一種石墨膠凝式水分傳感器探頭的電阻率試驗(yàn)研究*

謝碧洪，劉曉初，姚 莉，徐 喬，黃良杰，肖漢濤

（1.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東羅定 527200；2.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 50006）

0 引言

土壤含水率決定著農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)，必須將含水量控制在植物適宜范圍，對(duì)土壤水分檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)智能灌溉農(nóng)業(yè)的重要手段[1-2]。在智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，土壤含水率作為關(guān)鍵信號(hào)決定系統(tǒng)是否為農(nóng)作物澆水，含水率檢測(cè)準(zhǔn)確度決定了節(jié)水效果是否理想[3-4]。土壤水分傳感器是將探頭間土壤的濕度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，以得到最優(yōu)的灌溉量[5]。探頭材料導(dǎo)電率關(guān)系著水分傳感器檢測(cè)準(zhǔn)確度[4]。本文對(duì)一種由石墨和膠凝組成的探頭材料進(jìn)行試驗(yàn)分析，以期得到最優(yōu)導(dǎo)電率的探頭材料。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)石墨、混凝土的膠凝復(fù)合材料進(jìn)行了相關(guān)研究。陳雨萱等[6]總結(jié)了水泥基材料結(jié)構(gòu)性能的等效電路模型。王曉楠等[7]從納米微觀出發(fā)，研究了水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電性、壓阻性等功能特性。劉洪波等[8]測(cè)量了摻量為40%的石墨尾礦混凝土復(fù)合材料的電阻率，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合建立電阻率數(shù)學(xué)回歸方程，為石墨、混凝土的膠凝復(fù)合材料制作提供參考。孫振等[9]用改進(jìn)二電極法，研究了增強(qiáng)復(fù)合混凝土（BPFRC）電阻率。何威等[10]采用納米導(dǎo)電炭黑滲入水泥混凝土可以使電阻率迅速降低，與水灰比混凝土電阻率相差較小，為制作石墨、混凝土的膠凝復(fù)合材料提供參考。史延田等[11]以C30混凝土為基準(zhǔn)摻入石墨制備導(dǎo)電混凝土，結(jié)果表明摻入石墨后混凝土導(dǎo)電性有所提高，但流動(dòng)性降低。劉宇彬等[12]選取碳纖維和石墨為導(dǎo)電相材料制備導(dǎo)電混凝土，結(jié)果表明隨濕度變化電阻率的改變小于0.28 Ω·m，導(dǎo)電性能穩(wěn)定。

目前，關(guān)于對(duì)不同石墨含量和混凝土膠凝復(fù)合材料導(dǎo)電特性的研究較少。鑒于此，本文在混凝土水泥基中摻入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)石墨電相材料制備探頭試樣，進(jìn)行電阻率特性檢測(cè)分析，以期得到最優(yōu)石墨含量比例的探頭。

1 土壤水分傳感器探頭機(jī)理

土壤水分傳感器工作時(shí)探頭插在泥土中，為智能節(jié)水灌溉控制提供含水率信號(hào)，其機(jī)理如圖1 所示[13]。其中，A、B為土壤水分探頭的電極板；J1為繼電器；J1-1為常開觸點(diǎn)；FV為直流電磁閥，供進(jìn)水用。

圖1 太陽(yáng)能自動(dòng)灌溉器等效電路原理

土壤水分傳感器工作原理：當(dāng)土壤水分大時(shí)，探頭電極板AB 間電阻較小相當(dāng)于連通，引起三極管BG1 與BG2 截止，這時(shí)繼電器J1 線圈不通電不工作，J1-1 觸點(diǎn)處于初始常開狀態(tài)，進(jìn)水控制電磁閥FV斷開，土壤潮濕不進(jìn)行灌溉；當(dāng)泥土干旱時(shí)，探頭電極板AB 間電阻很大相當(dāng)于斷開，這時(shí)三極管BG1 的基極有壓降導(dǎo)通，接著引起B(yǎng)G2 也導(dǎo)通，繼電器J1 線圈通電，常開觸點(diǎn)J1-1閉狀態(tài)反轉(zhuǎn)，控制進(jìn)水的電磁閥FV通電工作，對(duì)農(nóng)作物澆水。所以，在實(shí)現(xiàn)智能灌溉控制中，土壤水分傳感器相當(dāng)于一個(gè)感性電阻，在泥土水分大時(shí)電阻很小，在干旱時(shí)電阻增大。

2 探頭材料電阻率試驗(yàn)

