TWI442050B - Contact object water content sensing device, sensing method and computer program products - Google Patents

Description

接觸式物體含水量感測裝置、感測方法與電腦程式產品

本發明係有關於一種物體含水量感測裝置及方法，特別是有關於一種接觸物體以感測物體的含水量的感測裝置、感測方法與電腦程式產品。

先前技術的接觸式含水量感測器的類型包括下列數種：(1)於感測元件為一絕緣基板上刻錄電路，並於基板表面配置一化學物質，如高分子材質，以藉由化學物質的化學變化以呈現感測元件所處環境的含水量。(2)利用陶瓷材質配合電路設計來製作感測元件，將陶瓷多孔的吸水特性結合電量傳導率調整技術，以藉由水分吸收量引發的物質的電量傳導率變化，推算出感測元件所在環境的含水量。(3)將電解液的離子傳導技術結合於感測元件，藉由感測元件的水份吸收量來影響電解液的離子傳導率變化，並藉此變化推算出感測元件所在環境的含水量。(4)感測元件結合熱傳導技術，藉由水吸收熱量的特性，藉由水分吸收量引發的物質熱傳導率變化，推算出感測元件所在環境的含水量。

然而，表面配置化學物質的感測元件，其是將兩個電性極片結合化學物質，再將電性極片與化學物質結合於絕緣基板的電路，令其結合一體，工序複雜度相當的高。相同的，電解液技術的感測元件亦需配置適當的電解液以結合感測元件，同時需分析電解液的離子傳導率，此類感測元件的製作複雜度皆不低，成本亦不菲。其次，元件表面配置化學物質的接觸式含水量感測器，其需以接觸方式感測目標物含水量，如土地含水量、粉狀物含水量，然而此等化學物質會因長時間接觸目標物，而引發不必要的化學反應，導致化學物質劣化(化學物質變質、脆化、粉化…等)的情形產生。相同的，陶瓷材質的感測元件於長期接觸目標物，乃全天候感測目標物含水量，因此元件的陶瓷部位也容易有劣化情形發生，如脆化或粉化，導致元件壽命的降低，且元件在感測含水量時其穩定性亦不足。其三，接觸式感測器常應用於感測土壤含水量，而元件壽命的低下與元件的劣化，導致此類接觸式感測器難以應用於長期感測土壤含水量的感測作業，而且一但元件劣化情形發生，感測到的含水量資訊必為異常不可用，故無法精確的量測土壤水分含量。其四，如土壤這類的目標物，其內含液體的成份較為複雜，然此類液體亦含有水份，但現今的含水量感測器多會排除此等非純水類的成份，所量測出的含水量亦有待商確。

因此，如何提供不易劣化，且能以接觸方式長期監測目標物水分含量或含水量的含水量感測器，為廠商應思考的問題。

本發明欲解決的問題係提供一種適用於接觸感測目標物之含水量的物體含水量感測裝置、感測方法與電腦程式產品。

為解決上述裝置問題，本發明揭露一種接觸式物體含水量感測裝置，其包括一電力單元、一感測單元與一運算單元。感測單元包括一基板與一銅箔，銅箔配置於基板上。感測單元用以接觸一目標物，而銅箔受電形成一等效電容，等效電容係因應目標物之含水量而具有不同的電容值。電力單元用以電性連接並供電予銅箔。運算單元電性連接至感測單元，用以分析上述等效電容的電容值，以計算出目標物的含水量。

為解決上述方法問題，本發明揭露一種接觸式物體含水量感測方法，其包括：經由一感測單元接觸一目標物，感測單元配置有一銅箔；經由一電力單元供電予銅箔，銅箔受電形成一等效電容，依據該目標物之含水量之不同，等效電容係具有不同的電容值；以及經由一運算單元分析等效電容之電容值，以計算出目標物的含水量。

本發明更揭露一種電腦程式產品，其配置於一運算單元，運算單元連接一配置有銅箔的感測單元，感測單元接觸一目標物，運算單元讀取電腦程式產品以執行一接觸式接觸式物體含水量感測方法，流程如前說明，在此即不贅述。本發明亦可實作為一電腦程式，並儲存於一電腦可讀取記錄媒體中，而使電腦讀取此記錄媒體後執行接觸式接觸式物體含水量感測方法。當該電腦程式被電腦、機器或電子裝置載入且執行時，電腦、機器或電子裝置成為用以實行本發明之裝置。

