王烨煊，宋玉苏，申 振，陈闻博

(海军工程大学基础部，湖北武汉 430033)

0 引言

海洋中电场信号丰富，并通过海水中正负离子的运动进行传递，信号频率越低衰减越小，收集此类信号在资源探测、环境检测等领域具有重要意义[1-3]。

稳定的极差和较小的自噪声是探测电极的主要性能指标，海洋电场信号强度微弱，一般在μV级别，若极差不稳定会导致响应信号发生畸变[4,5]。国外已有使用碳纤维作为电极材料的商用电场探测电极，但具体制备工艺尚未公开[6-9]。国内对于碳纤维电极的研究尚处于起步状态，主要方法是对碳纤维进行表面氧化处理，增加碳纤维表面的极性官能团，达到稳定电极极差的目的[10-14]。本文使用碳纤维制备了海洋电场电极并对其响应性能和影响因素进行了分析。

1 碳纤维电极原理

海洋电场是通过测量两探测电极间的电位差来获得，碳纤维作为海洋电场探测电极最大的问题在于极差稳定时间长，海水中微弱的波动即会对电极极差产生影响。

碳纤维电极在海水中呈现惰性，不发生化学反应，主要靠丝束表面离子的吸脱附来达到极差稳定。且丝束表面存在大量微孔，比表面积大，在海水中容易吸附离子产生极化，呈现电容性质，故可以将碳纤维电极对与海水组成的系统看作电容器，其与信号放大电路的输入阻抗组成RC电路，RC电路的放电公式为

(1)

式中:V为电容两端电压;V0为初始电压;R为信号放大电路的输入阻抗;C为电极与海水组成系统的电容。

电容两端电压会随着时间的延长趋向于0，所需要的时间t和RC值成反比，RC值越小，电压稳定所需要的时间越短，电极稳定性能越好。常用信号放大电路输入阻抗较大，一般达到MΩ级别，在放大电路输入端并联小阻值电阻，可近似的将所并联电阻看作放大电路的输入阻抗，采用这种方法可以明显减小RC值，从而降低电极稳定时间。

2 碳纤维电极制备

分别取质量为5 g、10 g、15 g和20 g的T700碳纤维各2束，长度为0.15 m。将碳纤维束用丙酮浸泡24 h，用去离子水冲冼后在80 ℃条件下烘干，用以去除碳纤维表面上浆剂。将干燥后的碳纤维束与导线连接并使用环氧树脂密封，凝固后在电极外侧加装塑料套网用以防止水中漂浮物的干扰。

3 电化学性能测试

3.1 循环伏安

测量设备使用电化学工作站，测量介质使用质量分数为3.5%的NaCl溶液，采用三电极体系，参比电极选用Ag/AgCl电极，辅助电极为铂电极，扫描速度为5 mV/s。

测量结果如图1所示，测量曲线呈现较为规则的矩形，没有出现明显的电流峰，表明所制备的碳纤维电极在测量介质中只有单纯的离子吸脱附，表现出良好的双电层电容，且图形面积越大，电容性能越好。从图1可以看出，随着电极质量增加，碳纤维电极的电容性能明显增强。造成这种现象的原因是电极质量增大，碳纤维丝束数量增加，介质中离子可以吸附的面积增大，电极表面离子吸附量增多，故电极的电容性能增强。

图1 T700碳纤维电极循环伏安曲线

3.2 交流阻抗

采用三电极系统，测量设备同上，测量信号幅值为5 mV，测量范围为0.001 Hz～100 kHz。

图2 T700碳纤维电极交流阻抗

交流阻抗测量结果如图2所示。结果表明，在1 Hz以上，不同质量的电极在阻抗数值上几乎没有差别，随着频率降低，电极阻抗值迅速增大，5 g碳纤维电极在1 mHz处的阻抗值达到2 100Ω，而20 g碳纤维电极在1 mHz处的阻抗值则仅有300 Ω。碳纤维电极阻抗值大小随频率发生变化主要是因为其在测量介质中呈现电容性，电容的容抗公式为

(2)

