TWI458970B - 水分感測裝置 - Google Patents

Description

水分感測裝置

本提案係有關於一種水分感測裝置，尤其是一種可藉由介電原理進行電容式感測，以獲得介質中水分比率的感測裝置。

根據統計，國內精緻農業市場每年的產值高達新台幣1,600億元，舉凡一般農作物到精緻溫室蘭花養殖，皆需要控管土壤中的水分參數，其中土壤中含水量比例的控制，尤為重要的關鍵因子之一。

一般而言，目前市場上常見的土壤水分感測方式，包括有電阻式感測器、中子儀感測器、時域反射分析儀(Time Domain Reflectometry，TDR)、頻域反射分析儀(Frequency Domain Reflectometry，FDR)等感測方式。而其中，由於電阻式感測器之穩定性與再現性皆不佳，又易受到不同土壤特性的影響，因此無法廣泛地使用於精確的量測範疇。中子儀感測器則具有設備昂貴、體積大而笨重、且存在輻射危險性等缺點，因此，一般而言僅作為學術研究領域的應用，而不具有普及化及大量佈建之應用性。時域反射分析儀(TDR)與頻域反射分析儀(FDR)雖然精確度、耐用度與應用特性皆具有一定的水準，然而，其高硬體成本之市場售價係高達數萬元至數十萬元不等，因此，在佈建成本的考量下，時域反射分析儀(TDR)與頻域反射分析儀(FDR)仍鮮少被市場所接受。

其次，控管土壤水分之重要性，並不僅僅存在於農業養殖層面。舉例而言，土壤水分在災害的預防監測上，亦佔有重要的地位。詳細而言，台灣山地形勢陡峭、地質脆弱且地震頻繁，在山坡地過度開發利用時，常因颱風或梅雨季節的集中性豪雨，而引發山區大規模的土石運動災害，其例如：民國八十八年九二一大地震引起的山崩及地質鬆動、民國八十九年之碧利斯及象神颱風、民國九十年之納莉及桃芝颱風所引起的土石流災害，皆使得人民的生命財產遭到莫大的損失與威脅。因此，若能預先得到土壤中含水量的變化，政府機關即可善加預測土石流成因與土壤滑動趨勢，以即時採取預防措施，減少災害之形成與威脅。

基於以上原因，如何突破習知之土壤檢測方式，設計出一種具有低成本、利於大量佈建，且具有高量測精度的土壤水分感測器，實為相關技術領域者目前迫切需要解決的課題之一。

鑒於以上的問題，本提案在於提供一種水分感測裝置，藉以解決先前技術所存在的問題。

本提案提出一種水分感測裝置，適於檢測一介質中的水分比率。水分感測裝置包括至少一感測節點，其中感測節點包括一感測區與一電路區。

感測區具有一感測器，且感測器具有二電極，感測器係用以測量介質於該感測區的該二電極間的電容訊號。電路區包括振盪器與訊號處理模組。其中，振盪器電性連接於感測器，並提供一振盪訊號，令感測器根據振盪訊號測量介質於該感測區的二電極間的電容訊號。訊號處理模組電性連接於感測器，訊號處理模組接收介質於該感測區的二電極間的電容訊號後，據以轉換並輸出介質於該感測區中的水分比率。

根據本提案之水分感測裝置，電路區更包括一無線通訊模組，電性連接於訊號處理模組，以無線發送介質於感測區中的水分比率。

根據本提案之水分感測裝置，更包括一網路協調器(Coordinator)，電性連接於無線通訊模組，以無線接收介質於感測區中的水分比率。網路協調器包括至少一資料傳輸介面，以將介質於感測區中的水分比率傳輸至至少一中控主機。其中，資料傳輸介面係為RS-232、RS-485、通用序列匯流排(Universal Serial Bus，USB)或乙太網路(Ethernet)。