石墨膠凝復(fù)合材料是土壤水分感應(yīng)固態(tài)電極，可以用其制造探頭的主要部分[14]。由探頭工作機(jī)理可知，隨著泥土從干旱到水浸潤(rùn)狀態(tài)下，傳感器的探頭電阻率會(huì)發(fā)生變化，且變化主要與氣溫、泥土溫度、環(huán)境濕度相關(guān)[15]。為尋求復(fù)合材料探頭導(dǎo)電率最高的各成分配比，本文試驗(yàn)研究重點(diǎn)在于當(dāng)石墨的含量變化時(shí)，復(fù)合材料的電阻率會(huì)發(fā)生怎樣的變化。為便于研究，將試樣處于水浸潤(rùn)和干燥兩種情形，以模擬實(shí)際灌溉環(huán)境中泥土的情況。

2.1 石墨膠凝復(fù)合材料導(dǎo)電機(jī)理

石墨膠凝復(fù)合材料是一種特殊的水泥基復(fù)合材料，它由膠凝劑、石墨和水組成，其中膠凝劑可以有效地吸附水分，而石墨則可以提供良好的導(dǎo)電性能，從而滿足多種應(yīng)用需求[16]。石墨膠凝復(fù)合材料的導(dǎo)電方式：復(fù)合膠凝材料的固相、氣相為通電的不良導(dǎo)體，所以膠凝材料的導(dǎo)電性能是由孔隙溶液中的離子Ca2+、OH-、Na+等所決定的。游離子通電，材料孔溶液有Ca2+、OH-、Na+、SO42-和K+等游離移動(dòng)形成；電子導(dǎo)電，形成了自由移動(dòng)的電子[6,17-18]。

石墨、水泥基復(fù)合材料有導(dǎo)電組分，因此其導(dǎo)電性能優(yōu)于水泥[19]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。石墨是一種分散在基體中的導(dǎo)線成分，它們構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以通過(guò)隧道效應(yīng)和絕緣來(lái)傳導(dǎo)電流，而水泥石則是一種陽(yáng)離子導(dǎo)電物質(zhì)，它們可以透過(guò)搭接或接觸構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳導(dǎo)電流。當(dāng)電子設(shè)備從一個(gè)導(dǎo)電體中獲得足夠的能量時(shí)，它們就會(huì)穿越水泥集體中的壁壘，從而成為導(dǎo)電顆粒或纖維。這種情況通常發(fā)生在水泥基體被完全絕緣的情況下，即使勢(shì)壘足夠小，電子設(shè)備也會(huì)越過(guò)這些壁壘，從一個(gè)導(dǎo)電體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)導(dǎo)電體[20]。導(dǎo)電情況下，當(dāng)石墨膠凝復(fù)合材料中水分增加時(shí)，會(huì)減緩導(dǎo)電組分相互的接觸，這樣介導(dǎo)膠凝材料導(dǎo)電能力下降。此外孔隙之間的帶電離子變多，有利于提高電阻率。正極吸引陰離子，負(fù)極吸引陽(yáng)離，最終形成一層薄膜，猶如一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，使得測(cè)量出的電流大幅度降低[21]。影響石墨膠凝復(fù)合材料導(dǎo)電性能的要素有：石墨含量；復(fù)合膠凝材料均勻度、檢測(cè)工作的電壓和復(fù)合材料濕潤(rùn)程度。本文研究石墨含量對(duì)探頭導(dǎo)電特性的影響。

圖2 復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 電阻率試驗(yàn)方法

為研究不同石墨含量介導(dǎo)復(fù)合膠凝材料導(dǎo)電性能，采用二電極法視電阻率測(cè)試方法檢測(cè)，二電極法更為之可靠，應(yīng)用也更普遍[6，22]。電極法視電阻率測(cè)試方法如圖3 所示。在石墨膠凝復(fù)合材料兩端施加直流電壓，用電壓表測(cè)得混凝土試樣兩端電壓U，用電流表測(cè)得回路電流I，通過(guò)式（1）計(jì)算出石墨膠凝復(fù)合材料試樣的視電阻率值[23]。

圖3 二電極法視電阻率測(cè)試

式中：ρ為試樣電阻率，Ω·m；ΔU為試樣測(cè)得的兩端電壓，V；I為回路電流，A；S為橫斷面積，m2；L為電板塊間的距離，m。

2.3 試樣材料和工具準(zhǔn)備

需準(zhǔn)備石墨膠凝材料試樣，石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%；萬(wàn)用表2個(gè)；直流電源1個(gè)；導(dǎo)線若干。

