宋玉蘇， 李紅霞， 申振， 王燁煊

(海軍工程大學(xué) 基礎(chǔ)部， 湖北 武漢 430033)

0 引言

海洋電場(chǎng)探測(cè)被廣泛用于海洋資源勘探、地理環(huán)境監(jiān)測(cè)等民用領(lǐng)域，同時(shí)作為水中兵器重要的物理場(chǎng)之一，也被用于對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、跟蹤、定位，或者作為水中兵器的引信[1-3]。海洋電場(chǎng)探測(cè)主要是采用2支電極構(gòu)成電極對(duì)作為電場(chǎng)信號(hào)傳感器，利用電極對(duì)的電位差(極差)隨介質(zhì)環(huán)境、時(shí)間的變化，配合適當(dāng)?shù)男盘?hào)放大器及采集系統(tǒng)，來(lái)表示介質(zhì)環(huán)境的電場(chǎng)特征[4]。由于海洋電場(chǎng)信號(hào)極其微弱，通常在微伏級(jí)或以下，同時(shí)如艦船等目標(biāo)其電場(chǎng)頻率極低，因此電場(chǎng)探測(cè)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)要求較高，其中低噪聲高性能的探測(cè)電極對(duì)和極低噪聲的信號(hào)放大器是關(guān)鍵性技術(shù)之一。

碳纖維電極與氯化銀電極屬于完全不同的電極類型。氯化銀為理想的不極化電極，在海水中通過(guò)快速高效的電化學(xué)反應(yīng)(Ag+Cl-=AgCl+e)，迅速消除環(huán)境帶來(lái)的電荷波動(dòng)，從而保持其電極電位的穩(wěn)定。而碳纖維電極為惰性電極，其本身在海水中不發(fā)生基于電子得失的電化學(xué)反應(yīng)，可以歸為極化電極。碳纖維電極電位的建立是基于電極表面與海水接觸后，海水中的微粒如帶電荷的離子、極性小分子(水等)在其表面吸附，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐步形成穩(wěn)定的吸附雙電層，從而形成電極電位[11]，因此碳纖維電極的電位受介質(zhì)狀態(tài)的影響大，對(duì)環(huán)境介質(zhì)變化響應(yīng)敏感，加之碳纖維比表面較大，吸附狀態(tài)復(fù)雜，隨機(jī)波動(dòng)頻繁。因此碳纖維電極特別適合在封閉可控的穩(wěn)定介質(zhì)中對(duì)某些能夠在其表面產(chǎn)生特別富集、吸附的微粒進(jìn)行檢測(cè)，其電極電位或者電流會(huì)隨著這些微粒的變化而產(chǎn)生顯著的變化，如溶液中蛋白質(zhì)分子的檢測(cè)、水中污染成分的跟蹤等醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域[12-13]。

電場(chǎng)探測(cè)需要2支極差小并且長(zhǎng)期穩(wěn)定的碳纖維電極對(duì)，并根據(jù)碳纖維電極電位建立構(gòu)成分析。絲狀的碳纖維束構(gòu)成的電極與常規(guī)固體電極相比，其比表面(電極有效面積)明顯高出近2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，2支電極要做到微觀表面狀態(tài)完全相同并同步變化，微觀世界的測(cè)不準(zhǔn)原理就限制了其準(zhǔn)確性；而且電極電位是建立在電極/電解質(zhì)界面的動(dòng)態(tài)函數(shù)，要控制2支電極接觸面電解質(zhì)的同步變化，更是難以想象的。這些都決定了要人為控制2支碳纖維電極極差的大小并且長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，短期內(nèi)是困難的，這是碳纖維電極電場(chǎng)探測(cè)的難題之一。王月明等[14]、申振等[15]以及田雨華等[16]嘗試過(guò)對(duì)電極表面進(jìn)行多種改性：如化學(xué)氧化、熱氧化等，通過(guò)增強(qiáng)碳纖維的極性，加強(qiáng)其表面的吸附、富集能力，來(lái)控制碳纖維電極對(duì)的極差穩(wěn)定性，縮短穩(wěn)定時(shí)間，雖然有一定的效果，但是這樣處理往往會(huì)降低碳纖維的強(qiáng)度，且工藝復(fù)雜。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文嘗試從電場(chǎng)探測(cè)整體系統(tǒng)出發(fā)，綜合考慮電場(chǎng)電極對(duì)與后續(xù)信號(hào)放大器和檢測(cè)系統(tǒng)的匹配性。通過(guò)改變?cè)瓉?lái)與氯化銀電極配套的前置放大器輸入電阻，相當(dāng)于給電容型碳纖維電極對(duì)提供一個(gè)放電電阻，能夠保證2支電極之間通過(guò)充放電，快速消除電極對(duì)之間電荷的不均勻性，以期改善碳纖維電極對(duì)的極差穩(wěn)定性和自噪聲水平，降低極差的穩(wěn)定時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了碳纖維電極對(duì)海洋電場(chǎng)信號(hào)的探測(cè)[17]。