是以，本提案提出之水分感測裝置，係藉由感測器測量介質於各個感測區的電容訊號，續透過訊號處理模組分析轉換該電容訊號後，輸出介質於各個感測區的水分比率。

根據本提案提出之水分感測裝置，可大量佈建於複數個感測節點，並根據各個感測節點輸出之水分比率，進行後續之數據或圖像處理。

綜上所述，本提案提出之水分感測裝置，兼具成本低廉、量測特性佳、且利於佈建之優點，不僅可應用於農業養殖之實務層面，更可有效達到天然災害之防治與預測。

以上之關於本提案內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本提案之精神與原理，並且提供本提案之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本提案之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本提案之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本提案相關之目的及優點。

「第1圖」係為根據本提案實施例之水分感測裝置，其佈建配置圖。水分感測裝置包括至少一感測節點100，且各個感測節點100均包括一感測區10與一電路區20。如「第1圖」所示，水分感測裝置可大範圍地佈建於各式感測區域，以量測感測區域中介質的水分比率。其中，本提案提出之水分感測裝置，可適於檢測土壤、泥沙等物質中的水分比率。以下之說明，係將水分感測裝置應用於土壤中水分比率之量測，作為本提案一實施例之說明。然而，於其他實施例中，本提案提出之水分感測裝置，亦可以應用於泥沙中水分比率的檢測。欲檢測的介質種類並非用以限定本提案之發明範疇，且熟習本提案之技術領域者可根據本提案實施例之提案內容，自行應用於所欲檢測之介質種類，皆屬於本提案之提案範圍。

「第2圖」係為根據「第1圖」之感測節點之電路方塊圖。感測區10具有一感測器102，電路區20具有振盪器104、訊號處理模組106、電源供應模組108與記憶體單元110。其中電源供應模組108係電性連接於電源供應端VCC、感測器102、振盪器104與訊號處理模組106，以提供電力訊號V_in 於上述各元件，令該等元件可維持其工作操作模式。

振盪器104電性連接於感測器102，並提供一振盪訊號V_F 。感測器102接收振盪訊號V_F 後，即可根據振盪訊號V_F 之振盪頻率(意即控制對待測土壤之充放電時間)量測感測區10中土壤的電容訊號V_C 。

詳細而言，請一併參閱「第3圖」，係為根據本提案實施例之感測器之硬體結構示意圖。感測器102包括一四層印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)，其具有第一基板301、第二基板302與膠片303。根據本提案之實施例，膠片303可以是厚度2.5mil的黏合片(Prepreg)基材，於其雙面分別印製有上電極310,311與下電極312,313。其中，上電極310與下電極312係為面積相同之銅箔，其形成於膠片303之二上下表面，並構成與正反二面等距之一組電極A。上電極311與下電極313亦為面積相同之銅箔，形成於膠片303之二上下表面，並構成與正反二面等距之另一組電極B。第一基板301與第二基板302可分別為厚度31.5mil的玻璃纖維板(FR-4 core)，上下壓合於膠片303的兩側。最後，第一基板301與第二基板302之表面再各自塗佈有防焊材料，例如：綠漆(Solder Mask)，以形成總厚度65.5mil的電路基板。其中，上述各厚度僅為舉例，並非用以限制本提案之範圍。

因此，當感測器102設置於感測區10中時，感測器102主要係藉由其內部電路之電極A與電極B，經過第一基板301與第二基板302之絕緣後，測量電極A之第一基板301以上的土壤與第二基板302之下的土壤，與電極B之第一基板301以上的土壤與第二基板302之下的土壤之間形成之電容訊號V_C ，以將該偵測到的電容訊號V_C 提供訊號處理模組106進行後續的訊號分析。其中，為有效感測電容訊號V_C ，根據本提案之實施例，電極A與電極B係設計為二平板狀的電極片，並可依據需求電容量而調整電極A與電極B之間的間距。

如「第2圖」所示，訊號處理模組106電性連接於感測器102，並且包括第一處理器(或稱電容電壓轉換器)12、類比數位轉換器14(Analog-to-Digital Converter，ADC)及第二處理器16。其中類比數位轉換器14電性連接於第一處理器12與第二處理器16之間，且第二處理器16連接記憶體單元110。

