CN109154590A - 土壤传感器组件 - Google Patents

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CN109154590A CN201680080525.8A CN201680080525A CN109154590A CN 109154590 A CN109154590 A CN 109154590A CN 201680080525 A CN201680080525 A CN 201680080525A CN 109154590 A CN109154590 A CN 109154590A
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Abstract

公开了一种土壤传感器组件和测量未受扰动的土壤的方法。土壤传感器组件可以是体积含水量(VWC)传感器。土壤传感器组件可以包括至少一个土壤探测器。土壤探测器可以固定在支撑件上，以使土壤传感器组件能够安装在目标土壤中。土壤探测器可以包括沿着支撑件在预定的纵向位置处同心地固定的螺旋片。土壤探测器可以包括至少一个射频(RF)电极，该射频电极在离支撑件的纵向轴线预定的径向距离处固定到螺旋片。土壤传感器组件还可以包括至少一个电子单元，该至少一个电子单元耦接到RF电极以接收和/或发送来自RF电极的RF信号。土壤传感器组件能够实现自攻安装动作和/或实现疏远土壤测量(例如，由RF电极)以远离受扰动的土壤。

Description

土壤传感器组件
背景技术
1.技术领域
本发明公开了一种可旋转锚定的土壤传感器，其提供了未受扰动(原状)的土壤的无偏差的测量的简单工具。
2.相关技术的讨论
目前的体积含水量(VWC)轮廓(剖面)传感器可以包括杆(桩)和/或缠绕在杆周围的圆形射频(RF)电极。通常，目前的VWC传感器在安装过程中会显著扰动目标土壤和/或可能需要预钻工序以便安装。不匹配的预钻和VWC传感器的尺寸可能导致VWC传感器与土壤之间的接触不良。受扰动的土壤和/或土壤与湿度传感器之间的接触不良可能引起测量误差。例如，VWC传感器与土壤之间会产生间隙，其中会产生竖直水流和/或空隔(容纳)，从而影响目标土壤的VWC测量。此外，预钻要求会增加安装成本。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种土壤传感器组件，包括：可旋转地锚定在土壤中的可旋转锚定部分；安装在可旋转锚定部分上的至少一个土壤传感器；以及通信器，用于将至少一个土壤传感器的至少一个输出传播到远离至少一个土壤传感器组件的位置。
本发明的另一方面提供了一种体积含水量(VWC)传感器，包括：能够使VWC传感器安装在目标土壤中的支撑件；定位在沿着支撑件的预定的纵向位置处的至少一个VWC探测器(探针)，该至少一个VWC探测器包括：螺旋片(叶片)，其沿其侧向内侧固定到支撑件的外表面，以及至少一个射频(RF)电极，其在离支撑件预定的径向距离处固定到螺旋片；以及至少一个电子单元，其耦接到至少一个RF电极以发送和接收来自至少一个RF电极的RF信号。
本发明的另一方面提供了一种体积含水量(VWC)传感器，包括：包括至少两个射频(RF)电极的至少一个VWC探测器，该至少一个VWC探测器用于测量在至少两个RF电极之间的测量区域的目标土壤的VWC；以及用于牢固地定位至少一个或一个VWC探测器的支撑件，其中该支撑件占据测量区域的不到10％。
在下面的详细描述中阐述了本发明的这些、额外的和/或其他方面和/或优点；其可以从详细描述中推断；和/或可通过实践本发明来学习。
附图说明
为了更好地理解本发明的实施例并且示出如何实现本发明，现在仅通过示例参考附图，其中相同的附图标记始终表示相应的元件或部分。
在附图中：
图1A是根据本发明的一些实施例的可旋转锚定传感器及其未受扰动的土壤安装(在图1A的左侧)，以及根据现有技术的目前的土壤传感器与轮廓传感器的泥浆安装、科学传感器的挖掘安装和科学传感器的沟槽安装的安装方法的图示。
图1B-1C是根据本发明的一些实施例的体积含水量(VWC)传感器的图示；
图2A-2C是根据本发明的一些实施例的拆卸的体积含水量(VWC)传感器的图示；
图3A-3B是根据本发明的一些实施例的体积含水量(VWC)传感器的尖端的各种配置的图示；
图4A-4D是根据本发明一些实施例的体积含水量(VWC)传感器的射频(RF)电极的各种配置的图示；
图5A-5E是根据本发明的一些实施例的包括在螺旋片的至少一个表面上方突出的射频(RF)电极的体积含水量(VWC)传感器的图示。
图6是根据本发明的一些实施例的具有作为无芯螺旋片的支撑件的体积含水量(VWC)传感器的配置的图示；
图7是根据本发明的一些实施例的包括分段的RF电极的体积含水量(VWC)探测器的图示；
图8是示出了根据本发明一些实施例的体积含水量(VWC)传感器的电子单元的示意性框图；
图9是根据本发明的一些实施例的体积含水量(VCW)传感器的电子单元的电子电路的示意性框图。
图10是示出根据本发明的一些实施例的测量未受扰动的体积含水量(VCW)的方法的流程图。
图11是示出了根据本发明一些实施例的安装土壤传感器组件的方法的流程图。
图12A是示出了根据现有技术的由现有技术的轮廓传感器测量的体积含水量(VWC)测量结果的曲线图；以及
图12B是示出了根据本发明的一些实施例的由VWC传感器测量的体积含水量(VWC)测量结果的曲线图。
具体实施方式
有效的农业可以依赖于获得精确的、连续的田间土壤测量，例如土壤湿度(水分)测量，包括在不同地下深度处的土壤测量。目标土壤可能不均匀，并且因此会需要在田间的多个地点处进行连续测量，以最好地预示农业行为。例如，田地的不同部分可能需要不同的灌溉量，这可能需要在田间不同的特定地点的持续的土壤湿度监测。目前的土壤传感器装置总是能够提供由于例如由其安装所引起的土壤的扰动而造成的地下土壤的偏差的测量。能够提供例如无偏差的测量的目前的科学安装过程，在工作农业领域可能是复杂且不切实际的。目前的土壤传感器装置不提供地下土壤的实际的、精确的、连续的和/或田间的土壤测量。本发明描述了一种土壤传感器装置，其可以提供未受扰动的地下土壤的连续的、无偏差的测量，和/或可以包括简单的自己动手的安装。