本文主要基于對(duì)碳纖維電極探測(cè)水下電場(chǎng)的機(jī)理認(rèn)識(shí)，研究并聯(lián)電阻大小對(duì)碳纖維電極對(duì)探測(cè)性能方面的影響。

1 試驗(yàn)裝置

試樣制備：采用T300碳纖維制備碳纖維電極[18]。

試驗(yàn)裝置：自行設(shè)計(jì)建立的勻強(qiáng)電場(chǎng)信號(hào)模擬裝置如圖1所示，為了減少容器的邊界效應(yīng)，使用圓筒形PVC管建立勻強(qiáng)電場(chǎng)，其中發(fā)射電極為覆蓋完整的圓形鍍鉑鈦電極，信號(hào)發(fā)生器為美國(guó)安捷倫公司生產(chǎn)的Keysight 33550B信號(hào)發(fā)生器，R為回路中串聯(lián)的電阻，通過(guò)采集電阻R上的電壓計(jì)算流經(jīng)海水的電流，并通過(guò)(1)式計(jì)算出海水中的電場(chǎng)大小。

(1)

式中：J為電流密度；γ為溶液電導(dǎo)率；E為溶液中的電場(chǎng)強(qiáng)度；V為電極兩端的電壓差；d為電極對(duì)之間的距離。

圖1 勻強(qiáng)電場(chǎng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of uniform electric field simulator

2 探測(cè)機(jī)理

碳纖維電極在海水中呈現(xiàn)電容特性，電極對(duì)與海水組成的系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)宏觀的電容器，與放大器的輸入電阻組成一個(gè)電阻- 電容震蕩電路，電容和電阻的放電如(2)式所示。

(2)

式中：Vt為電容兩端電壓；Vi為初始電壓；t為時(shí)間；C為電極對(duì)與海水組成的電容。RC值越大電極極差越難穩(wěn)定，RC值越小電極極差穩(wěn)定越快，因此可以通過(guò)減小輸入電阻的方式提高電容兩端的電壓穩(wěn)定性和穩(wěn)定速度。

本文設(shè)想電極對(duì)對(duì)海洋電場(chǎng)的響應(yīng)等同于測(cè)量電極對(duì)之間海水介質(zhì)的電壓降(電阻或者阻抗)，雖然作為導(dǎo)電介質(zhì)其電阻較低，借鑒電極/電解質(zhì)的等效電路模型[19]，可以考慮將電容型碳纖維電極響應(yīng)電場(chǎng)模型等效為如圖2所示的大小電路。圖2中，R′i為放大器的輸入電阻，Rd為放電電阻，Ri為接入放電電阻后放大器的實(shí)際輸入電阻，Rs為電極的溶液電阻，Rc為電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻，Cd為電極的雙電層電容，W為Warburg阻抗，Ze表示電極本身阻抗和其與海水界面的阻抗，Ro為電容型碳纖維電極對(duì)之間的海水阻抗。

圖2 碳纖維海洋電場(chǎng)電極探測(cè)原理示意圖Fig.2 Detection principle of carbon fiber electrodes in ocean electric field

由于輸入電阻Ri和電極與海水之間的阻抗Ze遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電極對(duì)之間海水的阻抗Ro，因此Ri對(duì)海水中的電場(chǎng)影響十分微小，可忽略不計(jì)。根據(jù)分壓原理可知，響應(yīng)電場(chǎng)值E′與發(fā)射電場(chǎng)值E的關(guān)系如(3)式所示。

(3)

3 探測(cè)性能

選擇在電極對(duì)間并聯(lián)500 Ω、1 000 Ω和2 000 Ω的放電電阻，由于放大器的輸入電阻通常高達(dá)數(shù)百千歐姆以上，因此并聯(lián)電阻阻值可以認(rèn)為是放大器的輸入電阻阻值。研究不同并聯(lián)電阻下電極對(duì)的極差大小、極差穩(wěn)定時(shí)間、自噪聲和幅頻探測(cè)性能，從而比較電阻大小與上述性能的關(guān)系，一方面定量驗(yàn)證本文所提出的電場(chǎng)探測(cè)機(jī)理模型，另一方面也為后續(xù)研制電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

3.1 電極對(duì)極差測(cè)量

將電極置于勻強(qiáng)電場(chǎng)裝置中。使用中國(guó)華儀儀器公司生產(chǎn)的MS8050四位半臺(tái)式萬(wàn)用表對(duì)電極電位進(jìn)行24 h記錄。圖3是不同輸入電阻下的電極電位24 h電位變化。由圖3可以看出：隨著電阻由小到大，極差穩(wěn)定時(shí)間依次為25 min、35 min和120 min，輸入電阻越低，電極對(duì)的極差穩(wěn)定時(shí)間越短；穩(wěn)定極差均不大于0.1 mV.