采用40 mm×40 mm×160 mm 的模具制作所有試樣。按照石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同準(zhǔn)備好水泥和石墨原材料，攪拌試樣水灰比全部為0.5，把各材料成分和水浸濕后倒入模具，并用振動(dòng)棒充分?jǐn)嚢?，刮去溢出混合料然后靜置?？紤]到石墨膠凝材料原材料水泥的初凝時(shí)間一般不低于45 min，終凝時(shí)間一般不低于600 min。石墨膠凝材料要1 200 min后脫模。

圖4所示為探頭試樣。按照二電極法視電阻率測(cè)試方法原理，連接電源、萬(wàn)用表、電流表和試樣，如圖5所示。

圖5 試樣檢測(cè)實(shí)物連接圖

2.4 干時(shí)電阻率檢測(cè)

干時(shí)電阻率檢測(cè)要求試樣在干燥狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)要求把測(cè)試探針對(duì)正試樣的長(zhǎng)中線兩端。為保證數(shù)據(jù)接近試樣真實(shí)電阻，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可采信，要求通電15 s后待數(shù)顯穩(wěn)定再讀取。與傳感器探頭額定電壓一樣，在試樣兩端施加的電壓為6 V。

檢測(cè)時(shí)，為合理接近實(shí)際，規(guī)定極板間距為20、30、40、50、60 mm 共5 個(gè)距離檢測(cè)。為減少各試樣存在微小的不均勻性，在試樣5 個(gè)不同位置分別測(cè)出所選探針長(zhǎng)度值所對(duì)應(yīng)的測(cè)量電位差，求出測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值。由于文章篇幅所限，本文只給出在加載電壓為6 V、石墨含量為10%、截面積為1 600 mm2的復(fù)合材料的測(cè)試數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 石墨含量為10%的試樣干時(shí)ΔU和I測(cè)量值

表1 中電阻率ρ根據(jù)公式（1）計(jì)算得到。第4 列電阻率數(shù)據(jù)為每段距離L檢測(cè)5 次求出的算術(shù)平均值，第5列為第4 列數(shù)據(jù)合計(jì)求平均值得到的石墨含量為10%的試樣最終的電阻率為10 148.89 Ω·m。由表1可知，電阻率每次檢測(cè)都相關(guān)微小，其標(biāo)準(zhǔn)差如下：

綜上，石墨含量10%的試樣的干時(shí)總電阻率平均值為10 148.89 Ω·m，標(biāo)準(zhǔn)差為23.4，表明其制造探頭的工藝水平可信，成品可用。

2.5 浸潤(rùn)時(shí)電阻率測(cè)試

浸潤(rùn)時(shí)電阻率測(cè)試要求試樣在潮濕的情形下進(jìn)行檢測(cè)，其他要求與干時(shí)電阻率檢測(cè)要求一致。石墨含量為10%的截面積為1 600 mm2的試樣濕時(shí)ΔU和I測(cè)量值如表2 所示。由表可知，石墨含量為10%的試樣濕時(shí)最終電阻率為173.49 Ω·m，電阻率每次檢測(cè)都相差微小，其標(biāo)準(zhǔn)差如下：

表2 石墨含量為10%的試樣濕時(shí)ΔU和I測(cè)量值

綜上，石墨含量10%的試樣濕時(shí)總電阻率平均值為173.49 Ω· m，標(biāo)準(zhǔn)差為1.1，表明其制造探頭時(shí)的工藝水平可信，成品可用。

經(jīng)過(guò)多次重復(fù)測(cè)試，各石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)與電阻率統(tǒng)計(jì)如表3所示，變化趨勢(shì)如圖6所示。由圖可知，隨著石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，無(wú)論試樣是浸濕還是干燥，電阻率均先逐步下降，到石墨含量15%之后，趨于穩(wěn)定。另外，石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響著電阻率檢測(cè)值走向，膠凝復(fù)合材料含石墨越高，測(cè)試數(shù)值的穩(wěn)定性越高。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量選用石墨含量較高的石墨膠凝材料，以保證穩(wěn)定的電阻率差值。

表3 各石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)與電阻率統(tǒng)計(jì)

圖6 不同石墨含量的電阻率曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)一種土壤水分傳感器石墨復(fù)合膠凝式探頭材料的電阻率進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析不同石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試樣在干濕條件下電阻率的變化情況。結(jié)果表明：

（1）石墨膠凝復(fù)合材料探頭的電阻率與其水泥基和石墨配比相關(guān)，隨著石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，在干濕條件下，電阻率均是先逐步下降，在石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%后，趨于穩(wěn)定；

（2）探頭材料電阻率與施加的測(cè)試電壓呈負(fù)相關(guān)，測(cè)試電壓越高，其值越低，在石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)低水平時(shí)更突出；

（3）用二電極法視電阻率方法檢測(cè)石墨復(fù)合膠凝式探頭材料電阻率可行。