谭 浩,胡 鹏,龚沈光

(海军工程大学兵器工程系,湖北武汉 430033)

0 引言

无论舰船是静止还是运动,其周围水下都存在有电场[1]。从20世纪 50年代起,美国、英国、加拿大、澳大利亚和前苏联等国家就开始了对舰船水下电场的研究,他们在对电场的测量和消除方法上都取得了重要成果并应用于实际装备中[2]。因此,我国对水下电场的测量及抵消方法的研究也迫在眉睫。而第一手的水下电场数据必须通过水下电场传感器测量获得。由于水下环境对电场信号存在衰减作用,到达传感器的电场信号非常微弱,电极的自噪声将直接影响到水下电场数据测量的效果,这就要求传感器具有较高测量灵敏度和较低自噪声等特点。所以,研究电极本身的各项性能对于水下目标的监测,舰船电场隐身技术的发展等具有极其重要的意义。

不同水域通常具有不同的电导率特性,同一对电极在不同水域下的自噪声也不相同。目前研究较多的是如何通过各种电极制造工艺、不同的电场测量手段以及相应信号处理技术,以减小电极自噪声对有用信号的影响,但关于电极自噪声与水中电导率间的联系,尚未能查阅到相关研究资料。为此,本文设计实现了一套电极自噪声测量系统,并在其他各参数不变的情况下,仅改变水中电导率,以测量电导率的变化对全固态Ag/AgCl电极自噪声的影响。

1 实验方法和设计

实验的硬件设施包括半径1.2 cm、高8.6 cm的圆柱体形全固态Ag/AgCl电极一对,铍镆合金四层同心圆柱结构屏蔽桶一个和噪声测量电路等部分。

电极放置于底面半径为6.5 cm的塑料小圆筒中。在圆筒中放入10.5 cm深的蒸馏水,逐渐倒入工业盐,调制出不同电导率的溶液。

测量系统示意图如图1所示,其中主要部分为信号的放大滤波电路和数据的A/D转换与采集。

图1 电极噪声测量系统Fig.1 The measuring-system for the noise of Ag/AgCl all-solid-state electrodes

信号调理电路分为前置放大和滤波放大两个部分。前置放大采用低噪声直流供电放大器SA-200F3,放大倍数为100,1 kHz时噪声电压密度为0.5 nV/ Hz,频带宽度为0～800 kHz;滤波电路由一个二阶高通和一个八阶低通两级有源滤波器串联组成,第一级放大100倍,第二级放大20倍,其带通宽度为1～5 Hz。整个电路的放大倍数约为200 000倍。其频谱特性如图2所示。A/D转换器选用PCI1716,其具有250 kHz采样率、自动校准功能、PCI总线数据传输和16路模拟量输入、16位高分辨率多功能数据采集卡。计算机用于控制A/D转换以及数据的采集和处理。

图2 滤波放大电路频谱特性Fig.2 Frequency spectrum of the amplifier-filter

2 实验过程及测量结果

首先测量电路的自噪声。连接好电路,不连接电极,短接前置放大器输入端,把放大滤波电路放入磁屏蔽桶中,连接放大滤波电路的输出端与A/D转换器,设定A/D板采样频率为20 Hz,盖上四层屏蔽盖后接通电源开始测量。得到的测量结果为时域幅值,对其用Burg法求功率谱,并取10倍常用对数,如图3所示。

图3 电极短路时电路的自噪声时域值和频谱Fig.3 The time domains and spectrum value of the circuit noise when short-circuit the electrodes

图3(b)所示电路噪声的频谱中没有显现出滤波放大电路的带通性质,是因为电极短接后,原本作为电路输入端的电极噪声信号减小到近乎为零,经过前置低噪声放大器放大100倍后依然很小,其作为第一级的滤波放大电路的输入信号时,该级调理电路本身的自噪声就覆盖了输入,因此其滤波性质无法得到显现。而第一级滤波放大电路的输出作为第二级的输入时同样如此,所以最终在频谱图上无法看到滤波器的带通性。

把待测电极浸入到小桶中配制好的溶液里,测量并记录溶液当前的电导率。将小桶连同滤波放大电路一起放入屏蔽桶中,盖上四层屏蔽盖。接通电源开始测量。然后改变溶液的电导率,重复以上过程。结果如图4—图8所示。

图4 σ=1.06 S/m时的电极噪声时域值和频谱Fig.4 The time domains and spectrum value of the electrodes noise whenσ=1.06 S/m