本發明之特點係在於本發明採用銅箔，作為感測單元的構件之一，銅箔材料會因為所接觸的物體、環境的含水量不同，產生較為明顯示物理量變化，如阻抗與本發明所提及的電容值，而且此物理量變化是具有特定的規律性，故銅箔材料將有助於提升物體含水量的量測準確度。其次，銅箔的金屬特質，將使銅箔本身不會產生如陶瓷材料與高分子材料般的易劣化情形，除了有助於提升物體含水量的量測準確度外，更可延長感測元件的使用壽命，大幅提升感測裝置的適用性。其三，藉由銅箔的電容值變化特性，即使感測元件應用於感測如土壤這類成份複雜的目標物，亦能測得非純水類液體的含水量，故量測出的含水量較為精確。

茲配合圖式將本發明較佳實施例詳細說明如下。

首先請參閱圖1繪示本發明實施例之接觸式物體含水量感測裝置架構示意圖，裝置主要包括一感測單元10、一運算單元21與一電力單元22。

感測單元10配置有一基板11與一銅箔12，銅箔12配置於基板11上，以下實施例係以方形的銅箔12進行說明，但不以方形為限，其它如圓形、三角形、多角形等其它形狀的銅箔12亦適用。感測單元10用以接觸一目標物(未繪示)，此目標物如土壤、牆壁、電器設備或是其它可被接觸的物體皆適用。在本發明一些實施例中，感測單元10更可配置有一保護層13，保護層13配置於銅箔12表面，其中，保護層13為一層膠膜或化學薄膜，用以防止銅箔氧化，避免銅箔因氧化而影響到偵測準確性。

運算單元21與電力單元22係分別連接感測單元10。電力單元22用以供電予銅箔12，銅箔12受電且鄰接目標物時，會形成一等效電容，以進行一充放電動作，依據該目標物之含水量的不同，等效電容具有的電容值亦有差異。其中，電力單元22的供電動作可受運算單元21的控管，或是獨立運作，端視設計人員之需求而進行設計。

在一些實施例中，運算單元21用以分析上述等效電容的電容值，以計算出目標物的含水量。運算單元21對目標物含水量的分析，請同時參閱圖2，其繪示本發明實施例的訊號變化示意圖。在此實施例中，銅箔12接受電力單元22的供電，會產生一電容，而依據目標物的含水量不同時，其電容值亦有所不同，也就是說目標物含水量的多寡會影響到電容值，電容值不同，會影響充放電時間常數，因此其對應的充放電訊號也會有所不同。充放電訊號為一時間累積的訊號，波形為鋸齒波，其頻率會依據電容值不同而對應改變，因此即可依據頻率決來計算出含水量。

在另一些實施例中，感測裝置更可包括一記憶體單元23(如圖1所示)，此記憶體單元23儲存有複數個頻率資料31與其對應的複數個含水量資料32。當運算單元21會透過感測單元10分析出前述等效電容的電容值。

在另一些實施例中，更進一步時，運算單元21可分析等效電容的充放電訊號40，將該充放電訊號轉換成一脈波訊號，再將該脈波訊號轉換成一頻率訊號，再利用該頻率訊號比對該等頻率資料，依據該等含水量資料以計算出該目標物之含水量。運算單元21的細部結構如圖2繪示，運算單元21包括三個訊號轉換模組，一為鋸齒波轉脈波模組211、一為脈波轉頻率模組212、一為頻率轉含水量模組213。充放電訊號40轉換成時序圖時，會呈現一鋸齒波41。鋸齒波轉脈波模組211會將充放電訊號40進行訊號濾整，以將鋸齒波41轉換為脈波訊號42。接著，脈波轉頻率模組212會依據上述的脈波訊號42，計算出充放電訊號40的頻率，以將上述的脈波轉換成對應的頻率訊號。然而，依據脈波訊號42的訊號內容之不同，可轉換出的頻率訊號亦有差異，如圖2呈現的高頻訊號43與低頻訊號44。之後，頻率轉含水量模組213會利用頻率訊號比對上述的頻率資料31，找出頻率訊號對應的含水量資料32，以計算出目標物的含水量。

