一探头相距特定距离布置在所述介质中，和
基于所述测量信号来测量所述介质中的水分含量。
17.根据权利要求16所述的水分含量测量方法，其中
所述水分含量的测量包括以下步骤：
基于所述测量信号来计算所测量的所述电磁波的传播延迟时间，
基于所述传播延迟时间来计算所述介质的相对介电常数，和
基于所述相对介电常数来计算所述介质中的水分含量。
18.根据权利要求16所述的水分含量测量方法，其中所述介质是土壤。
19.一种信息处理装置，包括：
延迟时间计算部，所述延迟时间计算部基于从布置在介质中的第一探头的第一天线部发射并由第二探头的第二天线部接收的电磁波，计算所述第一探头与所述第二探头之间的电磁波传播延迟时间，所述第二探头与所述第一探头相距特定距离布置在所述介质中；
基于所述传播延迟时间来计算介质的相对介电常数的相对介电常数计算部；和
基于所述相对介电常数来计算所述介质中的水分含量的水分含量计算部。
20.一种信息处理方法，包括以下步骤：
基于从布置在介质中的第一探头的第一天线部发射并由第二探头的第二天线部接收的电磁波，计算所述第一探头与所述第二探头之间的电磁波传播延迟时间，所述第二探头与所述第一探头相距特定距离布置在所述介质中；
基于所述传播延迟时间来计算所述介质的相对介电常数；和
基于所述相对介电常数来计算所述介质中的水分含量。
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