TWI662275B - 感測裝置以及感測系統 - Google Patents

Abstract

一種感測裝置，包括一本體、一控制單元以及一電源供應單元。本體包括一第一含水量偵測部，其中第一含水量偵測部為耦合電容式者。控制單元設置於本體上，並電性連接第一含水量偵測部。電源供應單元設置於本體上，並電性連接控制單元。

Description

感測裝置以及感測系統

本發明是有關於一種感測裝置以及感測系統，且特別是有關於一種偵測土壤含水量的感測裝置以及包括此感測裝置的感測系統。

現有的土壤含水量感測器，其是由主體、感測電極組、電場電極組以及感測控置模組所組成。主體的周圍側壁上形成有多個貫穿孔，這些貫穿孔會與感測空間相連通。感測電極組是由二感測電極片組成，且感測電極片呈相對地接設於主體，並凸伸至感測空間內。電場電極組包含二多孔導電片，而多孔導電片呈相對地環設於主體的周圍側壁，並覆蓋這些貫穿孔。多孔導電片與感測電極片呈錯位設置。感測控制模組分別與感測電極組及電場電極組電性耦接。當待測土壤中的含水逐漸經由貫穿孔滲入於感測空間時，由於細沙中混有水分，而逐漸改變其作為導電介質的型態，以致感測電極片之間的電容值亦隨細沙中的含水量提升而上升，此時能隨土壤含水量變化測得相對的電容值。

由於現有的土壤含水量感測器的主體具有貫穿孔的設計，因此容易有被土石粉或雜物阻塞而需維護清洗，或者是，因部分堵塞而造成進水流量不均，進而影響感測準確度與可靠度。此外，上述以電容式的方式來感測土壤中的水位高低，此設計僅適用於桶型水位計，故於戶外土壤使用時，大都須使用過複雜的結構以濾網先將土壤中的水引入管內之後再量測其水位高度。

本發明提供一種感測裝置，適於偵測土壤中的含水量。

本發明還提供一種感測系統，其發光裝置與上述的感測裝置以無線傳輸的方式互相傳遞訊號，以監測土壤中的含水量。

本發明的感測裝置，其包括一本體、一控制單元以及一電源供應單元。本體包括一第一含水量偵測部，其中第一含水量偵測部為耦合電容式者。控制單元設置於本體上，並電性連接第一含水量偵測部。電源供應單元設置於本體上，並電性連接控制單元。

本發明的感測系統，其包括一發光裝置以及至少一如上述所述的感測裝置。

基於上述，相較於習知感測裝置的主體的周圍側壁須設置與感測空間相連接的貫穿孔而言，本發明的感測裝置的本體包括含水量偵測部，其無貫穿孔的設計，因此沒有阻塞、老化或維護清洗的問題，維護成本較低。此外，本發明的感測裝置是以耦合電容的方式進行土壤含水量的偵測，相較於習知是以電容式的方式進行水位偵測的感測裝置而言，具有結構簡單、低成本以及較高偵測準確度與可靠度的優點。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A繪示為本發明的感測系統的示意圖。圖1B繪示為圖1A的感測系統的感測裝置的電路方塊圖。圖2A繪示為圖1A的感測系統的感測裝置的示意圖。圖2B繪示為圖2A的感測裝置的另一面的示意圖。圖2C繪示為圖2A的感測裝置的局部剖面示意圖。圖2D繪示為圖2A的感測裝置的水位偵測部的局部剖面示意圖。

請先同時參考圖1A、圖1B以及圖2A，在本實施例中，感測系統10包括一發光裝置100以及至少一感測裝置200（圖1A中僅示意地繪示一個）。此處，感測裝置200適於插入一土壤S內，而感測裝置200以無線傳輸訊號的方式與發光裝置100進行無線傳輸，其中發光裝置100例如是一智慧型路燈，但並不以此為限。感測裝置200包括一本體210、一控制單元220以及一電源供應單元230。本體210包括一第一含水量偵測部212。控制單元220設置於本體210上，並電性連接第一含水量偵測部212。電源供應單元230設置於本體210上，並電性連接控制單元220。