图5 σ=2.11 S/m时的电极噪声时域值和频谱Fig.5 The time domains value and spectrum of the electrodes noise whenσ=2.11 S/m

图6 σ=4.06 S/m时的电极噪声时域值和频谱Fig.6 The time domains and spectrum value of the electrodes noise whenσ=4.06 S/m

图7 σ=4.57 S/m时的电极噪声时域值和频谱Fig.7 The time domains and spectrum value of the electrodes noise whenσ=4.57 S/m

图8 σ=4.91 S/m时的电极噪声时域值和频谱Fig.8 The time domains value and spectrum of the electrodes noise whenσ=4.91 S/m

由图4—图8可发现,随着电导率从1.06 S/m增加到4.91 S/m的过程中,电极自噪声经滤波放大后的时域幅值从大于0.1 V逐渐降低到0.05 V～0.1 V之间,并最终维持在0.04 V左右;频域值从大约-60 dB,逐渐降低到-70 dB和-80 dB,并最终在大约-90 dB时达到稳定。

对比图3和图4—图8的时域图可以发现,所测得的噪声为电极噪声和电路噪声的简单叠加,电路噪声低频段在图4—图8中依然凸显。

3 实验原理分析

电化学理论表明:电极和溶液接触后,两相介质界面附近会出现极化现象,形成电化学过电位,其波动称为电化学噪声,是影响信号测量的根源。

Ag/AgCl作为极差小且性能稳定的基体材料被广泛应用于水下电场传感器的材料。Ag/AgCl在海水中存在两个相界面[3],即电极表面的Ag和Ag/AgCl分别作为阳极和阴极参与反应过程并趋于平衡,电极反应可表示为:

尽管AgCI是一种难容的盐，反应过程中仍存在着另一个平衡关系：

以阴极反应为例:当有微量电流通过电极界面时,上述平衡出现向右的偏离,阴极表面附近中的Ag+沉积到阴极上,降低了Ag+在阴极附近的浓度。如果溶液中的Ag+来不及补充上去,则阴极附近液层中Ag+的浓度将低于它在溶液中的浓度。

电极电位的表达式为:

式中,φ0为标准状态下银电极与氢电极作参比的电极电位,R为理想气体常数,T为环境绝对温度,F为法拉第常数,aAg+为阴极附近液层中Ag+的浓度。由式(4)知,电极电位将偏离平衡值,上述过程的不断出现引发电位波动进而引起电极电化学噪声[4]。

由于电极反应的速度是有限的,当有电子提供给电极后,Ag+来不及立即被还原,无法及时消耗掉外界输送来的电子,结果使电极表面上积累了多余平衡状态的电子,电极表面上自由电子数量的增多,这相当于电极电位向负方向移动,电荷在界面上积累得越来越多,则电极极化现象也越来越强烈,以至于有用信号被最终淹没,引起电化学噪声;如果电极反应速度足够大,致使去极化与极化作用趋于平衡,极化过电位很小,则不会引起较大的自噪声。

由以上数据可知,在不改变其他条件而仅增大溶液电导率的过程中,全固态Ag/AgCl电极的自噪声逐渐减小,并最终维持在一个由电极自身性质和其他各环境参数决定的稳定值上。该结论在测量不同电导率条件下水下电场时,对测量系统设计、参数设置和后期对测量数据的处理有着重要的参考价值。由于作者的研究方向主要在信号的探测、分析和处理方面,对电化学方面的知识了解不多。希望本论文的发表引起大家对该问题的重视,能够从理论上更加充分地分析和解释水中电导率对Ag/AgCl固态电极自噪声的影响,起到抛砖引玉的作用。

[1]林春生,龚沈光.舰船物理场[M].北京:兵器工业出版社,2007:233-246.

[2]喻浩.舰艇电场和低频电磁场防护措施[J].舰船科学技术,2000(3):37-39.YU Hao.The ship electric field and protection method[J].Ship Science and Technology,2000(3):37-39.

[3]查全性.电极过程动力学导论[M].北京:科学出版社,2002.

[4]张鉴清,张昭,王建明,等.电化学噪声的分析与应用-Ⅰ.电化学噪声的分析原理[J].中国防腐与防护学报,2001,21(5):310-320.ZHANG Jianqing,ZHANG Zhao.Analysis and application of electrochemical noise I.Theory of electrochemical noise analysis[J].Journal of Chinese Society For Corrosion and Protection,2001,21(5):310-320.