图1A呈现了根据本发明的一些实施例的可旋转锚定传感器100及其未受扰动的土壤安装105(在图1A的左侧)，以及根据现有技术的目前的土壤传感器与轮廓传感器的泥浆安装50、科学传感器的挖掘安装40和科学传感器的沟槽安装30的安装方法。
泥浆安装50通常可以包括钻出宽口径的竖直孔，通过将来自孔的土壤与水混合来制备泥浆，将泥浆倾倒回孔中，和/或将杆状轮廓传感器51放入进入泥浆填充的竖直孔。因此轮廓传感器51可以与泥浆52接触，确保顶部传感器53和底部传感器54与浆状土壤紧密接触。泥浆安装的一个缺点可能是泥浆52是受扰动的土壤介质，其可以增强通过泥浆52的水的竖直流动59，由此使传感器55、54的测量结果偏差。例如，底部传感器54的测量可能倾向于反映土壤湿度，该土壤湿度实际上可能是由于例如水的过度竖直流动59通过泥浆52的顶部土壤的土壤湿度。通常，在灌溉活动之后，来自底部传感器54的测量可能错误地显示土壤湿度的增加，其可能在时间和幅度上与顶部传感器55的测量相似。这种测量可能有偏差，因为如本领域所公知的，水需要时间来通过未受扰动的土壤滤出。
挖掘安装可以包括挖掘的竖直孔，通过该竖直孔可以将传感器，例如顶部科学传感器41和底部科学传感器42，放置在不同的期望深度处，使得它们的感测部分，例如插脚，刺入孔的壁以测量完好的土壤。传感器41和42通常可以通过线连接到地面上的记录器45，并且然后用土壤填充43填充孔。挖掘安装方法的一个缺点可能包括受扰动的土壤填充43，通过该受扰动的土壤填充可以发生水的竖直流动49。由此，底部科学传感器42可以给出错误的测量，该错误的测量在时间和幅度上与顶部科学传感器41的测量相对应，反映了通过土壤填充43的水的非自然的过量的竖直流动49。挖掘安装40的另一个缺点可能包括困难且耗时的安装。
沟槽安装30可以提供用于安装科学传感器31的科学稳健的方法。沟槽安装的一个缺点可能包括在活跃的农业领域中的不切实际的实施。在这种方法中，深沟槽、沟槽安装通常可以包括在期望深度处将一码深和宽的、挖掘出的和/或宽口径(例如60cm)的竖直的对等体钻入到沟槽的壁中，和/或手动地放置科学传感器通过竖直的对等体，和/或以45度的向上角度将其传感插脚刺入对等体的远端处的未受扰动的土壤中，使得不会发生水通过对等体的渗漏而影响传感器插脚。沟槽可以用防水布覆盖，以防止积聚水而进入对等体，和/或积聚的水从防水布覆盖的沟槽中泵出。沟槽安装30可以避免受扰动的土壤和竖直流动的偏差，然而-其在农业领域的设置中完全不切实际，当需要来自田地的不同部分的多个测量时更是如此。
目前可用的土壤传感器装置可以提供偏差的测量，这是由于测量受扰动的土壤，和/或由于偏差的竖直水流造成的。尽管上述描述是关于土壤湿度测量的，但对于可能包括土壤养分、微量养分、发生测量、有机化合物和许多其他测量的其他测量也是如此。
本发明公开了一种可旋转锚定的螺旋传感器100，其可以安装到地下土壤105中，和/或提供来自未受扰动的土壤的无偏差的测量。所公开的螺旋传感器100可以包括在多个深度处的传感器120，诸如位于螺旋片122a上或集成到其中的顶部传感器120a，和/或位于螺旋片122b上或集成到其中的传感器120b。螺旋传感器100可以通过将其旋转到地下土壤105中来安装，并且因此可以将两个螺旋片122a、122b切割到地下土壤中，从而使传感器120a、120b与未受扰动的土壤直接接触放置，并且提供来自土壤的无偏差的测量，测量不会被过多的竖直水流影响。螺旋传感器100的安装不需要泥浆和/或土壤填充，因此不会发生由于竖直流动引起的偏差的测量。传感器120a、120b可以包括远离螺旋传感器100的轴110的螺旋片122a、122b，从而使造成传感器的读数偏差的可能的沿着轴110的竖直流动最小化。在一些实施例中，螺旋传感器的电子舱130的形状和/或螺旋片122a、122b的形状可以使竖直流动最小化。
螺旋传感器100可以提供未受扰动的土壤的精确土壤测量和/或提供未被人为的竖直流动所偏差的测量。
有利地，所公开的螺旋传感器(一个或多个)100提供高质量的结果而不会扰动土壤。在一些实施例中，螺旋传感器(一个或多个)100能够以简单的方式安装，并且使用相对于现有技术缩短5-10倍的安装时间，例如为数分钟或数十分钟而不是数小时的量级。有利的是，在一些实施例中，所公开的螺旋传感器(一个或多个)100可以革新土壤传感器的领域，首次提出了一种装置，该装置提供连续的、精确的未受扰动的土壤的土壤测量，不会由无意的竖直水流而偏差，并且具有真正自己动手安装的前所未有的简单性和速度。
公开了土壤传感器组件和测量未受扰动的土壤的方法。土壤传感器组件可以是体积含水量(VWC)传感器。土壤传感器组件可以包括至少一个土壤探测器。土壤探测器可以固定在支撑件上，以使土壤传感器组件能够安装在目标土壤中。土壤探测器可以包括沿着支撑件在预定的纵向位置处同心地固定的螺旋片。土壤探测器可以包括至少一个射频(RF)电极，该射频电极在离支撑件的纵向轴线预定的径向距离处固定到螺旋片。土壤传感器组件还可以包括耦接到RF电极的至少一个电子单元，以接收和/或发送来自RF电极的RF信号。土壤传感器组件能够实现自攻安装动作和/或能够疏远土壤测量(例如，由RF电极)远离受扰动的土壤。土壤传感器组件能够测量未受扰动的土壤的特性和/或消除沿着其传感器的竖直水流。
图1B-1C是根据本发明的一些实施例的体积含水量(VWC)传感器100的图示。VWC传感器100可以包括支撑件110。在一些实施例中，支撑件110是可旋转锚定部分。在一些实施例中，支撑件110可以是杆(例如，如图1B-1C所示)。在一些实施例中，杆110是具有锥形钉状形状和/或包括尖端112的整体件。尖端112可以具有锥形形状，其能够在安装过程期间使VWC传感器100最初穿透到目标土壤中。