根據本提案之實施例，電性連接於感測器102的第一處理器12，於接收電容訊號V_C 後，係將電容訊號V_C 轉換為類比電壓訊號V_A 。類比數位轉換器14電性連接於第一處理器12，並於接收類比電壓訊號V_A 後，將其轉換為數位電壓訊號V_D 輸出至第二處理器16。

「第4圖」係為根據本提案實施例之第二處理器，其係將電壓訊號轉換為水分比率之數據分析圖。由圖中可見，其橫軸與縱軸分別代表數位電壓訊號與土壤中的體積含水量(Volumetric Water Content，VWC)。於此，請一併參照「第2圖」，第二處理器16接收數位電壓訊號V_D 後，即可根據記憶體單元110中預先儲存有的比對校正參數表，轉換並輸出感測區10中土壤的體積含水量。其中，記憶體單元110可以是但不限於電子抹除式可複寫唯讀記憶體(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)。於本提案之其他實施例中，記憶體單元110亦可省略，而將前述比對校正參數表儲存於第二處理器16內建之記憶體中。

具體而言，根據本提案實施例之水分感測裝置，係根據關係式

進行各個感測區10中土壤水分比率之量測，其中c係為位於感測區10之感測器102上下電極310,312間量測到的電容訊號V_C 之電容值，k係為幾何常數，ε₀ 係為空氣或真空中的介電常數(通常為1)。因此，藉由偵測土壤於上下電極310,312間的電容訊號V_C ，即可估算出土壤與水分於體積比例混合後的相對介電常數(Relative Permittivity)ε_r 。

由於土壤的介電常數大約為3-7，水分的介電常數為80，當二者比例混合時，混合後的相對介電常數ε_r 即會與土壤中水分的含量呈正比例關係。於此，根據本提案實施例之水分感測裝置，即可藉由感測器102測量電容訊號V_C 的變化，而推算出各個感測節點中土壤含水量的比率。

其次，由於土壤的溫度、導電度皆會對相對介電常數ε_r 造成影響，導致電容訊號V_C 的飄移。為了降低這些干擾因子的作用，根據本提案之較佳實施例，振盪器104輸出之振盪訊號V_F 的頻率應以大於或等於10百萬赫玆(Mega Hertz，MHz)，且電容訊號V_C 所對應的電容值不大於2奈法拉(nano-Farad，nF)為佳，以令土壤之導電度、溫度等干擾因子的影響幅度小於5%，進而提高水分感測裝置之感確精度。根據本提案之較佳實施例，可藉由調變「第3圖」中第一基板301與第二基板302的厚度，電極A與電極B之面積與間距，並考量待測土壤之土壤特性，以控制電容訊號V_C 電容值的大小。於本提案之其他實施例中，若不以此較佳頻率及電容值進行感測，亦可採用溫度補償搭配溫度感測器之方式得到較精確之電容值及水分比率。

「第5A圖」至「第5C圖」係分別為根據本提案實施例之感測節點，其實際架構示意圖。由圖中可見，感測節點100包括一感測器本體50、一處理器本體52與電性連接於感測器本體50與處理器本體52之間的訊號線54。

根據本提案實施例之感測節點，設計者可自行將「第2圖」中的各電路元件(包括：振盪器104、第一處理器12、類比數位轉換器14、第二處理器16與感測器102)選擇性地各自整合於感測器本體50或處理器本體52中。

舉例而言，根據本提案實施例之水分感測裝置，係將感測區 10之感測器102、振盪器104與第一處理器12一併整合於感測器本體50中，其中振盪器104與第一處理器12之電路更設置於模具壓合的橡膠上下蓋之中，達到防水保護的目的。至於其他的訊號處理單元(包括：類比數位轉換器14與第二處理器16)則設置於處理器本體52中，再透過訊號線54完成感測器本體50與處理器本體52之間訊號的電性連接，以達到感測節點100分析水分比率之效。其中，訊號線54可以一體成形為感測器本體50與處理器本體52的一部份，亦可以是以可插拔的方式連接於感測器本體50與處理器本體52之間。於此，訊號線54可以是但不限於RJ-11或M8型防水接頭電纜線。