詳細來說，請同時參考圖2A與圖2C，本實施例的本體210的第一含水量偵測部212為耦合電容式者，包括一核心絕緣層212a、一感測電極212b、一絕緣層212c、二屏蔽電極212d以及一容置槽212e。感測電極212b配置於核心絕緣層212a上，而絕緣層212c配置於核心絕緣層212a上，且覆蓋感測電極212b。二屏蔽電極212d彼此分離地配置於絕緣層212c上，且暴露出部分絕緣層212c。如圖2C所示，感測電極212b於核心絕緣層212a上的正投影位於二屏蔽電極212d於核心絕緣層212a上的正投影之間。容置槽212e設置於二屏蔽電極212d之間且延伸至絕緣層212c內，其中容置槽212e的一深度D為絕緣層212c的一厚度P的0.5倍至0.95倍。此處，容置槽212e的深度D介於0.05公釐至1.15公釐之間。

本實施例的本體210的外型為薄板狀，其中此薄板狀的本體210的底部為尖嘴狀，但並不以為限。於其他實施例中，本體210的底部亦可為圓弧狀，如試管的底部，此仍屬於本發明所欲保護的範圍。再者，本體210的第一含水量偵測部212是位於土壤S（請參考圖1A）內，因此為了減緩或避免電極氧化的問題，本實施例的本體210可更包括一防銲層213，覆蓋第一含水量偵測部212，其中防銲層213暴露出容置槽212e。感測電極212b具體化為單片電極，而二屏蔽電極212d不通電且做為屏蔽帶。水分適於從土壤S流入容置槽212e內，且水分於容置槽212e內的深度D與感測電極212b形成耦合電容。二屏蔽電極212d可以隔離容置槽212e之外的水分對第一含水量偵測部212的干擾，使偵測更為準確。也就是說，二屏蔽電極212d可以使感測電極212b只感測到容置槽212e內的水分，此結構的屏蔽效果可大幅提升對耦合電容值的量測精準度。如圖2C所示，容置槽212e的剖面形狀可為V型，當然於其他未繪示的實施例中，容置槽212e的剖面形狀可為U型或其他適當的形狀，於此並不加以限制。

再者，請同時參考圖2B與圖2C，本實施例的本體210可更包括一第二含水量偵測部214，電性連接控制單元220。特別是，第二含水量偵測部214亦為耦合電容式者，其與第一含水量偵測部212相對設置，意即本實施例的感測裝置200為具有雙面感測結構的感測器。第二含水量偵測部214包括一絕緣層214a以及多個感測電極（圖2B中僅示意地繪示三個感測電極214b1、214b2、214b3）。感測電極214b1、214b2、214b3彼此分離地配置於絕緣層214a上，且暴露出部分絕緣層214a。

具體來說，第二含水量偵測部214是位於土壤S下，而感測電極214b1、214b2、214b3則是位於土壤S下不同深度之處，以感測不同深度的土壤S的含水量。為了減緩或避免電極氧化的問題，本實施例的本體210可更包括一防銲層215，覆蓋第二含水量偵測部214。感測電極214b1、214b2、214b3的材質例如是銅箔，較佳地，感測電極214b1與感測電極214b2之間的間距T以及感測電極214b2與感測電極214b3之間的間距T例如是介於1公釐至30公釐之間。此外，本體210還可更包括一接地電極217，配置於第一含水量偵測部212與第二含水量偵測部214之間。

如圖2C所示，由於感測電極212b位於二屏蔽電極212d與接地電極217之間，作為基礎的背景電容相對穩定。因此，土壤S中的水分在容置槽212e中的深度D，會與感測電極212b形成耦合電容，藉由量測此耦合電容透過計算即可得到較精確的含水量數值。感測電極212b適於偵測水平距離例如為2公分內含水土壤S的一第一含水狀態，而第二感測電極214b1、214b2、214b3適於偵測水平距離例如為2公分內含水土壤S的一第二含水狀態，其中第一含水狀態的含水量大於第二含水狀態的含水量。換言之，第一含水量偵測部212適用於高含水量時的數據偵測，可用作園藝與農藝用途，且所獲得的數據可用來預測土石流，而第二含水量偵測部214適用於低含水量時的數據偵測。

再者，本實施例的本體210還更包括至少一自我偵測迴路219（圖2A與圖2B中分別繪示一個），其中自我偵測迴路219分別配置於第一含水量偵測部212的周圍以及第二含水量偵測部214的周圍，並電性連接控制單元220。當然，於其他未繪示的實施例中，亦可只有一個自我偵測迴路219，配置於第一含水量偵測部212的周圍或第二含水量偵測部214的周圍，此仍屬於本發明所欲保護的範圍。

