一種石墨膠凝式水分傳感器探頭的電阻率試驗研究*

謝碧洪，劉曉初，姚 莉，徐 喬，黃良杰，肖漢濤

（1.羅定職業技術學院，廣東羅定 527200；2.廣州大學機械與電氣工程學院，廣州 50006）

0 引言

土壤含水率決定著農作物的長勢，必須將含水量控制在植物適宜范圍，對土壤水分檢測是實現智能灌溉農業的重要手段[1-2]。在智能節水灌溉系統設計中，土壤含水率作為關鍵信號決定系統是否為農作物澆水，含水率檢測準確度決定了節水效果是否理想[3-4]。土壤水分傳感器是將探頭間土壤的濕度轉變成電信號再轉換成數字信號傳輸到計算機中，以得到最優的灌溉量[5]。探頭材料導電率關系著水分傳感器檢測準確度[4]。本文對一種由石墨和膠凝組成的探頭材料進行試驗分析，以期得到最優導電率的探頭材料。

國內學者對石墨、混凝土的膠凝復合材料進行了相關研究。陳雨萱等[6]總結了水泥基材料結構性能的等效電路模型。王曉楠等[7]從納米微觀出發，研究了水泥基復合材料的導電性、壓阻性等功能特性。劉洪波等[8]測量了摻量為40%的石墨尾礦混凝土復合材料的電阻率，通過實驗數據擬合建立電阻率數學回歸方程，為石墨、混凝土的膠凝復合材料制作提供參考。孫振等[9]用改進二電極法，研究了增強復合混凝土（BPFRC）電阻率。何威等[10]采用納米導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、混凝土的膠凝復合材料提供參考。史延田等[11]以C30混凝土為基準摻入石墨制備導電混凝土，結果表明摻入石墨后混凝土導電性有所提高，但流動性降低。劉宇彬等[12]選取碳纖維和石墨為導電相材料制備導電混凝土，結果表明隨濕度變化電阻率的改變小于0.28 Ω·m，導電性能穩定。

目前，關于對不同石墨含量和混凝土膠凝復合材料導電特性的研究較少。鑒于此，本文在混凝土水泥基中摻入不同質量分數石墨電相材料制備探頭試樣，進行電阻率特性檢測分析，以期得到最優石墨含量比例的探頭。

1 土壤水分傳感器探頭機理

土壤水分傳感器工作時探頭插在泥土中，為智能節水灌溉控制提供含水率信號，其機理如圖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；FV為直流電磁閥，供進水用。

圖1 太陽能自動灌溉器等效電路原理

土壤水分傳感器工作原理：當土壤水分大時，探頭電極板AB 間電阻較小相當于連通，引起三極管BG1 與BG2 截止，這時繼電器J1 線圈不通電不工作，J1-1 觸點處于初始常開狀態，進水控制電磁閥FV斷開，土壤潮濕不進行灌溉；當泥土干旱時，探頭電極板AB 間電阻很大相當于斷開，這時三極管BG1 的基極有壓降導通，接著引起BG2 也導通，繼電器J1 線圈通電，常開觸點J1-1閉狀態反轉，控制進水的電磁閥FV通電工作，對農作物澆水。所以，在實現智能灌溉控制中，土壤水分傳感器相當于一個感性電阻，在泥土水分大時電阻很小，在干旱時電阻增大。

2 探頭材料電阻率試驗

石墨膠凝復合材料是土壤水分感應固態電極，可以用其制造探頭的主要部分[14]。由探頭工作機理可知，隨著泥土從干旱到水浸潤狀態下，傳感器的探頭電阻率會發生變化，且變化主要與氣溫、泥土溫度、環境濕度相關[15]。為尋求復合材料探頭導電率最高的各成分配比，本文試驗研究重點在于當石墨的含量變化時，復合材料的電阻率會發生怎樣的變化。為便于研究，將試樣處于水浸潤和干燥兩種情形，以模擬實際灌溉環境中泥土的情況。

2.1 石墨膠凝復合材料導電機理

石墨膠凝復合材料是一種特殊的水泥基復合材料，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電性能，從而滿足多種應用需求[16]。石墨膠凝復合材料的導電方式：復合膠凝材料的固相、氣相為通電的不良導體，所以膠凝材料的導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+等游離移動形成；電子導電，形成了自由移動的電子[6,17-18]。