然而，感測器本體50的外觀、形狀與其內部所包括之電路元件，並非用以限定本提案之發明範疇。舉例而言，為了利於感測器本體50插設於檢測土壤中，感測器本體50之外觀可以是如「第5A圖」之筆狀、抑或是如「第5B圖」之音叉狀、或是「第5C圖」之中空殼體。凡透過感測器感測土壤於電極A與電極B之間的電容值，並據以轉換為土壤體積含水量者，皆隸屬本提案之發明範圍。

其次，為了增加感測節點之訊號強度，「第6圖」係為根據本提案第二實施例之感測節點之電路方塊圖。其中，感測節點100a包括感測器102、振盪器104、第一處理器12、類比數位轉換器14、第二處理器16、電源供應模組108、記憶體單元110與低通濾波器18。低通濾波器18係配置於第一處理器12與類比數位轉換器14之間，以濾除類比電壓訊號V_A 中的高頻雜訊。其次，低通濾波器18亦可配置於電源供應模組108、振盪器104與訊號處理模組106a之間，於此，低通濾波器18亦可用以濾除電力訊號V_in 中的高頻雜訊，以提供較佳之訊號強度。

「第7圖」係為根據本提案第三實施例之感測節點之電路方塊圖，「第8圖」係為根據「第7圖」之感測節點，其佈建配置圖。其中，感測節點100b之電路區20a包括振盪器104、訊號處理模組106、電源供應模組108、記憶體單元110與無線通訊模組112。無線通訊模組112係電性連接於訊號處理模組106之第二處理器16，於此，無線通訊模組112接收第二處理器16輸出的土壤含水比率後，即可透過天線114，以將第二處理器16輸出的土壤含水比率無線發送至網路協調器(Coordinator)200。

根據本提案之實施例，網路協調器200係無線接收來自各個感測節點100b之感測區10的土壤含水率，並負責協調無線感測網路拓樸(Topology)與各個感測節點100b的通訊路徑，以在接收各個感測節點100b之感測區10的土壤含水率後，形成封包或位址資料。接著，網路協調器200係經由主動或被動方式，將此無線封包或位址資料，藉由資料傳輸介面32傳輸至後端之中控主機300。中控主機300包括至少一圖控軟體，以將接收到之土壤含水率藉由影像後製、數據分析、或圖像處理後呈現給使用者，令使用者依據感測數據進行後續實務層面之分析、資料處理甚至災害防治。其中，資料傳輸介面32可以是但不限於RS-232、RS-485、通用序列匯流排(Universal Serial Bus，USB)或乙太網路(Ethernet)。

綜上所述，本提案提出之水分感測裝置，係利用複數個感測節點，檢測各個感測節點所對應之感測區之土壤含水比率。其中各個感測節點兼具感測、運算、無線傳輸等功能，以利於將各感測區之土壤含水比率無線傳送至使用端，令使用者得以即時監測環境變化、進行後續之資料分析、迴授控制或災害防治。

本提案提出之水分感測裝置，基於電容式的感測基礎，並應用介電感測原理，檢測環境中介質之含水比例，不僅透過控制偵測電容量測訊號之頻率，以達到高量測精度、製作成本低之優點，並且因簡化量測原理與程序，大幅地降低感測器之耗電量。

本提案提出之水分感測裝置更可與強調低耗電之無線感測網路(Wireless Sensor Network，WSN)技術相結合，以提昇感測裝置之應用性與佈建便利性。

雖然本提案以前述的較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何熟習相像技藝者，在不脫離本提案之精神與範圍內，當可作些許更動與潤飾，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．感測區