然而，頻率轉換對應含水量的運算資料亦得以預先儲存於運算單元21中，或設計於運算單元21所執行的程式中，並不以上述預儲含水量資料32與頻率資料31為限。

在另一些實施例中，更進一步時，記憶體單元23更儲存有一銅箔截面積資訊331與對應的一電容邊界資訊332(請參閱圖1)。運算單元21會先取得銅箔12的面積，此面積係預儲於記憶體單元23中，或是使用者透過一運算單元21的介面輸入以供運算單元21使用。接著，運算單元21可依據電容邊界資訊332，當分析出前述等效電容的電容值符合電容邊界資訊332時，開始對目標物進行含水量的計算。

在另一些實施例中，更進一步時，可依據銅箔12的面積來計算出電容值。請同時參閱圖3繪示本發明實施例的銅箔面積與電容值對照表之示意圖之一例。前述銅箔12形成的等效電容，其電容值可透過下列公式1取得：

其中，C =電容值，ε₀ =目標物的內含液體的介電常數，A =銅箔12的表面積(上表面積或下表面積，上表面積=下表面積，亦為等效電容的截面積)，d =銅箔12高度(即電容間距)。

在此目標物以土壤為例，土壤內含的常見成份及其介電常數包括H₂ O(水,78.5)、HCOOH(甲酸,58.5)、HCON(CH₃ )2(N,N-二甲基甲酰胺,36.7)、CH₃ OH(甲醇,32.7)、C₂ H₅ OH(乙醇,24.5)、CH₃ COOH₃ (丙酮,20.7)、n-C₆ H₁₃ OH(正已醇,13.3)、CH₃ COOH(乙酸或醋酸,6.15)、C₆ H₆ (苯,2.28)、CCl₄ (四氯化碳,2.24)、n-C₆ H₁₄ (正已烷,1.88)。

此等介電常數結合銅箔12面積導入公式1後，可得圖3繪示的銅箔面積與電容值對照表60。從公式1得知，當銅箔12表面積加大(即加大等效電容的截面積)時，等效電容的電容值將提升。因此，可進一步分析出土壤中不同的酸鹼液體、溶劑與空氣的差異。藉此預先設定前述中，關係相對應的銅箔截面積資訊331與電容邊界資訊332。比方說，於銅箔12表面積為5平方公分時，電容邊界資訊332可設為20uF，運算單元21即可分析出感測單元10所接觸到的目標物是否為液體，或是否接觸到空氣。於銅箔12表面積為5平方公分時，電容邊界資訊332可設為360uF，運算單元21即可分析出感測單元10所接觸到的目標物是否為水，或是否為酸鹼性溶液，藉此排除因目標物之內含溶劑的酸鹼度不同而影響量測含水量的準確度的問題。

此外，電力單元22可為一電池或一太陽能電力轉換單元，更進一步者，電池可為充電電池並與太陽能電力轉換單元同時受一充電控制單元所控制。充電控制單元於充電電池之電力耗盡時，利用太陽能電力轉換單元對充電電池進行充電。而且，充電控制單元可於充電期間，同時轉送電力與整個裝置。然而，此等電力供給技術為相關技術領域之具通常知識者所熟知，在此不贅述。

再請參閱圖1，感測裝置更包括一提示單元24，而記憶體單元23儲存有複數個提示條件34。當運算單元21判定目標物之含水量符合所有提示條件34中的一目標提示條件34時，以利用提示單元24輸出對應目標提示條件34的一提示訊號。舉例而言，當感測單元10配置於土壤時，當運算單元21判定土壤的含水量過高時，係利用提示單元24發送含水量過高的提示訊號。當運算單元21判定土壤的含水量過低時，係利用提示單元24發送含水量過低的提示訊號。當運算單元21判定土壤的含水量為適中時，係利用提示單元24發送含水量適當的提示訊號，亦或是不動作。此提示單元24可為發光單元，如發光二極體，以不同顏色的光或是不同亮度的光來區分不同的提示訊號。亦或，提示單元24可為發聲單元，如蜂鳴器，以不同長短聲或是不同音量的聲音來區分不同的提示訊號。亦或，提示單元24可為顯示單元，以文字或圖形來區分不同的提示訊號。更甚者，提示單元24可為上述中，任兩種以上類型之組合。而且，提示單元24可另行配置，不限制配置在感測裝置中。

