譚 浩,胡 鵬,龔沈光

(海軍工程大學(xué)兵器工程系,湖北武漢 430033)

0 引言

無論艦船是靜止還是運(yùn)動(dòng),其周圍水下都存在有電場[1]。從20世紀(jì) 50年代起,美國、英國、加拿大、澳大利亞和前蘇聯(lián)等國家就開始了對(duì)艦船水下電場的研究,他們?cè)趯?duì)電場的測量和消除方法上都取得了重要成果并應(yīng)用于實(shí)際裝備中[2]。因此,我國對(duì)水下電場的測量及抵消方法的研究也迫在眉睫。而第一手的水下電場數(shù)據(jù)必須通過水下電場傳感器測量獲得。由于水下環(huán)境對(duì)電場信號(hào)存在衰減作用,到達(dá)傳感器的電場信號(hào)非常微弱,電極的自噪聲將直接影響到水下電場數(shù)據(jù)測量的效果,這就要求傳感器具有較高測量靈敏度和較低自噪聲等特點(diǎn)。所以,研究電極本身的各項(xiàng)性能對(duì)于水下目標(biāo)的監(jiān)測,艦船電場隱身技術(shù)的發(fā)展等具有極其重要的意義。

不同水域通常具有不同的電導(dǎo)率特性,同一對(duì)電極在不同水域下的自噪聲也不相同。目前研究較多的是如何通過各種電極制造工藝、不同的電場測量手段以及相應(yīng)信號(hào)處理技術(shù),以減小電極自噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響,但關(guān)于電極自噪聲與水中電導(dǎo)率間的聯(lián)系,尚未能查閱到相關(guān)研究資料。為此,本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套電極自噪聲測量系統(tǒng),并在其他各參數(shù)不變的情況下,僅改變水中電導(dǎo)率,以測量電導(dǎo)率的變化對(duì)全固態(tài)Ag/AgCl電極自噪聲的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)施包括半徑1.2 cm、高8.6 cm的圓柱體形全固態(tài)Ag/AgCl電極一對(duì),鈹鏌合金四層同心圓柱結(jié)構(gòu)屏蔽桶一個(gè)和噪聲測量電路等部分。

電極放置于底面半徑為6.5 cm的塑料小圓筒中。在圓筒中放入10.5 cm深的蒸餾水,逐漸倒入工業(yè)鹽,調(diào)制出不同電導(dǎo)率的溶液。

測量系統(tǒng)示意圖如圖1所示,其中主要部分為信號(hào)的放大濾波電路和數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換與采集。

圖1 電極噪聲測量系統(tǒng)Fig.1 The measuring-system for the noise of Ag/AgCl all-solid-state electrodes

信號(hào)調(diào)理電路分為前置放大和濾波放大兩個(gè)部分。前置放大采用低噪聲直流供電放大器SA-200F3,放大倍數(shù)為100,1 kHz時(shí)噪聲電壓密度為0.5 nV/ Hz,頻帶寬度為0～800 kHz;濾波電路由一個(gè)二階高通和一個(gè)八階低通兩級(jí)有源濾波器串聯(lián)組成,第一級(jí)放大100倍,第二級(jí)放大20倍,其帶通寬度為1～5 Hz。整個(gè)電路的放大倍數(shù)約為200 000倍。其頻譜特性如圖2所示。A/D轉(zhuǎn)換器選用PCI1716,其具有250 kHz采樣率、自動(dòng)校準(zhǔn)功能、PCI總線數(shù)據(jù)傳輸和16路模擬量輸入、16位高分辨率多功能數(shù)據(jù)采集卡。計(jì)算機(jī)用于控制A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的采集和處理。

圖2 濾波放大電路頻譜特性Fig.2 Frequency spectrum of the amplifier-filter

2 實(shí)驗(yàn)過程及測量結(jié)果

首先測量電路的自噪聲。連接好電路,不連接電極,短接前置放大器輸入端,把放大濾波電路放入磁屏蔽桶中,連接放大濾波電路的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器,設(shè)定A/D板采樣頻率為20 Hz,蓋上四層屏蔽蓋后接通電源開始測量。得到的測量結(jié)果為時(shí)域幅值,對(duì)其用Burg法求功率譜,并取10倍常用對(duì)數(shù),如圖3所示。

圖3 電極短路時(shí)電路的自噪聲時(shí)域值和頻譜Fig.3 The time domains and spectrum value of the circuit noise when short-circuit the electrodes

圖3(b)所示電路噪聲的頻譜中沒有顯現(xiàn)出濾波放大電路的帶通性質(zhì),是因?yàn)殡姌O短接后,原本作為電路輸入端的電極噪聲信號(hào)減小到近乎為零,經(jīng)過前置低噪聲放大器放大100倍后依然很小,其作為第一級(jí)的濾波放大電路的輸入信號(hào)時(shí),該級(jí)調(diào)理電路本身的自噪聲就覆蓋了輸入,因此其濾波性質(zhì)無法得到顯現(xiàn)。而第一級(jí)濾波放大電路的輸出作為第二級(jí)的輸入時(shí)同樣如此,所以最終在頻譜圖上無法看到濾波器的帶通性。

把待測電極浸入到小桶中配制好的溶液里,測量并記錄溶液當(dāng)前的電導(dǎo)率。將小桶連同濾波放大電路一起放入屏蔽桶中,蓋上四層屏蔽蓋。接通電源開始測量。然后改變?nèi)芤旱碾妼?dǎo)率,重復(fù)以上過程。結(jié)果如圖4—圖8所示。