石墨、水泥基復合材料有導電組分，因此其導電性能優于水泥[19]，其內部結構如圖2 所示。石墨是一種分散在基體中的導線成分，它們構成的網絡系統可以通過隧道效應和絕緣來傳導電流，而水泥石則是一種陽離子導電物質，它們可以透過搭接或接觸構成的導電網絡來傳導電流。當電子設備從一個導電體中獲得足夠的能量時，它們就會穿越水泥集體中的壁壘，從而成為導電顆?；蚶w維。這種情況通常發生在水泥基體被完全絕緣的情況下，即使勢壘足夠小，電子設備也會越過這些壁壘，從一個導電體轉移到另一個導電體[20]。導電情況下，當石墨膠凝復合材料中水分增加時，會減緩導電組分相互的接觸，這樣介導膠凝材料導電能力下降。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，負極吸引陽離，最終形成一層薄膜，猶如一個反向電動勢，使得測量出的電流大幅度降低[21]。影響石墨膠凝復合材料導電性能的要素有：石墨含量；復合膠凝材料均勻度、檢測工作的電壓和復合材料濕潤程度。本文研究石墨含量對探頭導電特性的影響。

圖2 復合材料內部結構

2.2 電阻率試驗方法

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

圖3 二電極法視電阻率測試

式中：ρ為試樣電阻率，Ω·m；ΔU為試樣測得的兩端電壓，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 試樣材料和工具準備

需準備石墨膠凝材料試樣，石墨質量分數分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%；萬用表2個；直流電源1個；導線若干。

采用40 mm×40 mm×160 mm 的模具制作所有試樣。按照石墨質量分數的不同準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，并用振動棒充分攪拌，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間一般不低于45 min，終凝時間一般不低于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試方法原理，連接電源、萬用表、電流表和試樣，如圖5所示。

圖5 試樣檢測實物連接圖

2.4 干時電阻率檢測

干時電阻率檢測要求試樣在干燥狀態下進行檢測。檢測時要求把測試探針對正試樣的長中線兩端。為保證數據接近試樣真實電阻，數據穩定可采信，要求通電15 s后待數顯穩定再讀取。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。

檢測時，為合理接近實際，規定極板間距為20、30、40、50、60 mm 共5 個距離檢測。為減少各試樣存在微小的不均勻性，在試樣5 個不同位置分別測出所選探針長度值所對應的測量電位差，求出測試結果的算術平均值。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的復合材料的測試數據，如表1所示。

表1 石墨含量為10%的試樣干時ΔU和I測量值

表1 中電阻率ρ根據公式（1）計算得到。第4 列電阻率數據為每段距離L檢測5 次求出的算術平均值，第5列為第4 列數據合計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，電阻率每次檢測都相關微小，其標準差如下：

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

2.5 浸潤時電阻率測試

浸潤時電阻率測試要求試樣在潮濕的情形下進行檢測，其他要求與干時電阻率檢測要求一致。石墨含量為10%的截面積為1 600 mm2的試樣濕時ΔU和I測量值如表2 所示。由表可知，石墨含量為10%的試樣濕時最終電阻率為173.49 Ω·m，電阻率每次檢測都相差微小，其標準差如下：

表2 石墨含量為10%的試樣濕時ΔU和I測量值

綜上，石墨含量10%的試樣濕時總電阻率平均值為173.49 Ω· m，標準差為1.1，表明其制造探頭時的工藝水平可信，成品可用。

經過多次重復測試，各石墨質量分數與電阻率統計如表3所示，變化趨勢如圖6所示。由圖可知，隨著石墨質量分數的增加，無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，趨于穩定。另外，石墨質量分數影響著電阻率檢測值走向，膠凝復合材料含石墨越高，測試數值的穩定性越高。因此，在實際應用時，應盡量選用石墨含量較高的石墨膠凝材料，以保證穩定的電阻率差值。

表3 各石墨質量分數與電阻率統計

圖6 不同石墨含量的電阻率曲線

3 結束語

本文對一種土壤水分傳感器石墨復合膠凝式探頭材料的電阻率進行試驗研究，分析不同石墨質量分數的試樣在干濕條件下電阻率的變化情況。結果表明：

（1）石墨膠凝復合材料探頭的電阻率與其水泥基和石墨配比相關，隨著石墨質量分數增加，在干濕條件下，電阻率均是先逐步下降，在石墨質量分數為15%后，趨于穩定；

（2）探頭材料電阻率與施加的測試電壓呈負相關，測試電壓越高，其值越低，在石墨質量分數低水平時更突出；

（3）用二電極法視電阻率方法檢測石墨復合膠凝式探頭材料電阻率可行。