VWC传感器100可以包括至少一个VWC探测器120，该VWC探测器沿着杆在预定的纵向位置处固定到杆110的外表面。在一些实施例中，VWC传感器100包括单个VWC探测器120，如图1B所示。在一些实施例中，VWC传感器100包括两个VWC探测器120a、120b，这两个VWC分隔开纵向距离152(例如，如图1B、图2D所示)，其能够测量两个深度处(例如，轮廓VWC传感器)的目标土壤的VWC。在一些实施例中，VWC传感器100还包括至少一个额外的土壤传感器，例如温度传感器、pH传感器、压力传感器、盐度传感器和/或用于确定目标土壤中矿物质的水平的传感器。
在一些实施例中，VWC探测器120中的每一个(例如，VWC探测器120a、120b中的每一个，如图1B中所示)包括螺旋片122，该螺旋片沿着侧向内侧固定到杆110的外表面。螺旋片122可以围绕杆110完成至少360°的螺旋路径。在一些实施例中，螺旋片122可以围绕杆110完成720°。螺旋片122的形状能够在安装过程期间实现在目标土壤内执行VWC传感器100的旋拧运动。
VWC探测器120(例如，VWC探测器120a、120b中的每一个，如图1B所示)可以包括射频(RF)电极124，该射频电极在离杆110预定的径向距离154处固定到螺旋片122(例如，如图2E所示)。RF电极124可以具有对应于螺旋片122的形状的螺旋形状和/或可以围绕杆110完成至少360°的螺旋路径。RF电极124可以是表面电极和/或可以固定到螺旋片122的至少一个表面。在一些实施例中，RF电极124可以嵌入螺旋片122内。RF电极124可以覆盖其至少一部分表面。RF场可以由相邻的RF电极124产生，以测量相邻的RF电极之间的测量区域中的目标土壤的VWC。在一些实施例中，螺旋片122是RF电极。
径向距离154可以基于由RF电极124产生的期望的RF场和/或从杆110和/或从受扰动的目标土壤疏远RF电极124来预定。在一些实施例中，RF电极124被定位在螺旋片122的最侧部分的30％处。
在安装过程的旋拧运动期间，VWC探测器120b的螺旋片122b进入未受扰动的目标土壤，从而提供螺旋片122b和/或RF电极124b与目标土壤之间的良好接触。可以预定螺旋片122a、122b之间的纵向距离152和/或螺旋片122a、122b的直径，以例如优化目标土壤的VWC测量的精确度和/或提供螺旋片122a和/或RF电极124a与目标土壤之间的良好接触。例如，螺旋片122a的直径可以大于螺旋片122b的直径(例如，如图1B所示)，使得螺旋片122a可以在安装过程的旋拧运动期间遵循螺旋片122b的旋拧路径，进入未受扰动的土壤，从而提供螺旋片122a和/或RF电极124a与目标土壤之间的良好接触。
VWC传感器100可以包括至少一个电子单元(例如电子单元160，如图8-9所示)，该电子单元可以发送和/或接收来自RF电极124的RF信号。在一些实施例中，电子单元中的至少一个嵌入杆110内。在一些实施例中，电子单元中的至少一个嵌入VWC探测器120中的至少一个的螺旋片122内。在一些实施例中，VWC传感器100包括电子舱130，该电子舱在与尖端112相对的端部处固定到杆110。电子舱130可以包括电子单元中的至少一个。VWC探测器120的RF电极124可以使用有线和/或无线连接(未示出)而连接到电子单元和/或电子舱130。在一些实施例中，电子舱130包括天线132。在一些实施例中，电子单元和/或电子舱130包括能够将所接收的RF信号(例如通过天线132)发送到远程控制站70的无线通信装置(例如，无线通信器)。该无线通信装置可以是本领域已知的任何无线通信装置。
图2A-2C是根据本发明一些实施例的拆卸的体积含水量(VWC)传感器100的图示。图2D-2E是根据本发明的一些实施例的组装的VWC传感器100的图示。图2A、2C、2D提供侧视图，而图2B、2E提供VWC传感器100的等距视图。
在一些实施例中，VWC传感器100的杆110包括第一管状部分114、第二管状部分116，和/或第三管状部分118。第一管状部分114可以具有第一端部114a和第二端部114b，第二管状部分116可以具有第一端部116a和第二端部116b，和/或第三管状部分118可以具有第一端部118a和第二端部118b。
在一些实施例中，第一管状部分114的第一端部114a包括能够将电子舱130连接到杆110的连接器114c。连接器114c可以包括本领域已知的任何连接工具。在一些实施例中，第二管状部分116从第一管状部分114的第二端部114b同轴行进和/或第三管状部分118从第二部分116的第二端部116b同轴行进。可以预定第一管状部分114、第二管状部分116和/或第三管状部分118的直径和长度以为杆110提供锥形形状。例如，如图2A-2E所示，第二管状部分116的直径可以小于第一管状部分114的直径，和/或第三管状部分118的直径可以小于第二管状部分116的直径。在一些实施例中，第一管状部分114具有30mm的直径和/或177mm的长度，第二管状部分116具有26mm的直径和/或250mm的长度和/或第三管状部分118具有20mm的直径。在一些实施例中，杆110和/或管状部分114、116和/或118中的每一个包括螺纹以在安装过程期间增强VWC传感器100的旋拧运动。
在一些实施例中，第二管状部分116的第一端部116a包括连接器116c，和/或第三管状部分118的第一端部118a包括连接器118c。连接器116c、118c可以是突起和/或可以同样地绕杆110的外表面定位(例如，如图2A-2C所示)。
在一些实施例中，VWC传感器100包括第一VWC探测器120a和第二VWC探测器120b。第一VWC探测器120a的螺旋片122a可以连接到圆柱形壳体121a的外表面，和/或第二VWC探测器120b的螺旋片122b可以连接到圆柱形壳体121b的外表面。圆柱形壳体121a、121b可以具有分别与第二和第三管状部分116、118的直径相匹配的直径。圆柱形壳体121a、121b还可以包括匹配连接器121a-1、121b-1(例如，如图2A-2C所示的凹口)，该匹配连接器可以连接到连接器116c、118c，并且可以将第一和第二VWC探测器120a、120b固定到杆110。
