一种石墨胶凝式水分传感器探头的电阻率试验研究*

2024-01-09谢碧洪刘晓初黄良杰肖汉涛

机电工程技术 2023年12期

谢碧洪，刘晓初，姚莉，徐乔，黄良杰，肖汉涛

（1.罗定职业技术学院，广东罗定 527200；2.广州大学机械与电气工程学院，广州 50006）

0 引言

土壤含水率决定着农作物的长势，必须将含水量控制在植物适宜范围，对土壤水分检测是实现智能灌溉农业的重要手段[1-2]。在智能节水灌溉系统设计中，土壤含水率作为关键信号决定系统是否为农作物浇水，含水率检测准确度决定了节水效果是否理想[3-4]。土壤水分传感器是将探头间土壤的湿度转变成电信号再转换成数字信号传输到计算机中，以得到最优的灌溉量[5]。探头材料导电率关系着水分传感器检测准确度[4]。本文对一种由石墨和胶凝组成的探头材料进行试验分析，以期得到最优导电率的探头材料。

国内学者对石墨、混凝土的胶凝复合材料进行了相关研究。陈雨萱等[6]总结了水泥基材料结构性能的等效电路模型。王晓楠等[7]从纳米微观出发，研究了水泥基复合材料的导电性、压阻性等功能特性。刘洪波等[8]测量了掺量为40%的石墨尾矿混凝土复合材料的电阻率，通过实验数据拟合建立电阻率数学回归方程，为石墨、混凝土的胶凝复合材料制作提供参考。孙振等[9]用改进二电极法，研究了增强复合混凝土（BPFRC）电阻率。何威等[10]采用纳米导电炭黑渗入水泥混凝土可以使电阻率迅速降低，与水灰比混凝土电阻率相差较小，为制作石墨、混凝土的胶凝复合材料提供参考。史延田等[11]以C30混凝土为基准掺入石墨制备导电混凝土，结果表明掺入石墨后混凝土导电性有所提高，但流动性降低。刘宇彬等[12]选取碳纤维和石墨为导电相材料制备导电混凝土，结果表明随湿度变化电阻率的改变小于0.28 Ω·m，导电性能稳定。

目前，关于对不同石墨含量和混凝土胶凝复合材料导电特性的研究较少。鉴于此，本文在混凝土水泥基中掺入不同质量分数石墨电相材料制备探头试样，进行电阻率特性检测分析，以期得到最优石墨含量比例的探头。

1 土壤水分传感器探头机理

土壤水分传感器工作时探头插在泥土中，为智能节水灌溉控制提供含水率信号，其机理如图1 所示[13]。其中，A、B为土壤水分探头的电极板；J1为继电器；J1-1为常开触点；FV为直流电磁阀，供进水用。

图1 太阳能自动灌溉器等效电路原理

土壤水分传感器工作原理：当土壤水分大时，探头电极板AB 间电阻较小相当于连通，引起三极管BG1 与BG2 截止，这时继电器J1 线圈不通电不工作，J1-1 触点处于初始常开状态，进水控制电磁阀FV断开，土壤潮湿不进行灌溉；当泥土干旱时，探头电极板AB 间电阻很大相当于断开，这时三极管BG1 的基极有压降导通，接着引起BG2 也导通，继电器J1 线圈通电，常开触点J1-1闭状态反转，控制进水的电磁阀FV通电工作，对农作物浇水。所以，在实现智能灌溉控制中，土壤水分传感器相当于一个感性电阻，在泥土水分大时电阻很小，在干旱时电阻增大。

2 探头材料电阻率试验

石墨胶凝复合材料是土壤水分感应固态电极，可以用其制造探头的主要部分[14]。由探头工作机理可知，随着泥土从干旱到水浸润状态下，传感器的探头电阻率会发生变化，且变化主要与气温、泥土温度、环境湿度相关[15]。为寻求复合材料探头导电率最高的各成分配比，本文试验研究重点在于当石墨的含量变化时，复合材料的电阻率会发生怎样的变化。为便于研究，将试样处于水浸润和干燥两种情形，以模拟实际灌溉环境中泥土的情况。

2.1 石墨胶凝复合材料导电机理

石墨胶凝复合材料是一种特殊的水泥基复合材料，它由胶凝剂、石墨和水组成，其中胶凝剂可以有效地吸附水分，而石墨则可以提供良好的导电性能，从而满足多种应用需求[16]。石墨胶凝复合材料的导电方式：复合胶凝材料的固相、气相为通电的不良导体，所以胶凝材料的导电性能是由孔隙溶液中的离子Ca2+、OH-、Na+等所决定的。游离子通电，材料孔溶液有Ca2+、OH-、Na+、SO42-和K+等游离移动形成；电子导电，形成了自由移动的电子[6,17-18]。

