太阳能自动灌溉控制器新型材料土壤干湿感应探头的研究

【摘要】：我国是一个严重缺乏水资源的国家，但由于目前主要采用的人工粗放式灌溉方式，灌溉水利用率远远低于发达国家，造成了严重的水资源浪费。因此发展能够根据土壤湿度情况，自动精准进行灌溉的自动化节水灌溉技术对保障我国水资源利用可持续发展具有重要战略意义。 实时精确测量土壤湿度的土壤湿度传感器探头是自动化节水灌溉设备的基础和关键。现有的金属探头，在土壤高湿度而复杂化学成分的环境下，很容易被腐蚀或钝化而失效。针对此现象，现研发出一种新型防腐蚀抗钝化的石墨胶凝复合材料探头。该复合材料制成的探头化学性能稳定，且在土壤中有微量溶出性侵蚀效应，使探头表面产生微溶解，具有表面自更新功能，从而可保证探头在长期使用中的抗腐蚀抗钝化效用。 本文对应用于太阳能自动灌溉控制器这种新型石墨胶凝复合材料制成的土壤干湿感应探头进行了设计和性能研究。该探头以电阻法测定土壤湿度，探头的电阻值与土壤湿度成负相关。采用直流两探针法测定不同石墨含量的石墨胶凝复合材料在干湿条件下电阻率的变化。通过设计不同的导电内芯，研究内芯与石墨胶凝材料的接触面积对探头电阻值的影响。对不同湿度条件下不同结构的土壤干湿探头的导电性能进行了对比分析。研究结果表明： （1）石墨胶凝复合材料的配比对石墨胶凝材料的导电性有影响。该材料电阻率随石墨含量的增加而减小，但石墨含量增至25%后，该材料电阻率降低趋势变缓。复合材料的电阻率，会随加载电压的增大而减小，石墨含量越小，影响越明显。在石墨含量5%时，接近极值。复合材料的电阻率会随其自身湿度升高而下降，该影响在石墨含量25%左右时显著减小。 （2）不同石墨含量的石墨胶凝复合材料适用于制作不同的探头。石墨含量高于25%的复合材料电阻率极低且变化较小，适合用于制作分体式探头。石墨含量低于15%的复合材料的导电因素受水泥影响很大，而水泥的微孔结构易于吸收土壤水分，在不同干湿情况下有很大的电阻率差，适合用于制作一体式探头。 （3）干湿探头的内芯结构会影响探头的感应电阻值。对于相同石墨含量的探头，其电阻值会随内芯与探头材料的接触面积增大而增大。内芯结构越是复杂的探头灵敏度越低。从实验数据看，单股铜芯要好于多股线型内芯、双股绞型铜芯和矩形截面铜芯等其他内芯结构。 （4）新型材料土壤干湿探头感应体和土壤的接触面积会影响探头的电阻值。当接触面积较小时，测得的电阻值随接触面积的增大而增大。 （5）合理的探头结构会减小土壤干湿度变化过程中的缩胀现象带来的误差。其中，以圆锥形探头效果最为明显。 【关键词】：石墨胶凝材料 土壤干湿探头 土壤湿度 传感器 导电特性
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：S277.9
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 课题来源13
• 1.2 课题研究目的和意义13-15
• 1.3 课题的研究背景15
• 1.4 国内外相关技术研究现状15-22
• 1.4.1 自动灌溉及控制技术研究现状16-17
• 1.4.2 土壤水分信息采集技术研究现状17-20
• 1.4.3 土壤干湿感应探头材料研究现状20-22
• 1.5 课题主要研究内容22-23
• 第二章 土壤干湿感应探头湿度探测理论23-31
• 2.1 土壤湿度与电阻率的关系23-26
• 2.1.1 土壤湿度23-25
• 2.1.2 土壤电阻率25-26
• 2.2 石墨胶凝复合材料导电性分析26-29
• 2.2.1 单一石墨和胶凝材料的导电分析26-28
• 2.2.2 石墨胶凝复合材料导电机理28-29
• 2.3 探头工作原理及工作环境29-30
• 2.4 结论30-31
• 第三章 土壤干湿探头新型材料电阻率测试分析31-40
• 3.1 石墨胶凝复合材料电阻率测试实验31-32
• 3.1.1 石墨胶凝复合材料实验设计31
• 3.1.2 电阻率的测试方法31-32
• 3.2 石墨胶凝材料电阻率测试分析32-39
• 3.2.1 石墨胶凝材料试样制作32-33
• 3.2.2 实验材料准备33-34
• 3.2.3 干时电阻率测试34-36
• 3.2.4 湿时电阻率测试36-38
• 3.2.5 干湿状态下测试数据对比38-39
• 3.3 结论39-40
• 第四章 新型材料土壤干湿感应探头整体结构设计40-53
• 4.1 分体式探头40-45
• 4.1.1 分体式探头电阻测试对比试验41-44
• 4.1.2 分体式探头电阻测试结果分析44-45
• 4.2 一体式探头45-51
• 4.2.1 一体式探头电阻测试对比试验45-50
• 4.2.2 一体式探头电阻测试结果分析50-51
• 4.3 结论51-53
• 第五章 新型材料土壤干湿探头内芯及外部结构的研究53-68
• 5.1 土壤干湿探头内芯结构设计53-54
• 5.2 不同结构内芯的探头电阻测试54-59
• 5.2.1 内芯结构对分体式探头的影响54-57
• 5.2.2 内芯结构对一体式探头的影响57-59
• 5.3 不同外部结构对探头的影响59-62
• 5.4 土壤干湿探头在土壤中的测试62-65
• 5.5 土壤干湿探头成型设计65-67
• 5.6 结论67-68
• 第六章 总结与展望68-71
• 6.1 总体结论68-69
• 6.2 主要创新点69
• 6.3 工作展望69-71
• 参考文献71-77
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果77-78
• 致谢78-79
• 附录 石墨胶凝复合材料电阻率部分测试结果79-96

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