請依序參閱圖4繪示本發明接觸式物體含水量感測裝置之一實施例，感測單元10配置於花盆51的土壤中，提示單元24電性連接運算單元21。運算單元21透過感測單元10感知花盆51的土壤含水量，以透過提示單元24告知使用者土壤含水量的高、低、適中。此配置模式亦適用於需使用液態物質或溶劑的電子設備，如電冷箱或洗衣機。使用者可將感測單元10配置於電子設備中，運算單元21透過感測單元10感知電子設備內的含水量，以藉由提示單元24提供相關的提示訊號。

請依序參閱圖5繪示本發明接觸式物體含水量感測裝置之另一實施例，上述的感測裝置可應用於工廠52中，使用者可將多個感測單元10配置於工廠52內，需高度警戒是否漏水、滲水的設備、工作產線、管路…等重要區域。運算單元21透過感測單元10感知任一處的含水量異常時，即能藉由提示單元24告知管理人員。

請參閱圖6繪示本發明實施例之接觸式物體含水量感測方法之流程示意圖、圖7與圖8繪示本發明實施例之接觸式物體含水量感測方法之細部流程示意圖，請同時參閱圖1至圖3以利於了解。此方法說明如下：將一感測單元10接觸一目標物，感測單元10配置有一銅箔12(步驟S110)。如圖1，感測單元10包含一基板11，其上配置有銅箔12，一保護層13可被配置於銅箔12表面。

經由一電力單元22供電予銅箔12，銅箔12係受電形成一等效電容(步驟S120)。銅箔12受電且鄰接目標物時會形成一等效電容，以進行一充放電動作。

經由一運算單元21分析等效電容之電容值，以計算出目標物之含水量(步驟S130)。

步驟S130中更進一步時，更可細分以下步驟，如圖7所示：將等效電容的充放電訊號40轉換成一脈波訊號42(步驟S131)。運算單元21會透過銅箔12測得等效電容的充放電訊號40，充放電訊號40轉換成時序圖時，會呈現一鋸齒波。鋸齒波轉脈波模組211會將充放電訊號40進行訊號濾整，以將鋸齒波轉換為脈波訊號42。

將脈波訊號42轉換成一頻率訊號(步驟S132)。脈波轉頻率模組212會計算出充放電訊號40的頻率，以將脈波轉換成對應的頻率訊號，依據脈波訊號42的訊號內容之不同，可轉換出的頻率訊號亦有差異。

頻率轉含水量模組213會比對頻率訊號與複數個頻率資料31，每一頻率資料31對應一含水量資料32(步驟S133)。之後，頻率轉含水量模組213會依據比對結果，從所有含水量資料32找出頻率訊號對應的含水量資料32，以計算出目標物之含水量(步驟S134)。然而，頻率資料31與對應的含水量資料32可被預先儲存於運算單元21中，或設計於運算單元21所執行的程式中。

如圖6、圖8與圖1，於步驟S130執行前，運算單元21可預先執行下列流程：記錄一電容邊界資訊332(步驟S124)。如前述，記憶體單元23儲存有銅箔截面積資訊331與電容邊界資訊332。

之後，運算單元21判斷電容值是否符合電容邊界資訊332(步驟S126)。當判斷電容值符合該電容邊界資訊332時，運算單元21係執行步驟S130以計算目標物的含水量。反之，則不動作，且返回步驟S120，以重複步驟S120至步驟S126，直至電容值符合電容邊界資訊332為止。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