更進一步來說，本實施例的控制單元220例如是一微處理器（MCU）。自我偵測迴路219分別連接控制單元220的兩個腳位(GPIO)，其中一個腳位設定為輸出高準位，另一個腳位設定為低準位出發終端的輸入，可做為感測裝置200是否損壞斷裂的監測。當於土石流監測的時機，益可作為土石流發生時產生的土石位移至使感測裝置200斷裂的訊號發報。原理在於：當土石流發生時會使自我偵測迴路219受損斷裂，輸出的高準位因斷裂無法傳遞到輸入端，以使控制單元220中斷而發出警報。也就是說，自我偵測迴路219可視為是斷線警報器，除了可做為感測裝置200的損壞感測外，也做為水分飽和後產生土石位移致使感測裝置200毀壞的警報裝置。值得一提的是，控制單元220中亦可具有計時器，可建立土壤S對時間的含水量數據。

此外，本實施例的本體210還包括一水位偵測部218，位於第一含水量偵測部212的上方。水位偵測部218包括一絕緣層218a、一感測電極218b、二浮置電極218c以及一水位偵測槽218d。感測電極218b配置於絕緣層218a上，而二浮置電極218c彼此分離地配置於絕緣層218a上，且暴露出部分絕緣層218a，其中感測電極218b位於二浮置電極218c於絕緣層218a上的正投影之間。水位偵測槽218d位於浮置電極218c之間且延伸至絕緣層218a內。如圖1A與2A所示，本實施例的水位偵測部218是位於土壤S上，用以偵測土壤S上的水位，可作為淹水警報。此處，本實施例的水位偵測部218的結構設計與第一含水量偵測部212的結構設計相似，但並不以此為限。特別是，控制單元220電性連接自我偵測迴路219、水位偵測部218以及第一含水量偵測部212，意即控制單元220可同時控制土壤S上的水位偵測部218以及土壤S下的第一含水量偵測部212。

再者，請再參考圖2A，本實施例的感測裝置200還包括一導水結構240，套設於本體210上，其中導水結構240具有一環狀導水部242以及多個排水孔244，而排水孔244分散配置於環狀導水部242且貫穿環狀導水部242。導水結構240的環狀導水部242可將水分導到外緣，再由位於外緣的排水孔244流出，可避免水分沿本體210的表面流下。也就是說，導水結構240的環狀導水部242可使水分均勻分散至土壤S中，可減少局部注水所造成的測量誤差。較佳地，以挖土埋入的方式將感測裝置200置入於土壤S中，使土壤S的表面約略等高導水結構240的環狀導水部242。此處，導水結構240的環狀導水部242的外徑W2至本體210的外徑W1的一水平距離H介於2公分至20公分之間，而此水平距離H即為第一含水量偵測部212與第二含水量偵測部214適於偵測的範圍。

此外，本實施例的感測裝置200還包括一傳輸單元250，配置於本體210上，並電性連接至控制單元220。傳輸單元250包括一天線252，適於收發發光裝置100的一無線訊號。另外，感測裝置200還更包括一蓋體260，套設於本體210上，且覆蓋控制單元220、傳輸單元250以及電源供應單元230。此處，蓋體260的材質例如是塑膠，具有保護元件（如控制單元220、電源供應單元230、傳輸單元250）及防水的功能。

簡言之，在本實施例的感測裝置200的設計中，本體210包括相對設置的第一含水量偵測部212與第二含水量偵測部214，其可視為是一多層印刷電路板，如四層板（感測電極212b、二屏蔽電極212d、接地電極217以及感測電極214b1、214b2、214b3），或是以塑膠射出加上金屬導體電路與電極的結構設計，具有結構簡單、穩定性佳以及低成本的優勢，且適合長時間使用並無須維修。再者，本實施例的感測裝置200可作為發光裝置100的無線感測器。感測裝置200可將感測到的土壤S的含水量或土壤S上的水位高度等訊息，藉由發光裝置100既有的無線網路傳輸到雲端，如此僅需佈建感測裝置200便可達到智慧農業與智慧公園中對植物土壤水分的監測，也可於山坡地佈建感測裝置200做為土石流的預警。此外，本實施例的感測裝置200同時具有偵測土壤S內含水量與土壤S上水位高度的功能，亦即本實施例的感測裝置200可視為是複合式感測器，可偵測的水分從零到超過飽和水分而形成積水，都在本實施例的感測裝置200的感測範圍內。

值得一提的是，雖然在本實施例的本體210的設計中，同時具有第一含水量偵測部212以及第二含水量偵測部214。但於其他未繪示的實施例中，本體210亦可以只有第一含水量偵測部212，意即第一含水量偵測部212可單獨存在，以提供近距離的土壤S的含水量的監測。

