王燁煊，宋玉蘇，申 振，陳聞博

(海軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部，湖北武漢 430033)

0 引言

海洋中電場信號豐富，并通過海水中正負(fù)離子的運(yùn)動進(jìn)行傳遞，信號頻率越低衰減越小，收集此類信號在資源探測、環(huán)境檢測等領(lǐng)域具有重要意義[1-3]。

穩(wěn)定的極差和較小的自噪聲是探測電極的主要性能指標(biāo)，海洋電場信號強(qiáng)度微弱，一般在μV級別，若極差不穩(wěn)定會導(dǎo)致響應(yīng)信號發(fā)生畸變[4,5]。國外已有使用碳纖維作為電極材料的商用電場探測電極，但具體制備工藝尚未公開[6-9]。國內(nèi)對于碳纖維電極的研究尚處于起步狀態(tài)，主要方法是對碳纖維進(jìn)行表面氧化處理，增加碳纖維表面的極性官能團(tuán)，達(dá)到穩(wěn)定電極極差的目的[10-14]。本文使用碳纖維制備了海洋電場電極并對其響應(yīng)性能和影響因素進(jìn)行了分析。

1 碳纖維電極原理

海洋電場是通過測量兩探測電極間的電位差來獲得，碳纖維作為海洋電場探測電極最大的問題在于極差穩(wěn)定時間長，海水中微弱的波動即會對電極極差產(chǎn)生影響。

碳纖維電極在海水中呈現(xiàn)惰性，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，主要靠絲束表面離子的吸脫附來達(dá)到極差穩(wěn)定。且絲束表面存在大量微孔，比表面積大，在海水中容易吸附離子產(chǎn)生極化，呈現(xiàn)電容性質(zhì)，故可以將碳纖維電極對與海水組成的系統(tǒng)看作電容器，其與信號放大電路的輸入阻抗組成RC電路，RC電路的放電公式為

(1)

式中:V為電容兩端電壓;V0為初始電壓;R為信號放大電路的輸入阻抗;C為電極與海水組成系統(tǒng)的電容。

電容兩端電壓會隨著時間的延長趨向于0，所需要的時間t和RC值成反比，RC值越小，電壓穩(wěn)定所需要的時間越短，電極穩(wěn)定性能越好。常用信號放大電路輸入阻抗較大，一般達(dá)到MΩ級別，在放大電路輸入端并聯(lián)小阻值電阻，可近似的將所并聯(lián)電阻看作放大電路的輸入阻抗，采用這種方法可以明顯減小RC值，從而降低電極穩(wěn)定時間。

2 碳纖維電極制備

分別取質(zhì)量為5 g、10 g、15 g和20 g的T700碳纖維各2束，長度為0.15 m。將碳纖維束用丙酮浸泡24 h，用去離子水沖冼后在80 ℃條件下烘干，用以去除碳纖維表面上漿劑。將干燥后的碳纖維束與導(dǎo)線連接并使用環(huán)氧樹脂密封，凝固后在電極外側(cè)加裝塑料套網(wǎng)用以防止水中漂浮物的干擾。

3 電化學(xué)性能測試

3.1 循環(huán)伏安

測量設(shè)備使用電化學(xué)工作站，測量介質(zhì)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液，采用三電極體系，參比電極選用Ag/AgCl電極，輔助電極為鉑電極，掃描速度為5 mV/s。

測量結(jié)果如圖1所示，測量曲線呈現(xiàn)較為規(guī)則的矩形，沒有出現(xiàn)明顯的電流峰，表明所制備的碳纖維電極在測量介質(zhì)中只有單純的離子吸脫附，表現(xiàn)出良好的雙電層電容，且圖形面積越大，電容性能越好。從圖1可以看出，隨著電極質(zhì)量增加，碳纖維電極的電容性能明顯增強(qiáng)。造成這種現(xiàn)象的原因是電極質(zhì)量增大，碳纖維絲束數(shù)量增加，介質(zhì)中離子可以吸附的面積增大，電極表面離子吸附量增多，故電極的電容性能增強(qiáng)。

圖1 T700碳纖維電極循環(huán)伏安曲線

3.2 交流阻抗

采用三電極系統(tǒng)，測量設(shè)備同上，測量信號幅值為5 mV，測量范圍為0.001 Hz～100 kHz。

圖2 T700碳纖維電極交流阻抗

交流阻抗測量結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，在1 Hz以上，不同質(zhì)量的電極在阻抗數(shù)值上幾乎沒有差別，隨著頻率降低，電極阻抗值迅速增大，5 g碳纖維電極在1 mHz處的阻抗值達(dá)到2 100Ω，而20 g碳纖維電極在1 mHz處的阻抗值則僅有300 Ω。碳纖維電極阻抗值大小隨頻率發(fā)生變化主要是因?yàn)槠湓跍y量介質(zhì)中呈現(xiàn)電容性，電容的容抗公式為