10．．．感測單元

11．．．基板

12．．．銅箔

13．．．保護層

21．．．運算單元

211．．．鋸齒波轉脈波模組

212．．．脈波轉頻率模組

213．．．頻率轉含水量模組

22．．．電力單元

23．．．記憶體單元

24．．．提示單元

31．．．頻率資料

32．．．含水量資料

331．．．銅箔截面積資訊

332．．．電容邊界資訊

34．．．提示條件

40．．．充放電訊號

41．．．鋸齒波

42．．．脈波訊號

43．．．高頻訊號

44．．．低頻訊號

51．．．花盆

52．．．工廠

60．．．銅箔面積與電容值對照表

圖1繪示本發明實施例之接觸式物體含水量感測裝置架構示意圖；

圖2繪示本發明實施例之訊號變化示意圖；

圖3繪示本發明實施例的銅箔面積與電容值對照表之示意圖之一例；

圖4繪示本發明接觸式物體含水量感測裝置之一實施例；

圖5繪示本發明接觸式物體含水量感測裝置之另一實施例；

圖6繪示本發明實施例之接觸式物體含水量感測方法之流程示意圖；以及

圖7繪示本發明實施例之分析等效電容之充放電訊號以計算目標物含水量之細部流程示意圖。

圖8繪示本發明實施例之依據電容邊界資訊判斷是否啟動計算目標物含水量之細部流程示意圖。

10．．．感測單元

11．．．基板

12．．．銅箔

13．．．保護層

21．．．運算單元

22．．．電力單元

23．．．記憶體單元

24．．．提示單元

31．．．頻率資料

32．．．含水量資料

331．．．銅箔截面積資訊

332．．．電容邊界資訊

34．．．提示條件

Claims (7)

1. 一種接觸式物體含水量感測裝置，其包括：一感測單元，其包括一基板與一銅箔，該銅箔配置於該基板上，該感測單元用以接觸一目標物，該銅箔係受電而形成一等效電容；一電力單元，用以電性連接並供電予該銅箔；一運算單元，係電性連接該感測單元，用以分析該等效電容的電容值，以計算出該目標物之含水量；以及一記憶體單元，電性連接該感測單元，該記憶體單元儲存複數個頻率資料與其對應的複數個含水量資料，其中，該運算單元係分析該等效電容的充放電訊號，將該充放電訊號轉換成一脈波訊號，再將該脈波訊號轉換成一頻率訊號，再利用該頻率訊號比對該等頻率資料，依據該等含水量資料以計算出該目標物之含水量。
2. 如申請專利範圍第1項所述接觸式含水量感測裝置，其中該感測單元更配置有一保護層，該保護層係配置於該銅箔表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述接觸式含水量感測裝置，其中該記憶體單元記錄一電容邊界資訊，該運算單元係於該電容值符合該電容邊界資訊時，計算出該目標物之含水量。
4. 如申請專利範圍第1項所述接觸式含水量感測裝置，其中更包括一提示單元，電性連接該感測單元，該記憶體 單元儲存有複數個提示條件，當該運算單元判定該目標物之含水量符合該等提示條件中的一目標提示條件時，以利用該提示單元輸出對應該目標提示條件之一提示訊號。
5. 一種接觸式物體含水量感測方法，其包含：經由一感測單元接觸一目標物，該感測單元配置有一銅箔；經由一電力單元供電予該銅箔，該銅箔係受電而形成一等效電容；以及經由一運算單元分析該等效電容之電容值，以計算出該目標物之含水量，其步驟係將該等效電容的充放電訊號轉換成一脈波訊號，將該脈波訊號轉換成一頻率訊號，比對該頻率訊號與複數個頻率資料，每一頻率資料對應一含水量資料，以及依據比對結果以從該等含水量資料找出該頻率訊號對應的含水量資料，以計算出該目標物之含水量。
6. 如申請專利範圍第5項所述之接觸式物體含水量感測方法，其中經由該運算單元分析該等效電容之電容值，以計算該目標物之含水量之該步驟更包括：紀錄一電容邊界資訊；以及判斷該電容值是否符合該電容邊界資訊，以決定是否計算該目標物之含水量。
7. 一種電腦程式產品，其配置於一運算單元，該運算單元連接一配置有一銅箔的感測單元，該感測單元接觸一目 標物，該運算單元係讀取該電腦程式產品以執行一接觸式物體含水量感測方法，該方法包含：利用一電力單元供電予該銅箔，該銅箔係受電且依據該目標物之含水量而成一等效電容；以及由一運算單元分析該等效電容之電容值，以計算出該目標物之含水量其步驟係將該等效電容的充放電訊號轉換成一脈波訊號，將該脈波訊號轉換成一頻率訊號，比對該頻率訊號與複數個頻率資料，每一頻率資料對應一含水量資料，以及依據比對結果以從該等含水量資料找出該頻率訊號對應的含水量資料，以計算出該目標物之含水量。