12．．．第一處理器

14．．．類比數位轉換器

16．．．第二處理器

18．．．低通濾波器

20,20a．．．電路區

32．．．資料傳輸介面

50．．．感測器主體

52．．．處理器主體

54．．．訊號線

102．．．感測器

104．．．振盪器

106,106a．．．訊號處理模組

108．．．電源供應模組

100,100a,100b．．．感測節點

110．．．記憶體單元

112．．．無線通訊模組

114．．．天線

200．．．網路協調器

300．．．中控主機

301．．．第一基板

302．．．第二基板

303．．．膠片

310．．．上電極

311．．．上電極

312．．．下電極

313．．．下電極

第1圖係為根據本提案實施例之水分感測裝置，其佈建配置圖。

第2圖係為根據「第1圖」之感測節點之電路方塊圖。

第3圖係為根據本提案實施例之感測器之硬體結構示意圖。

第4圖係為根據本提案實施例之第二處理器，其係將電壓訊號轉換為水分比率之數據分析圖。

第5A圖至第5C圖係分別為根據本提案實施例之感測節點，其實際架構示意圖。

第6圖係為根據本提案第二實施例之感測節點之電路方塊圖。

第7圖係為根據本提案第三實施例之感測節點之電路方塊圖。

第8圖係為根據「第7圖」之感測節點，其佈建配置圖。

10．．．感測區

20．．．電路區

100．．．感測節點

Claims (11)

1. 一種水分感測裝置，適於檢測一介質中的水分比率，該水分感測裝置包括至少一感測節點，該感測節點包括：一感測區，具有一感測器，該感測器具有二平板電極，該二平板電極互相平行，該感測器係用以測量該介質於該感測區的該二電極間的一第一電壓訊號；以及一電路區，包括：一振盪器，電性連接於該感測器，該振盪器係提供一振盪訊號，令該感測器根據該振盪訊號測量該介質於該感測區的該二電極間的該第一電壓訊號；以及一訊號處理模組，電性連接於該感測器，該訊號處理模組接收該介質於該感測區的該二電極間的該第一電壓訊號後，依據該第一電壓訊號與一比對校正參數表以轉換並輸出該介質於該感測區中的水分比率，該比對校正參數表係關於描述該第一電壓訊號與該感測區中的水分比率的關係的統計資料。
2. 如請求項1所述之水分感測裝置，其中該訊號處理模組包括：一第一處理器，電性連接於該感測器，該第一處理器係接收並轉換該第一電壓訊號，並輸出一類比電壓訊號；一類比數位轉換器，電性連接於該第一處理器，該類比數位轉換器係接收並轉換該類比電壓訊號，並輸出一數位電壓訊號；以及 一第二處理器，電性連接於該類比數位轉換器，該第二處理器係接收並依據該數位電壓訊號與該比對校正參數表以輸出該介質於該感測區中的水分比率，其中該比對校正參數表係關於描述該數位電壓與該感測區中的水分比率的關係的統計資料。
3. 如請求項2所述之水分感測裝置，其中該第二處理器更電性連接於一記憶體單元，且該記憶體單元中儲存有該比對校正參數表。
4. 如請求項2所述之水分感測裝置，更包括一低通濾波器，配置於該第一處理器與該類比數位轉換器之間，該低通濾波器係用以濾除該類比電壓訊號中的高頻訊號。
5. 如請求項1所述之水分感測裝置，更包括一電源供應模組，以提供一電力訊號於該感測器、該訊號處理模組與該振盪器。
6. 如請求項5所述之水分感測裝置，更包括一低通濾波器，配置於該電源供應模組、該振盪器與該訊號處理模組之間，該低通濾波器係用以濾除該電力訊號中的高頻訊號。
7. 如請求項1所述之水分感測裝置，其中該電路區更包括一無線通訊模組，電性連接於該訊號處理模組，以無線發送該介質於該感測區中的水分比率。
8. 如請求項7所述之水分感測裝置，更包括一網路協調器(Coordinator)，以無線接收該介質於該感測區中的水分比率。
9. 如請求項8所述之水分感測裝置，其中該網路協調器包括至少 一資料傳輸介面，該介質於該感測區中的水分比率係藉由該資料傳輸介面傳輸至至少一中控主機。
10. 如請求項9所述之水分感測裝置，其中該資料傳輸介面係為RS-232、RS-485、通用序列匯流排(Universal Serial Bus，USB)或乙太網路(Ethernet)。
11. 如請求項1所述之水分感測裝置，其中該振盪訊號的頻率係至少為10百萬赫茲(Mega Hertz，MHz)，且該第一電壓訊號所對應的一電容值不大於2奈法拉(nano-Farad，nF)。