在一些实施例中，VWC传感器100的尖端112具有第一端部112a和第二端部112b。第一端部112a可以具有与第三管状部分118的第二端部118b的直径相匹配的直径。尖端112的第一端部112a还可以包括连接器112c(例如，如图2A-2C所示的突起)，和/或第二VWC探测器120b的壳体121b可以包括匹配连接器118d(例如，如图2A-2C所示的凹口)，使得尖端112可以连接和/或固定到第三管状部分118和/或第二VWC探测器120b的壳体121b。在一些实施例中，尖端112的第二端部112b具有锥形形状，其可以允许例如VWC传感器100在安装过程期间穿透到目标土壤。
在一些实施例中，连接器112c、116c、118c和/或118d包括现有技术中已知的捕获件(例如棘爪)，该捕获件可以增强VWC探测器120和末端112到杆110的固定。
能够匹配第二管状部分116的直径的第一VWC探测器120a的直径，能够匹配第三管状部分118的直径的第二VWC探测器120b的直径，和/或能够匹配第三管状部分118的第二端部118b的直径的尖端112的第一端部112a的直径，可以简化VWC传感器100的组装，如图2C所示。组装的VWC传感器100在图2D-2E中示出。
在一些实施例中，VWC探测器120包括三层：包括螺旋片122的第一层，包括固定到衬底125的RF电极124的第二层，和第三保护层126(例如，如图2A-2B所示)。衬底125可以固定到螺旋片122。保护层126可以覆盖RF电极124，以在将VWC传感器100安装在目标土壤内期间提供保护。在一些实施例中，RF电极124固定到螺旋片122(没有衬底125)。在一些实施例中，VWC探测器120的螺旋片122围绕杆110完成至少360°的螺旋路径。在一些实施例中，RF电极124具有对应于螺旋片122的形状的螺旋形状和/或围绕杆110完成至少360°的螺旋路径。
图3A-3B是根据本发明的一些实施例的体积含水量(VWC)传感器100的尖端112的各种配置的图示。图3A呈现了尖端112-1的等距视图和侧视图。图3B呈现了尖端112-2的横截面视图。
在一些实施例中，尖端112包括至少两个插脚112d、112e，其中每个插脚112d、112e都包括RF电极124(例如，如图3A所示)。每个插脚112d、112e都可以具有螺旋形状和/或可以包括非导电材料。RF场可以由每个插脚122d、122e的RF电极124产生，以测量RF电极之间的测量区域中的目标土壤的VWC。
在一些实施例中，尖端112具有间隙112f(例如，如图3B所示)。尖端112可以具有锥形端部(例如，尖端112-2，如图3A所示)。尖端112-2可以包括固定到间隙112f内的尖端的内侧表面的RF电极124。
图4A-4D是根据本发明一些实施例的体积含水量(VWC)传感器100的射频(RF)电极124的各种配置的图示。在一些实施例中，两个VWC探测器120a、120b在沿着杆110的第一预定的纵向位置处相邻地定位，和/或两个VWC探测器120c、120d在沿着杆110的第二预定的纵向位置处相邻地定位(参见例如图4A)。相邻的VWC探测器120a、120b的RF电极124a、124b和/或相邻的VWC探测器120c、120d的RF电极124c、124d可以彼此面对。RF场可以由面对RF电极124a、124b和/或面对RF电极124c、124d产生，以测量RF电极之间的测量区域中的目标土壤的VWC。可以预定相邻的VWC探测器120a、120b之间的纵向距离，相邻的VWC探测器120c、120d之间的纵向距离，第一纵向位置和/或第二纵向位置，以例如在安装过程的螺旋运动期间优化目标土壤的湿度测量的精确度和/或改进螺旋片122a、122b、122cb 122d与目标土壤之间的接触，如上所述。
在一些实施例中，VWC传感器100包括RF电极124-1。RF电极124-1可以是圆形的和/或可以固定到杆110的外表面。RF电极124-1可以是表面电极。在一些实施例中，RF电极124a-1、124b-1定位在两个相邻的VWC探测器120a、120b之间，和/或RF电极124c-1、124d-1在预定的纵向位置处定位在两个相邻的VWC探测器120c、120d之间(例如，如图4B所示)。在一些实施例中，RF电极124a-1、124b-1和/或RF电极124c-1、124d-1是相应的VWC探测器120a、120b和/或120c、120d的电子延续。在一些实施例中，RF电极124-1仅固定到杆110(没有固定到螺旋片122的RF电极124)。例如，RF电极124-1a、124-1b、124-1c、124-1d，如图4C所示。在一些实施例中，VWC传感器100包括至少一个VWC探测器120和/或RF电极124-1，其中VWC探测器120还可以包括RF电极124，如图4D所示。
图5A-5E是根据本发明的一些实施例的包括在螺旋片122的至少一个表面上方突出的射频(RF)电极124-2的体积含水量(VWC)传感器100的图示。图5A呈现了VWC传感器100的侧视图和等距视图(分别为左手侧和右手侧)。图5B呈现了VWC传感器100的VWC探测器120的等距放大视图。图5C-5E呈现了VWC传感器100的部分的横截面视图。
在一些实施例中，VWC传感器100的尖端112包括螺旋片112g(例如，如图5A所示)。在一些实施例中，RF电极124固定到至少一个VWC探测器120的螺旋片122的侧向外侧(例如，如图5A所示)。在一些实施例中，至少一个RF电极124-2在离杆110预定的径向距离处嵌入螺旋片122内，使得嵌入的RF电极124-2在螺旋片122的表面中的至少一个上方突出(例如，如图5A-5B所示)。RF电极124-2可以是三维电极和/或可以具有对应于螺旋片122的形状的螺旋形状。RF场可以由RF电极124-2和/或RF电极124产生，以测量RF电极之间的测量区域140中的目标土壤80的VWC，如图5C中的箭头所示意性地示出。在一些实施例中，螺旋片122和/或杆110占据测量区域140的不到10％。
