[发明专利]基质势传感器

说明书

技术领域

本发明涉及基质势传感器。具体但非排他性地，本发明可以涉及含有布置为吸水的微型格基质部分的传感器。

背景技术

虽然土壤-水分含量测量的领域已经发展了数十年，但是基质势测量领域是较新的且试图测量介质吸水和保持水的能力。介质的基质势给出介质对水的吸引力的测量，其可以被认为是该介质保持水的能力。因此，知道介质的基质势给出在确定来自该介质的水的可获得性上的有用测量手段。

关于测量土壤含水量来描述该概念的背景是方便的，但是本发明具有更广泛的适用性，并且当与无土基底一起使用时尤为有利。例如，传感器可以用于基底和/或介质的任何非穷举列表：椰壳纤维、棉绒、矿棉、沙、岩棉、火山物质、植物生长介质、泥炭、堆肥、混凝土、建筑材料、药物材料等。此外，传感器还可以找到用于以下非穷举的应用列表中测量的应用：环境监测、灌溉监测、灌溉控制、作物产量优化、洪水控制、湿气测量、建筑物沉降、垃圾堆肥监测和制药工业中的药物制造。

诸如具有相对小孔的粘土的介质具有保持水的能力，其比具有相对大的孔的粗糙介质(诸如沙土)的保持水的能力高。知道处于特定含水量的介质的基质势可用于确定例如何时灌溉等且有助于避免过度灌溉，从而节约水。此外，测量基质势可以提供土壤水分的土壤类型独立评估，其能够可靠地用于避免不利于植物生长和导致作物产量下降的水分胁迫条件。

此类基质势测量系统最初使用充水张力计，这遭受许多问题，包括：操作复杂；测量范围有限；因为恒定水源而吸引附近植物的根部；不能在低于冰点条件下操作；需要脱气水。

诸如椰壳纤维的介质具有与粘土不同的性质。椰壳纤维由中空的天然纤维构成。此外，细纤维和粗纤维的混合物在纤维之间提供孔隙。

因此，流经椰壳纤维的水通常比通过许多其它生长介质更快。如果气泡不能容易地从传感器的感测元件周围区域逸出，则可导致气泡被捕获在传感器的感测元件周围，这可导致不准确的读数。

如在2013年7月22至25日Annual Conference of the American Society for Horticultural Science的海报262上发表的L.D.Rivera、L.Crawford、M.van Iersel和S.K.Dove所著的“Comparison Hydraulic Properties of Soil-less Substrates with Natural Soils：A More Details of Look at Hydraulic Properties and Their Impact on Plant Water Availability”中所描述的，土壤和其他介质具有可以分成三类的孔径分布：

(i)良好分级(在一个范围上尺寸的均匀分布)；

(ii)均匀分级(全部大小大致相同)；和

(iii)间隙分级(一些小的和一些大的双峰孔径分布，中间具有“间隙”)。

分级影响排水和水力传导系数。传统上，土壤使用筛子分级。然而，具有较小孔(其为较大颗粒的一部分)的介质(例如椰壳纤维)不能以这种方式分级。

间隙分级的介质在低水势(即大约-10kPa的水势)具有非常低的水力传导系数(比农艺土壤低500倍--L.Rivera等人(2013))。这种显著降低的水力传导系数可导致产生根周围的耗尽区，该耗尽区即使当大量的水保持在介质中时也妨碍植物吸水。发生这种情况是因为一旦较大的孔已经排空，则变得难以将水移出较小的孔。

低水力传导系数限制了基底中剩余水的移动，即使仍然存在“可用”水。使用用于产生土壤水分释放曲线的传统方法(诸如压力板、悬挂水柱和Tempe压力单元)忽略了水力传导系数的这种急剧改变。