在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參照前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖3A繪示為本發明的另一實施例的一種感測裝置的示意圖。圖3B繪示為圖3A的感測裝置的水位偵測部的局部剖面示意圖。請同時參照圖2A、圖2C、圖3A與圖3B，本實施例的感測裝置200a與圖2A的感測裝置200相似，兩者的差異在於：本實施例的水位偵測部218’包括一絕緣層218a’以及多個感測電極218b’，其中感測電極218b’彼此分離地配置於絕緣層218a’上，且暴露出部了絕緣層218a’。也就是說，本實施例的水位偵測部218’的結構設計與第二含水量偵測部214的結構設計相似。

圖4繪示為本發明的另一實施例的一種感測裝置的示意圖。請同時參照圖2A與圖4，本實施例的感測裝置200b與圖2A的感測裝置200相似，兩者的差異在於：本實施例的控制單元220a包括一第一控制部222a以及一第二控制部224a。第一控制部222a電性連接自我偵測迴路219與水位偵測部218，而第二控制部224a電性連接第一含水量偵測部212。也就是說，土壤S上的水位偵測部218可與土壤S下的第一含水量偵測部212獨立控制。

圖5繪示為本發明的感測裝置進行偵測時土壤相對飽和溼度與取樣時間的曲線圖。

請參考圖5，對感測裝置200而言，首先會先感測到環境的物質的電容值，透過數值計算即可得到土壤相對飽和濕度，如圖5所標示的環境值，而乾燥的材質其數值不高且接近於零。當濕度變化而水分靠近感測裝置200時，感測值會增加，透過數值計算後所得到的土壤相對飽和濕度於圖5中的水分接近的區塊中明顯上升；當水分不再增加時，則土壤相對飽和濕度值趨於穩定值，如圖5所示的土壤濕度的區塊，以此值來判定感測裝置200附近土壤的含水狀況。

圖6A至圖6C分別繪示為本發明的感測裝置的第二含水量偵測部對不同含水量的土壤進行偵測時的土壤相對飽和溼度與取樣時間的曲線圖。

請先參考圖6A，對感測裝置200的第二含水量偵測部214的感測電極214b1、214b2、214b3而言，首先，會先感測到環境的物質的電容值。由於乾燥的材質其數值不高且接近於零，因此透過數值計算所得到土壤相對飽和濕度約在5%左右。

接著，請參考圖6B，當濕度變化而水分靠近感測裝置200時，由於水分還沒有很多，因此僅有感測電極214b2、214b3感測到水分，而感測電極214b3還是維持在環境值。也就是說，感測電極214b2、214b3因感測到水分的變化，所以土壤相對飽和溼度會從環境值約5%左右逐漸上升至趨於穩定值，而感測電極214b3因為還沒有感測到水分的變化，因此其土壤相對飽和溼度仍維持在5%左右。

最後，請參考圖6C，當水分更多時，感測電極214b1、214b2、214b32都分別感測到水分的變化，因此感測電極214b2、214b3感測後所計算出的土壤相對飽和溼度會再持續上升後而趨於穩定值，而感測電極214b1感測後所計算出的土壤相對飽和溼度則從原來的環境值逐漸上升後而趨於穩定值。

綜上所述，相較於習知感測裝置的主體的周圍側壁須設置與感測空間相連接的貫穿孔而言，本發明的感測裝置的本體包括含水量偵測部，其無貫穿孔的設計，因此沒有阻塞、老化或維護清洗的問題，維護成本較低。此外，本發明的感測裝置是以耦合電容的方式進行土壤含水量的偵測，相較於習知是以電容式的方式進行水位偵測的感測裝置而言，具有結構簡單、低成本以及較高偵測準確度與可靠度的優點。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10：感測系統 100：發光裝置 200、200a、200b：感測裝置 210：本體 212：第一含水量偵測部 212a：核心絕緣層 212b：感測電極 212c：絕緣層 212d：屏蔽電極 212e：容置槽 213、215：防銲層 214：第二含水量偵測部 214a：絕緣層 214b1、214b2、214b3：感測電極 217：接地電極 218、218’：水位偵測部 218a、218a’：絕緣層 218b、218b’：感測電極 218c：浮置電極 218d：水位偵測槽 219：自我偵測迴路 220、220a：控制單元 222a：第一控制部 224a：第二控制部 230：電源供應單元 240：導水結構 242：環狀導水部 244：排水孔 250：傳輸單元 252：天線 260：蓋體 D：深度 H：水平距離 P：厚度 S：土壤 T：間距 W1、W2：外徑