在一些实施例中，温度传感器128嵌入VWC探测器120的螺旋片122内，如图5A-5B所示。温度传感器128可以包括热电阻器和/或可以测量目标土壤的温度。温度传感器128的热阻器可以是电子单元(例如，图8-9中所示的电子单元160)的电路的一部分，和/或可以通过例如改变由RF电极124和/或RF电极124-2产生的RF信号的DC电平来发送关于温度的信息。在一些实施例中，多个传感器嵌入和/或固定到VWC探测器120的螺旋片122，例如pH传感器、压力传感器、盐度传感器和/或可以测量目标土壤中的矿物质的水平的传感器。
在一些实施例中，螺旋片122包括定位在杆110与突出的RF电极124-2和/或RF电极124之间的多个孔126(例如，如图5A-5B所示)。孔126可以排出沿着杆110和/或沿着螺旋片122流动的水90(例如，如图5D中的虚线箭头所示)，以防止水容纳在RF电极124-2和/或RF电极124的附近(例如，如图5D所示)。在一些实施例中，螺旋片122相对于杆以角度156固定到杆110，以提供便于排出流动的水90的斜坡(例如，如图5D所示)。
在一些实施例中，VWC传感器100的杆110具有范围在10-40mm之间的直径157(例如，如图5E所示)。螺旋片122可以具有范围在80-120mm之间的直径158。例如，螺旋片122a的直径158a可以大于螺旋片122b的直径158b(例如，如图5E所示)，使得螺旋片122a可以在安装过程的旋拧运动期间遵循螺旋片122b的旋拧路径，进入未受扰动的土壤，从而提供螺旋片122a和/或RF电极124-2a与目标土壤80之间的良好接触。
在一些实施例中，RF电极124-2(例如，如图5A所示)和/或RF电极124(例如，如图1B-1C、图2A-2E、图4A-4D所示)定位在离杆110预定的径向距离154处，如以上所描述并在图5E中示意性地示出的。径向距离154可以在18-40mm之间的范围内和/或使得RF电极124-2和/或RF电极124被定位在螺旋片122的最侧部分的30％处(例如，RF电极124-2a、124-2b固定到螺旋片122a、122b，如图5E所示)。可以基于为测量目标土壤80的VWC而生成的期望的RF场来限定径向距离154(例如，离杆110的RF电极124、124-2的径向距离)和/或RF电极之间的径向距离154a(例如嵌入螺旋片122a内的RF电极124-2a，如图5E所示)。
在一些实施例中，VWC探测器120a、120b的螺旋片122a、122b被固定到杆110并且分隔开纵向距离152(例如，如图5E所示)。可以预定纵向距离152以例如优化目标土壤80的VWC测量的精确度和/或在安装过程的旋拧运动期间提供螺旋片122a、122b与目标土壤之间的良好接触。例如，可以预定纵向距离152，使得螺旋片122a、122b沿着杆110遵循相同的螺旋路径，就如同螺旋片122a、122b是单个螺旋片的一部分(例如螺旋片110，如图6所示)。在一些实施例中，纵向距离152具有k个螺距159的值，其中k是整数(例如，如图6所示)。在一些实施例中，k大于或等于2(k≥2)。螺旋片122a、122b分隔开纵向距离152可以防止沿着杆110的整个长度的连续的水流并且提供目标土壤80的至少两个区域(例如，由图5E中的虚线92示意性地分隔开)，通过这两个区域的水流是不连续的。在一些实施例中，纵向距离152与k个螺距159的值偏离2-4％，使得螺旋片122a)使得螺旋片122a能够在安装过程的旋拧运动期间遵循螺旋片122b的旋拧路径，进入未受扰动的土壤，从而提供螺旋片122a和/或RF电极124a与目标土壤之间的良好接触，其在安装过程的旋拧运动期间，不遵循螺旋片122b的相同旋拧路径，进入未受扰动的土壤，从而改善螺旋片122a和/或RF电极(例如，RF电极124-2a，如图5E所示)与目标土壤80之间的接触。这些考虑可以适用于VWC传感器100的任何配置，包括具有中心轴(例如，具有杆110)的配置。图6还示意性地示出了由159a表示的片之间的距离可以精确地或近似地对应于由虚线线圈示意性表示的整数个螺距。
图6是根据本发明的一些实施例的具有为无芯螺旋片的支撑件110的体积含水量(VWC)传感器100a、100b的配置的图示。在一些实施例中，无芯螺旋片110具有锥形形状(例如，如图6所示)。VWC传感器100a、100b可以包括至少一个VWC探测器120，例如VWC探测器120a、120b，如图6所示。在一些实施例中，VWC探测器120a、120b沿着无芯螺旋片110的纵向轴线155在预定的纵向位置处同心地定位，和/或包括RF电极124a、124b。在一些实施例中，VWC探测器120a、120b是图1-5中描述的VWC探测器。VWC传感器100a、100b可以包括至少一个电子单元(例如，如图8-9所示的电子单元160)。在一些实施例中，电子单元嵌入VWC传感器100a、100b的无芯螺旋片110内。
图7是根据本发明的一些实施例的包括分段的RF电极124-3的体积含水量(VWC)探测器120的图示。图7呈现了VWC探测器120的俯视图。在一些实施例中，VWC探测器120的RF电极(例如，RF电极124、124-1和/或124-2，如图1-6所示)是分段的RF电极(例如，RF电极124-3，如图7所示)，其被固定到和/或嵌入螺旋片122内。在一些实施例中，VWC探测器120具有八对分段的RF电极124-3(例如，对124-3a...124-3g，如图7所示)。在一些实施例中，RF场可以由各对分段的RF电极124-3产生和/或测量。由各对RF电极124-3a...124-3g测量的RF场可以被平均以确定目标土壤的VWC。在一些实施例中，例如由于在对123-3c的RF电极上气泡的空隔，由至少一对分段的RF电极(例如通过对123-3c)测量的RF场可以显著地不同于由其余的对测量的RF场。因此，由对123-3c测量的RF场可以从平均中排除，从而消除了测量误差的引入。