式中：Xc为容抗;f为频率;C为电容。

由式(2)可知，频率一定时，电容越大，容抗越小。

4 探测性能测试

4.1 极差稳定时间

极差测量设备同上，采用两电极体系，在电极对之间串联阻值为1 kΩ的电阻用于减小放大电路的输入阻抗，测量时间为24 h。

单纯使用碳纤维电极在72 h内无法达到极差稳定状态，且极易被外界波动所干扰。根据极差测量结果(图3)可知，并联电阻后碳纤维电极极差稳定时间大幅降低，且稳定后极差保持在0.5 mV以内。随着电极质量的增加，极差稳定时间增长，5 g、10 g、15 g和20 g的碳纤维电极分别在0.5 h、1.5 h、3.5 h和5.5 h处达到极差稳定状态。造成这种现象的原因是碳纤维电极质量越大，电极表面积越大，电极电容性能越好，碳纤维丝束表面能够吸附的离子数量越多，所以电极放电所需要的时间越长。

图3 T700碳纤维电极极差稳定时间

4.2 电极自噪声

图4 T700碳纤维电极自噪声

4.3 电场响应测试及分析

4.3.1 电场响应

碳纤维电极探测电场的原理如图5所示，其中R为放大电路输入阻抗，Rct为电极的电荷转移电阻，Cd为电极双电层电容，Rs为电极自身阻抗，φ1、φ2为两探测电极处的电位，Uout为输出电压。

图5 碳纤维电极探测原理等效电路

探测时通过测量两电极电位φ1、φ2来间接获得电场。设单个碳纤维电极与测量介质组成的系统阻抗为Z，则探测电路中输入电压与输出电压的关系如式(3)所示，式中，系统阻抗Z是频率的函数，具体数值可以通过交流阻抗测得。

(3)

电场探测使用Keysight 35500B作为信号发生器，发射正弦信号模拟海洋电场，信号频率为1 mHz，发射幅值为100 mV，发射电极为镀铂钛，测量时使用长3 m，直径0.3 m的圆形水槽，两电极间距为0.25 m。使用Sa200F3低噪声放大器和MPS140401数据采集卡组成信号数据采集系统，测量介质为质量分数为3.5%的NaCl溶液。测量时介质中的实际电场会因发射电极极化和电场在介质中发生衰减的原因，使得介质中的实际电场远小于设备发射电场，故通过测量回路中电流的方式获得介质中的实际电场。

所制备的碳纤维电极对1 mHz的电场信号响应如图6所示。

(a)5 g T700碳纤维电极响应图

(b)10 g T700碳纤维电极响应图

(c)15 g T700碳纤维电极响应图

(d)20 g T700碳纤维电极响应图图6 T700碳纤维电极1 mHz电场响应

从图6可以看出，除5 g的碳纤维电极外，其余电极均能完整响应1 mHz的电场信号，且随着电极质量的增加，响应型号波形更加平滑，毛刺减少。随着电极质量的增加，电极对与测量介质组成的系统阻抗降低，电极对于电场的响应增益提高，当响应电场信号强度远大于电极自噪声时，响应波形就变得平滑。质量为5 g的碳纤维电极由于在低频处阻抗值较高，对于电场的响应增益较小，导致响应波形难以分辨，无法响应1 mHz的电场信号。

4.3.2 响应增益及线性

将电极对1 mHz的响应数据进行处理后得到表1，其中，理论增益是根据式(3)进行计算得到，从结果可知，随着电极质量增加，电极的响应增益增大，20 g 碳纤维电极响应增益可以达到0.61，且实际测量增益与理论增益吻合较好。

表1 T700碳纤维电极1 mHz电场响应增益

使用信号发生器发射频率为1 mHz，幅值为50～300 mV的正弦波电场信号，用以测量所制备的电极对1 mHz电场的响应线性，测量结果如图7所示。

图7 T700碳纤维电极电场响应线性

图中直线斜率表示电极的电场响应增益，随着电极质量增加，电场响应增益增大。且在电场强度发生变化时，电极的响应增益几乎没有变化，表现出良好的线性。

5 结论

采用不同质量的T700碳纤维制备海洋电场探测电极，通过减小信号放大电路输入阻抗的方式，极大地缩短了碳纤维电极的极差稳定时间。碳纤维电极在海水中呈现电容特性，不发生化学反应，影响碳纤维电极电场响应性能的因素主要是电极的比表面积，比表面积越大，碳纤维表面能够吸附的离子越多，电极的电容性能越好，其在低频处电极对与海水组成的系统阻抗值越小，则电极的电场响应增益越大，测量的响应信号波形越完整、平滑。以20 g T700碳纤维制备的电场电极在1 mHz处的响应增益能够达到0.61，响应信号波形完整，满足海洋低频微弱电场信号的探测要求。