圖1A繪示為本發明的感測系統的示意圖。 圖1B繪示為圖1A的感測系統的感測裝置的電路方塊圖。 圖2A繪示為圖1A的感測系統的感測裝置的示意圖。 圖2B繪示為圖2A的感測裝置的另一面的示意圖。 圖2C繪示為圖2A的感測裝置的局部剖面示意圖。 圖2D繪示為圖2A的感測裝置的水位偵測部的局部剖面示意圖。 圖3A繪示為本發明的另一實施例的一種感測裝置的示意圖。 圖3B繪示為圖3A的感測裝置的水位偵測部的局部剖面示意圖。 圖4繪示為本發明的另一實施例的一種感測裝置的示意圖。 圖5繪示為本發明的感測裝置進行偵測時土壤相對飽和溼度與取樣時間的曲線圖。 圖6A至圖6C分別繪示為本發明的感測裝置的第二含水量偵測部對不同含水量的土壤進行偵測時的土壤相對飽和溼度與取樣時間的曲線圖。

Claims (15)

1. 一種感測裝置，包括：一本體，包括一第一含水量偵測部，其中該第一含水量偵測部為耦合電容式者，且該第一含水量偵測部包括：一核心絕緣層；一感測電極，配置於該核心絕緣層上；一絕緣層，配置於該核心絕緣層上，且覆蓋該感測電極；二屏蔽電極，彼此分離地配置於該絕緣層上，且暴露出部分該絕緣層，其中該感測電極於該核心絕緣層上的正投影位於該些屏蔽電極於該核心絕緣層上的正投影之間；以及一容置槽，設置於該些屏蔽電極之間且延伸至該絕緣層內；以及一控制單元，設置於該本體上，並電性連接該第一含水量偵測部。
2. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，更包括：一電源供應單元，設置於該本體上，並電性連接該控制單元。
3. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，其中該本體更包括：一第二含水量偵測部，電性連接該控制單元，該第一含水量偵測部與該第二含水量偵測部係相對設置，其中該第二含水量偵測部為耦合電容式者。
4. 如申請專利範圍第3項所述的感測裝置，其中該第二含水量偵測部包括：一絕緣層；以及多個感測電極，彼此分離地配置於該絕緣層上，且暴露出部分該絕緣層。
5. 如申請專利範圍第3項所述的感測裝置，其中該本體更包括：一接地電極，配置於該第一含水量偵測部與該第二含水量偵測部之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，更包括：一導水結構，套設於該本體上，且具有一環狀導水部以及多個排水孔，其中該些排水孔分散配置於該環狀導水部且貫穿該環狀導水部。
7. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，其中該本體更包括：至少一自我偵測迴路，配置於該第一含水量偵測部的周圍，並電性連接該控制單元。
8. 如申請專利範圍第7項所述的感測裝置，其中該本體更包括：一水位偵測部，位於該第一含水量偵測部的上方。
9. 如申請專利範圍第8項所述的感測裝置，其中該水位偵測部包括：一絕緣層；一感測電極，配置於該絕緣層內；二浮置電極，彼此分離地配置於該絕緣層上，且暴露出部分該絕緣層，其中該感測電極位於該些浮置電極於該絕緣層上的正投影之間；以及一水位偵測槽，位於該些浮置電極之間且延伸至該絕緣層內。
10. 如申請專利範圍第8項所述的感測裝置，其中該水位偵測部包括：一絕緣層；以及多個感測電極，彼此分離地配置於該絕緣層上，且暴露出部了該絕緣層。
11. 如申請專利範圍第8項所述的感測裝置，其中該控制單元包括：一第一控制部，電性連接該自我偵測迴路與該水位偵測部；以及一第二控制部，電性連接該第一含水量偵測部。
12. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，更包括：一傳輸單元，配置於該本體上，並電性連接至該控制單元。
13. 如申請專利範圍第12項所述的感測裝置，更包括：一電源供應單元，設置於該本體上，並電性連接該控制單元；以及一蓋體，套設於該本體上，且覆蓋該控制單元、該傳輸單元以及該電源供應單元。
14. 如申請專利範圍第12項所述的感測裝置，其中該傳輸單元包括：一天線，以收發一無線訊號。
15. 一種感測系統，包括：一發光裝置；以及至少一如申請專利範圍第1項至第14項任一項所述的感測裝置。