本发明的一个优点可以包括使VWC传感器100能够自攻安装。自攻安装可以包括将VWC传感器100的锥形尖端112推入目标土壤和/或建立传感器绕其纵向轴线的旋转运动。沿着VWC传感器100固定的螺旋片122的旋转运动(例如，如图1所示)可以产生可以将传感器卷绕到目标土壤中的旋拧动作，使得不需要预钻程序，这使得其土壤的扰动最小化并且减少水沿着杆110和/或螺旋片120的竖直流动。
在安装VWC传感器100期间，目标土壤可能在杆110附近受到扰动。所公开的VWC传感器100可以包括RF电极124，该RF电极在离杆110预定的径向距离处固定到VWC探测器120的螺旋片122(例如，如图1所示)。因此，本发明的另一优点是其可以实现远离杆110的疏远VWC测量(例如，由RF电极124)，从而进行未受扰动的土壤的测量。
在VWC传感器100的安装期间，目标土壤也可以在螺旋片122的附近被扰动。所公开的VWC传感器100可以包括固定到螺旋片122的侧向外侧的RF电极124，和嵌入相同的螺旋片122内的至少一个RF电极124-2，使得嵌入的RF电极124-2在片的表面中的至少一个上方突出(例如，如图5A-5B所示)。因此，本发明的另一优点是其可以实现远离螺旋片122的表面的疏远VWC测量(例如通过侧向RF电极124和突出的RF电极124-2)，从而可以允许未受扰动的土壤的测量。
图8是示出了根据本发明一些实施例的体积含水量(VWC)传感器100的电子单元160的示意性框图。在一些实施例中，电子单元160可以是对基于幅度域反射测量(ADR)、时域反射测量(TDR)、频域反射测量(FDR)和/或时域传输(TDT)电子电路的传输线的实现。图7-8中所示的电子单元160是对基于ADR电子电路的传输线的实现，如下所述。在一些实施例中，电子单元160可以是对电容探测器的实现。
RF信号可以由源161(例如振荡器)生成。在一些实施例中，所生成的RF信号具有100MHz的频率。所生成的RF信号可以被发送到信号调节单元162(例如滤波器)以产生经滤波的RF信号。经滤波的RF信号可以通过第一传输线163(例如移相器)和/或通过第二传输线164发送到目标土壤。在一些实施例中，传输线164的至少一部分是至少一个VWC探测器120(例如，如图1、图2A-2E、图4A-4C和/或图5中所公开的)。在一些实施例中，第一传输线163具有值为Z的阻抗，和/或第二传输线164具有值为ZP的阻抗。
传输线164的阻抗ZP可以基于包围传输线164的目标土壤的相对介电常数ε。相对介电常数ε可以基于目标土壤的湿度水平。例如，等式1显示了传输线164的阻抗ZP如下：
传输线163和传输线164的反射系数ρ可以基于ZL，ZP。例如，等式2显示了反射系数ρ如下：
在滤波器162与传输线163的结点162a处的电压值VO(例如，滤波的RF信号)和/或在传输线163与传输线164的结点163a处的电压值Vp可以基于反射系数ρ。例如，等式3和等式4显示了电压值VO和电压值Vp如下：
Vo∝(1-ρ) (等式3)
VP∝(1+ρ) (等式4)
电压值VO也可以基于正向电压值VFWD和反射电压值VREF。例如，等式5示出电压值VO如下：
Vo＝VFWD+VREF (等式5)
电压值VO和/或电压值VP可以通过各自的RF检测器165、166来测量并且被发送到差分放大器167以产生差分电压值ΔV＝VO-VP。差分电压值ΔV可以基于反射系数ρ，并且作为结果可以基于目标土壤的湿度水平的介电常数ε，从而允许确定ε的值。例如，公式6显示差分电压值ΔV如下：
ΔV＝Vo-VP∝2ρ∝ε (等式6)
在曲线图168中示出了差分电压值ΔV对目标土壤的湿度水平ε的依赖的示例。
图9是根据本发明的一些实施例的体积含水量(VWC)传感器100的电子单元的电子电路的示意性框图。振荡器161可以产生RF信号。所产生的RF信号可以被滤波器162滤波以产生经滤波的RF信号。经滤波的RF信号可以通过移相器163(例如，可以用作传输线)和通过第二传输线164发送到目标土壤。
第二传输线164可以包括开关164-1和/或控制器164-2。控制器164-2可以控制开关164-1以将移相器163连接到以下中的至少一个：移相器164-3a、移相器164-3b、第一参考负载164-4a和/或第二参考负载164-4b。在一些实施例中，移相器164-3a连接到VWC探测器120a，和/或移相器164-3b连接到VWC探测器120b，其中VWC探测器120a、120b可以是图1、图2A-2E、图4A-4C和/或图5中公开的VWC探测器120。在一些实施例中，VWC探测器120a、120b沿着VWC传感器100、100a的纵向轴线定位在相对的端部处。
经滤波的RF信号的电压值VO可以由在滤波器162与移相器163的结点162a处的峰值检测器165测量，和/或移相器163与传输线164的结点163a处的电压值VP可以由峰值检测器166来测量。电压值VO和VP可以被发送到差分放大器167以产生差分电压值ΔV。电压值VP，并且作为结果差分电压值ΔV可以是目标土壤的湿度水平ε的函数，如上所述(例如，在等式1-6中)。
在一些实施例中，移相器164-3a、163-3b对可能由结点163a(在这里测量电压值VP)与VWC探测器120a、120b之间的物理距离所引起的相移进行纠正。在一些实施例中，参考负载164-4a、164-4b用于湿度传感器100的校准。
在一些实施例中，差分电压值ΔV由模数转换器(ADC)169数字化和/或发送到外部***90(例如，云网络)。
图10是示出根据本发明的一些实施例的测量未受扰动的体积含水量(VWC)的方法200的流程图。在一些实施例中，可以使用上述VWC传感器100(例如，如图1-7所示)来执行方法200。
方法200可以包括产生210射频(RF)信号。方法200可以包括使用RF电极将产生的RF信号发送220到未受扰动的土壤，RF电极沿着平行于重力的轴线在预定的纵向位置处并且在离轴线预定的径向距离处同心地定位。