圖3 電極對(duì)放入海水中后的極差變化Fig.3 Change in potential difference between electrodes in seawater

3組電極對(duì)24 h極差變化分別為9 μV、13 μV和10 μV. 結(jié)果表明：接入電阻一方面可以控制極差的大小，另一方面可以縮短極差的穩(wěn)定時(shí)間；而且接入電阻越小越有利。這與電阻的放電能力有關(guān)，在受到外界干擾后，較小的輸入電阻可以更快地放電從而保持電極對(duì)的極差穩(wěn)定。

3.2 自噪聲測(cè)量

將電極接入圖1中的裝置，使用日本NF公司生產(chǎn)的SA-200F3前置放大器(放大倍數(shù)40 dB)和一個(gè)南京鴻賓公司生產(chǎn)的DC-10 Hz的低通濾波器(放大倍數(shù)20 dB)，組成總計(jì)放大1 000倍(放大倍數(shù)60 dB)的放大電路進(jìn)行檢測(cè)。將干燥的電極對(duì)放入水中0.5 h、2 h、6 h、24 h和48 h后分別測(cè)量電極對(duì)的噪聲。

圖4 不同輸入電阻下電極對(duì)的噪聲變化Fig.4 Noise variations of electrodes under different input resistances

3.3 幅頻測(cè)量

波形響應(yīng)測(cè)量結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在并聯(lián)2 000 Ω、1 000 Ω和500 Ω情況下，電極均可準(zhǔn)確還原在0.001 Hz電場(chǎng)的波形而無(wú)明顯的失真。

圖5 碳纖維電極對(duì)1 mHz海洋電場(chǎng)信號(hào)的波形響應(yīng)Fig.5 Waveform response of carbon fiber electrodes to 1 mHz ocean electric field signal

在不同輸入電阻下的電容型碳纖維電極的響應(yīng)增益測(cè)量結(jié)果如表1所示。將表1中數(shù)據(jù)以頻率為橫坐標(biāo)，響應(yīng)電場(chǎng)/發(fā)射電場(chǎng)的比值為縱坐標(biāo)在圖6中體

表1 碳纖維電極的響應(yīng)增益

現(xiàn)。結(jié)果表明，隨著輸入電阻的增加，電極在低頻的增益逐漸增加，在超過(guò)1 Hz后電極的響應(yīng)增益基本平坦。按照放大器設(shè)計(jì)的常規(guī)，將比值為0.77處的頻率定為轉(zhuǎn)折頻率，則可以得到在輸入電阻為2 000 Ω情況下，電極的轉(zhuǎn)折頻率在0.001 Hz以下，而在輸入電阻為1 000 Ω和500 Ω情況下，電極的轉(zhuǎn)折頻率在0.001～0.01 Hz之間。

圖6 電容型碳纖維電極的響應(yīng)增益Fig.6 Response gains of capacitive carbon fiber electrodes

根據(jù)(2)式可計(jì)算出增益數(shù)值，將測(cè)量的電極響應(yīng)增益數(shù)值和計(jì)算增益數(shù)值進(jìn)行對(duì)比如圖7所示。由圖7可知，測(cè)量的碳纖維電極海洋電場(chǎng)響應(yīng)增益與計(jì)算值吻合較好，這說(shuō)明通過(guò)在放大器上并聯(lián)電阻，是可以實(shí)現(xiàn)碳纖維電極對(duì)對(duì)水中電場(chǎng)的探測(cè)。

圖7 電極的實(shí)際響應(yīng)增益與計(jì)算增益Fig.7 Actual and calculated response gains of carbon fiber electrodes

綜合上述探測(cè)性能的研究，均說(shuō)明采用在前置放大器輸入端并聯(lián)適當(dāng)電阻，可以實(shí)現(xiàn)碳纖維電極對(duì)水中電場(chǎng)的探測(cè)，同時(shí)也驗(yàn)證了本文提出的碳纖維電極對(duì)對(duì)海洋電場(chǎng)的響應(yīng)等同于測(cè)量電極間海水的電壓降這一機(jī)理。

4 結(jié)論

1)電容特性的碳纖維電極對(duì)可以通過(guò)在前置放大器輸入端并聯(lián)電阻，以達(dá)到控制電極對(duì)極差和顯著縮短穩(wěn)定時(shí)間的作用，從而實(shí)現(xiàn)其對(duì)海洋電場(chǎng)的探測(cè)。測(cè)量頻帶由并聯(lián)電阻及電極與海水界面阻抗決定。

3)相關(guān)研究結(jié)果表明，所提出的碳纖維電極對(duì)測(cè)量海洋電場(chǎng)的模型是可行的。