石墨、水泥基复合材料有导电组分，因此其导电性能优于水泥[19]，其内部结构如图2 所示。石墨是一种分散在基体中的导线成分，它们构成的网络系统可以通过隧道效应和绝缘来传导电流，而水泥石则是一种阳离子导电物质，它们可以透过搭接或接触构成的导电网络来传导电流。当电子设备从一个导电体中获得足够的能量时，它们就会穿越水泥集体中的壁垒，从而成为导电颗粒或纤维。这种情况通常发生在水泥基体被完全绝缘的情况下，即使势垒足够小，电子设备也会越过这些壁垒，从一个导电体转移到另一个导电体[20]。导电情况下，当石墨胶凝复合材料中水分增加时，会减缓导电组分相互的接触，这样介导胶凝材料导电能力下降。此外孔隙之间的带电离子变多，有利于提高电阻率。正极吸引阴离子，负极吸引阳离，最终形成一层薄膜，犹如一个反向电动势，使得测量出的电流大幅度降低[21]。影响石墨胶凝复合材料导电性能的要素有：石墨含量；复合胶凝材料均匀度、检测工作的电压和复合材料湿润程度。本文研究石墨含量对探头导电特性的影响。

图2 复合材料内部结构

2.2 电阻率试验方法

为研究不同石墨含量介导复合胶凝材料导电性能，采用二电极法视电阻率测试方法检测，二电极法更为之可靠，应用也更普遍[6，22]。电极法视电阻率测试方法如图3 所示。在石墨胶凝复合材料两端施加直流电压，用电压表测得混凝土试样两端电压U，用电流表测得回路电流I，通过式（1）计算出石墨胶凝复合材料试样的视电阻率值[23]。

图3 二电极法视电阻率测试

式中：ρ为试样电阻率，Ω·m；ΔU为试样测得的两端电压，V；I为回路电流，A；S为横断面积，m2；L为电板块间的距离，m。

2.3 试样材料和工具准备

需准备石墨胶凝材料试样，石墨质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%；万用表2个；直流电源1个；导线若干。

采用40 mm×40 mm×160 mm 的模具制作所有试样。按照石墨质量分数的不同准备好水泥和石墨原材料，搅拌试样水灰比全部为0.5，把各材料成分和水浸湿后倒入模具，并用振动棒充分搅拌，刮去溢出混合料然后静置。考虑到石墨胶凝材料原材料水泥的初凝时间一般不低于45 min，终凝时间一般不低于600 min。石墨胶凝材料要1 200 min后脱模。

图4所示为探头试样。按照二电极法视电阻率测试方法原理，连接电源、万用表、电流表和试样，如图5所示。

图5 试样检测实物连接图

2.4 干时电阻率检测

干时电阻率检测要求试样在干燥状态下进行检测。检测时要求把测试探针对正试样的长中线两端。为保证数据接近试样真实电阻，数据稳定可采信，要求通电15 s后待数显稳定再读取。与传感器探头额定电压一样，在试样两端施加的电压为6 V。

检测时，为合理接近实际，规定极板间距为20、30、40、50、60 mm 共5 个距离检测。为减少各试样存在微小的不均匀性，在试样5 个不同位置分别测出所选探针长度值所对应的测量电位差，求出测试结果的算术平均值。由于文章篇幅所限，本文只给出在加载电压为6 V、石墨含量为10%、截面积为1 600 mm2的复合材料的测试数据，如表1所示。

表1 石墨含量为10%的试样干时ΔU和I测量值

表1 中电阻率ρ根据公式（1）计算得到。第4 列电阻率数据为每段距离L检测5 次求出的算术平均值，第5列为第4 列数据合计求平均值得到的石墨含量为10%的试样最终的电阻率为10 148.89 Ω·m。由表1可知，电阻率每次检测都相关微小，其标准差如下：

综上，石墨含量10%的试样的干时总电阻率平均值为10 148.89 Ω·m，标准差为23.4，表明其制造探头的工艺水平可信，成品可用。

2.5 浸润时电阻率测试

浸润时电阻率测试要求试样在潮湿的情形下进行检测，其他要求与干时电阻率检测要求一致。石墨含量为10%的截面积为1 600 mm2的试样湿时ΔU和I测量值如表2 所示。由表可知，石墨含量为10%的试样湿时最终电阻率为173.49 Ω·m，电阻率每次检测都相差微小，其标准差如下：

表2 石墨含量为10%的试样湿时ΔU和I测量值

综上，石墨含量10%的试样湿时总电阻率平均值为173.49 Ω· m，标准差为1.1，表明其制造探头时的工艺水平可信，成品可用。

经过多次重复测试，各石墨质量分数与电阻率统计如表3所示，变化趋势如图6所示。由图可知，随着石墨质量分数的增加，无论试样是浸湿还是干燥，电阻率均先逐步下降，到石墨含量15%之后，趋于稳定。另外，石墨质量分数影响着电阻率检测值走向，胶凝复合材料含石墨越高，测试数值的稳定性越高。因此，在实际应用时，应尽量选用石墨含量较高的石墨胶凝材料，以保证稳定的电阻率差值。