在一些实施例中，RF电极具有螺旋形状。在一些实施例中，RF电极固定到螺旋片，其中螺旋片可以沿着轴线在预定的纵向位置处同心地定位。在一些实施例中，RF电极中的至少一个固定到螺旋片中的至少一个的侧向外侧。在一些实施例中，RF电极中的至少一个嵌入螺旋片中的至少一个内，使得嵌入的RF电极中的至少一个在该螺旋片的表面中的至少一个上方突出。
方法200可以包括由RF电极测量230发送的RF信号。方法200可以包括基于所测量的RF信号来确定240未受扰动的VWC。
图11是示出了根据本发明一些实施例的安装土壤传感器组件的方法300的流程图。方法300可以包括提供310土壤传感器组件，该土壤传感器组件包括：可旋转地锚定在土壤中的可旋转锚定部分；以及安装在可旋转锚定部分上的至少一个土壤传感器。方法300可以包括将土壤传感器组件沿着锚定轴线可旋转地***320土壤中，从而将土壤湿度传感组件锚固在土壤中。
在一些实施例中，可旋转锚定部分包括围绕锚定轴线(或锚定轴)布置的至少一个螺纹，该至少一个螺纹包括从锚定轴线向外延伸的至少一个片(叶片)部分，其中至少一个湿度传感器位于片部分中的至少一个上，并且其中将土壤传感器组件沿着锚定轴线可旋转地***到土壤中，从而将土壤传感器组件锚定在土壤中，可操作地使位于片部分中的至少一个上的至少一个湿度传感器与基本上未受扰动的土壤的一部分形成土壤湿度感测接合。
图12A是示出了根据现有技术的由现有技术的轮廓传感器40测量的体积含水量(VWC)测量结果的曲线图。图12B是示出了根据本发明的一些实施例的由VWC传感器100测量的体积含水量(VWC)测量结果的曲线图。
通常，在灌溉活动20之后，来自现有技术的轮廓传感器40的底部传感器42的测量(例如，如图1A所示)可能错误地显示受扰动的目标土壤的VWC的增加(例如，如图12A中所示的线42-1)，其可以在时间和幅度上类似于顶部传感器41的测量(例如，如图12A中所示的线41-1)。这种测量可能有偏差，因为水需要时间来通过未受扰动的土壤滤出。
相反，所公开的传感器被发现是敏感的并且指示灌溉活动。在灌溉活动20之后，由VWC传感器100产生的VWC测量清楚地显示了顶部传感器120a的测量(例如，如图12B中所示的线120a-1)与底部传感器120b的测量(例如，如图12B中所示的线120b-1)之间的时间延迟，其强调目标土壤在安装VWC传感器100期间未受扰动。
在以下描述中，描述了本发明的各个方面。为了解释的目的，阐述了具体的配置和细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以在没有在本文中呈现的具体细节的情况下实施。此外，可能已经省略或简化了众所周知的特征以免使本发明模糊不清。具体参考附图，要强调的是，所示的细节仅作为示例并且仅用于本发明的示例性讨论的目的，并呈现为提供被认为是对本发明的原理和概念方面最有用和容易理解的描述的原因。在这方面，没有试图以比本发明的基本理解所需的更详细地示出本发明的结构的细节，结合附图的描述使得本领域技术人员明白如何在实践中体现本发明的若干形式。
在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应理解的是，本发明在其应用中并不限于以下说明书中阐述的或附图中示出的构件的配置和布置的细节。本发明可应用于可以以各种方式实施或执行的其他实施例以及所公开的实施例的组合。而且，应理解的是，本文采用的措辞和用语是为了描述的目的，而不应被认为是限制性的。
除非另有特别说明，否则从以下讨论中显而易见的是，应理解，在整个说明书中，利用术语诸如“处理”、“运算”、“计算”、“确定”、“增强”等的讨论，指的是将表示为计算***的寄存器和/或存储器内的物理(诸如电子)量的数据操纵和/或变换为类似地表示为计算***的存储器、寄存器或其他这种信息存储、传输或显示装置内的物理量的其他数据的计算机或计算***或类似的电子计算装置的动作和/或过程。
在以上描述中，实施例是本发明的示例或实施。“一个实施例”、“实施例”、“某些实施例”或“一些实施例”的各种表示不一定都是指相同的实施例。尽管可以在单个实施例的背景下描述本发明的各种特征，但是该特征也可以单独提供或以任何合适的组合提供。相反，尽管为了清楚起见本发明可以在单独的实施例的背景中描述，但是本发明也可以在单个实施例中实施。本发明的某些实施例可以包括与上文所公开的不同的实施例的特征，并且某些实施例可以包含来自上文所公开的其他实施例的元件。在特定实施例的背景下公开本发明的元件不应被认为将它们的使用单独限定在特定实施例中。此外，应理解的是，本发明可以以各种方式执行或实践，并且本发明可以在除了以上描述中概述的实施例之外的某些实施例中实施。
本发明不限于这些图或对应的描述。例如，流程不需要移动通过每个示出的框或状态，或者以与示出和描述的顺序完全相同的顺序移动。除非另外定义，否则本文使用的技术和科学术语的含义通常如本发明所属领域的普通技术人员通常理解。尽管已经针对有限数量的实施例描述了本发明，但这些不应被解释为对本发明的范围的限制，而是作为一些优选实施例的示例。其他可能的变化、修改和应用也在本发明的范围内。因此，本发明的范围不应受到迄今为止的描述的限制，而是由所附权利要求及其法律等同物来限制。

Claims (34)

1.一种土壤传感器组件，包括：
可旋转锚定部分，可旋转地锚定在土壤中；
至少一个土壤传感器，安装在所述可旋转锚定部分上；以及
通信器，用于将所述至少一个土壤传感器的至少一个输出传播到远离所述至少一个土壤传感器组件的位置。
2.根据权利要求1所述的土壤传感器组件，其中，所述可旋转锚定部分包括绕锚定轴线布置的至少一个螺纹，所述至少一个螺纹包括从所述锚定轴线向外延伸的至少一个片部分。
3.根据权利要求2所述的土壤传感器组件，其中，所述至少一个土壤传感器位于所述片部分中的至少一个上。
4.一种体积含水量(VWC)传感器，包括：
支撑件，能够使VWC传感器安装在目标土壤中；
至少一个VWC探测器，沿着所述支撑件定位在预定的纵向位置处，所述至少一个VWC探测器包括：
螺旋片，沿着其侧向内侧固定到所述支撑件的外表面，以及
至少一个射频(RF)电极，在离所述支撑件预定的径向距离处固定到所述螺旋片；以及