圖4 σ=1.06 S/m時(shí)的電極噪聲時(shí)域值和頻譜Fig.4 The time domains and spectrum value of the electrodes noise whenσ=1.06 S/m

圖5 σ=2.11 S/m時(shí)的電極噪聲時(shí)域值和頻譜Fig.5 The time domains value and spectrum of the electrodes noise whenσ=2.11 S/m

圖6 σ=4.06 S/m時(shí)的電極噪聲時(shí)域值和頻譜Fig.6 The time domains and spectrum value of the electrodes noise whenσ=4.06 S/m

圖7 σ=4.57 S/m時(shí)的電極噪聲時(shí)域值和頻譜Fig.7 The time domains and spectrum value of the electrodes noise whenσ=4.57 S/m

圖8 σ=4.91 S/m時(shí)的電極噪聲時(shí)域值和頻譜Fig.8 The time domains value and spectrum of the electrodes noise whenσ=4.91 S/m

由圖4—圖8可發(fā)現(xiàn),隨著電導(dǎo)率從1.06 S/m增加到4.91 S/m的過程中,電極自噪聲經(jīng)濾波放大后的時(shí)域幅值從大于0.1 V逐漸降低到0.05 V～0.1 V之間,并最終維持在0.04 V左右;頻域值從大約-60 dB,逐漸降低到-70 dB和-80 dB,并最終在大約-90 dB時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。

對(duì)比圖3和圖4—圖8的時(shí)域圖可以發(fā)現(xiàn),所測得的噪聲為電極噪聲和電路噪聲的簡單疊加,電路噪聲低頻段在圖4—圖8中依然凸顯。

3 實(shí)驗(yàn)原理分析

電化學(xué)理論表明:電極和溶液接觸后,兩相介質(zhì)界面附近會(huì)出現(xiàn)極化現(xiàn)象,形成電化學(xué)過電位,其波動(dòng)稱為電化學(xué)噪聲,是影響信號(hào)測量的根源。

Ag/AgCl作為極差小且性能穩(wěn)定的基體材料被廣泛應(yīng)用于水下電場傳感器的材料。Ag/AgCl在海水中存在兩個(gè)相界面[3],即電極表面的Ag和Ag/AgCl分別作為陽極和陰極參與反應(yīng)過程并趨于平衡,電極反應(yīng)可表示為:

盡管AgCI是一種難容的鹽，反應(yīng)過程中仍存在著另一個(gè)平衡關(guān)系：

以陰極反應(yīng)為例:當(dāng)有微量電流通過電極界面時(shí),上述平衡出現(xiàn)向右的偏離,陰極表面附近中的Ag+沉積到陰極上,降低了Ag+在陰極附近的濃度。如果溶液中的Ag+來不及補(bǔ)充上去,則陰極附近液層中Ag+的濃度將低于它在溶液中的濃度。

電極電位的表達(dá)式為:

式中,φ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下銀電極與氫電極作參比的電極電位,R為理想氣體常數(shù),T為環(huán)境絕對(duì)溫度,F為法拉第常數(shù),aAg+為陰極附近液層中Ag+的濃度。由式(4)知,電極電位將偏離平衡值,上述過程的不斷出現(xiàn)引發(fā)電位波動(dòng)進(jìn)而引起電極電化學(xué)噪聲[4]。

由于電極反應(yīng)的速度是有限的,當(dāng)有電子提供給電極后,Ag+來不及立即被還原,無法及時(shí)消耗掉外界輸送來的電子,結(jié)果使電極表面上積累了多余平衡狀態(tài)的電子,電極表面上自由電子數(shù)量的增多,這相當(dāng)于電極電位向負(fù)方向移動(dòng),電荷在界面上積累得越來越多,則電極極化現(xiàn)象也越來越強(qiáng)烈,以至于有用信號(hào)被最終淹沒,引起電化學(xué)噪聲;如果電極反應(yīng)速度足夠大,致使去極化與極化作用趨于平衡,極化過電位很小,則不會(huì)引起較大的自噪聲。

由以上數(shù)據(jù)可知,在不改變其他條件而僅增大溶液電導(dǎo)率的過程中,全固態(tài)Ag/AgCl電極的自噪聲逐漸減小,并最終維持在一個(gè)由電極自身性質(zhì)和其他各環(huán)境參數(shù)決定的穩(wěn)定值上。該結(jié)論在測量不同電導(dǎo)率條件下水下電場時(shí),對(duì)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置和后期對(duì)測量數(shù)據(jù)的處理有著重要的參考價(jià)值。由于作者的研究方向主要在信號(hào)的探測、分析和處理方面,對(duì)電化學(xué)方面的知識(shí)了解不多。希望本論文的發(fā)表引起大家對(duì)該問題的重視,能夠從理論上更加充分地分析和解釋水中電導(dǎo)率對(duì)Ag/AgCl固態(tài)電極自噪聲的影響,起到拋磚引玉的作用。

[1]林春生,龔沈光.艦船物理場[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2007:233-246.

[2]喻浩.艦艇電場和低頻電磁場防護(hù)措施[J].艦船科學(xué)技術(shù),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.電極過程動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[4]張鑒清,張昭,王建明,等.電化學(xué)噪聲的分析與應(yīng)用-Ⅰ.電化學(xué)噪聲的分析原理[J].中國防腐與防護(hù)學(xué)報(bào),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.