至少一个电子单元，耦接到所述至少一个RF电极以发送和接收来自所述至少一个RF电极的RF信号。
5.根据权利要求4所述的VWC传感器，其中，所述VWC探测器中的至少一个的所述RF电极中的至少一个具有对应于该VWC探测器的所述螺旋片的形状的螺旋形状。
6.根据权利要求4所述的VWC传感器，其中，所述VWC探测器中的至少一个的所述RF电极中的至少一个固定到该VWC探测器的所述螺旋片的侧向外侧。
7.根据权利要求6所述的VWC传感器，其中，所述VWC探测器的所述RF电极中的至少一个嵌入该VWC探测器的所述螺旋片内，使得嵌入的所述RF电极中的至少一个在所述螺旋片的多个表面中的至少一个上方突出。
8.根据权利要求4所述的VWC传感器，其中，所述VWC探测器中的至少一个的所述RF电极中的至少一个固定到该VWC探测器的所述螺旋片的表面中的至少一个。
9.根据权利要求4所述的VWC传感器，其中，所述VWC探测器中的至少一个的所述RF电极中的至少一个嵌入该VWC探测器的所述螺旋片内。
10.根据权利要求4所述的VWC传感器，其中，所述至少一个电子单元嵌入所述支撑件内。
11.根据权利要求4所述的VWC传感器，其中，所述支撑件包括尖端，所述尖端包括至少两个插脚，其中，所述插脚中的每一个包括至少一个RF电极。
12.根据权利要求4所述的VWC传感器，还包括能够附接到所述支撑件的纵向端部中的至少一个的电子舱，其中，所述电子单元中的至少一个嵌入所述电子舱内。
13.根据权利要求4所述的VWC传感器，其中，所述电子单元中的至少一个嵌入所述VWC探测器中的至少一个的所述螺旋片内。
14.根据权利要求4所述的VWC传感器，其中，所述VWC探测器中的至少一个还包括保护层，所述保护层被配置为覆盖固定到该VWC探测器的所述螺旋片的所述RF电极中的至少一个。
15.根据权利要求4所述的VWC传感器，其中，所述VWC探测器中的至少一个的所述螺旋片围绕所述支撑件完成至少360°的螺旋路径。
16.根据权利要求4所述的VWC传感器，其中，所述至少一个RF电极固定到彼此面对的相邻的VWC探测器的所述螺旋片。
17.根据权利要求4所述的VWC传感器，其中，所述RF电极中的至少一个环绕地缠绕所述支撑件的所述外表面。
18.根据权利要求4所述的VWC传感器，其中，所述VWC探测器中的至少一个的所述螺旋片是RF电极。
19.根据权利要求4所述的VWC传感器，其中，所述RF电极中的至少一个是分段的RF电极。
20.一种体积含水量(VWC)传感器，包括：
至少一个VWC探测器，包括至少两个射频(RF)电极，所述至少一个VWC探测器用于测量在所述至少两个RF电极之间的测量区域中的目标土壤的VWC；以及
支撑件，用于牢固地定位所述至少一个VWC探测器，其中，所述支撑件占据所述测量区域的不到10％。
21.根据权利要求20所述的VWC传感器，其中，所述支撑件是螺旋片。
22.根据权利要求20所述的VWC传感器，其中，所述支撑件是桩，并且所述至少一个VWC探测器包括螺旋片，所述螺旋片在预定的纵向位置处固定到所述桩。
23.根据权利要求22所述的VWC传感器，其中，所述VWC探测器中的至少一个的所述至少两个RF电极固定到该VWC探测器的所述螺旋片。
24.根据权利要求22所述的VWC传感器，所述VWC探测器中的至少一个的所述螺旋片是RF电极。
25.根据权利要求22所述的VWC传感器，其中，所述VWC探测器中的至少一个的所述RF电极中的至少一个具有对应于该VWC探测器的所述螺旋片的形状的螺旋形状。
26.根据权利要求20所述的VWC传感器，还包括至少一个电子单元，所述至少一个电子单元耦接到所述至少一个RF电极以发送和接收来自所述至少一个RF电极的RF信号，其中所述至少一个电子单元嵌入所述支撑件内。
27.根据权利要求20所述的VWC传感器，其中，所述RF电极中的至少一个是分段的RF电极。
28.一种测量未受扰动的体积含水量的方法，所述方法包括：
产生射频(RF)信号；
使用RF电极将所产生的RF信号发送到未受扰动的土壤，所述RF电极沿着平行于重力的轴线在预定的纵向位置处并且在离所述轴线预定的径向距离处同心地定位；
由所述RF电极接收RF信号；以及
基于所接收的RF信号来确定未受扰动的VWC。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述RF电极具有螺旋形状。
30.根据权利要求28-29中任一项所述的方法，其中，所述RF电极固定到螺旋片，所述螺旋片沿着所述轴线在所述预定的纵向位置处同心地定位。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述RF电极中的至少一个固定到所述螺旋片中的至少一个的侧向外侧。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述RF电极中的至少一个嵌入所述螺旋片中的至少一个内，使得嵌入的所述RF电极中的至少一个在该螺旋片的表面中的至少一个上方突出。
33.一种安装土壤传感器组件的方法，所述方法包括：
提供土壤传感器组件，所述土壤传感器组件包括：
可旋转锚定部分，可旋转地锚定在土壤中；以及
至少一个土壤传感器，安装在所述可旋转锚定部分上；以及
将所述土壤传感器组件沿着锚定轴线可旋转地***到土壤中，从而将土壤湿度感测组件锚定在所述土壤中。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述可旋转锚定部分包括绕所述锚定轴线布置的至少一个螺纹，所述至少一个螺纹包括从所述锚定轴线向外延伸的至少一个片部分，其中至少一个湿度传感器位于所述片部分中的至少一个上，并且其中将所述土壤传感器组件沿着锚定轴线可旋转地***到土壤中，从而将所述土壤传感器组件锚定在所述土壤中，可操作地使位于所述片部分中的至少一个上的所述至少一个湿度传感器与基本上未受扰动的土壤的一部分形成土壤湿度感测接合。
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