(2)

式中：Xc為容抗;f為頻率;C為電容。

由式(2)可知，頻率一定時，電容越大，容抗越小。

4 探測性能測試

4.1 極差穩(wěn)定時間

極差測量設(shè)備同上，采用兩電極體系，在電極對之間串聯(lián)阻值為1 kΩ的電阻用于減小放大電路的輸入阻抗，測量時間為24 h。

單純使用碳纖維電極在72 h內(nèi)無法達(dá)到極差穩(wěn)定狀態(tài)，且極易被外界波動所干擾。根據(jù)極差測量結(jié)果(圖3)可知，并聯(lián)電阻后碳纖維電極極差穩(wěn)定時間大幅降低，且穩(wěn)定后極差保持在0.5 mV以內(nèi)。隨著電極質(zhì)量的增加，極差穩(wěn)定時間增長，5 g、10 g、15 g和20 g的碳纖維電極分別在0.5 h、1.5 h、3.5 h和5.5 h處達(dá)到極差穩(wěn)定狀態(tài)。造成這種現(xiàn)象的原因是碳纖維電極質(zhì)量越大，電極表面積越大，電極電容性能越好，碳纖維絲束表面能夠吸附的離子數(shù)量越多，所以電極放電所需要的時間越長。

圖3 T700碳纖維電極極差穩(wěn)定時間

4.2 電極自噪聲

圖4 T700碳纖維電極自噪聲

4.3 電場響應(yīng)測試及分析

4.3.1 電場響應(yīng)

碳纖維電極探測電場的原理如圖5所示，其中R為放大電路輸入阻抗，Rct為電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻，Cd為電極雙電層電容，Rs為電極自身阻抗，φ1、φ2為兩探測電極處的電位，Uout為輸出電壓。

圖5 碳纖維電極探測原理等效電路

探測時通過測量兩電極電位φ1、φ2來間接獲得電場。設(shè)單個碳纖維電極與測量介質(zhì)組成的系統(tǒng)阻抗為Z，則探測電路中輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系如式(3)所示，式中，系統(tǒng)阻抗Z是頻率的函數(shù)，具體數(shù)值可以通過交流阻抗測得。

(3)

電場探測使用Keysight 35500B作為信號發(fā)生器，發(fā)射正弦信號模擬海洋電場，信號頻率為1 mHz，發(fā)射幅值為100 mV，發(fā)射電極為鍍鉑鈦，測量時使用長3 m，直徑0.3 m的圓形水槽，兩電極間距為0.25 m。使用Sa200F3低噪聲放大器和MPS140401數(shù)據(jù)采集卡組成信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測量介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液。測量時介質(zhì)中的實(shí)際電場會因發(fā)射電極極化和電場在介質(zhì)中發(fā)生衰減的原因，使得介質(zhì)中的實(shí)際電場遠(yuǎn)小于設(shè)備發(fā)射電場，故通過測量回路中電流的方式獲得介質(zhì)中的實(shí)際電場。

所制備的碳纖維電極對1 mHz的電場信號響應(yīng)如圖6所示。

(a)5 g T700碳纖維電極響應(yīng)圖

(b)10 g T700碳纖維電極響應(yīng)圖

(c)15 g T700碳纖維電極響應(yīng)圖

(d)20 g T700碳纖維電極響應(yīng)圖圖6 T700碳纖維電極1 mHz電場響應(yīng)

從圖6可以看出，除5 g的碳纖維電極外，其余電極均能完整響應(yīng)1 mHz的電場信號，且隨著電極質(zhì)量的增加，響應(yīng)型號波形更加平滑，毛刺減少。隨著電極質(zhì)量的增加，電極對與測量介質(zhì)組成的系統(tǒng)阻抗降低，電極對于電場的響應(yīng)增益提高，當(dāng)響應(yīng)電場信號強(qiáng)度遠(yuǎn)大于電極自噪聲時，響應(yīng)波形就變得平滑。質(zhì)量為5 g的碳纖維電極由于在低頻處阻抗值較高，對于電場的響應(yīng)增益較小，導(dǎo)致響應(yīng)波形難以分辨，無法響應(yīng)1 mHz的電場信號。

4.3.2 響應(yīng)增益及線性

將電極對1 mHz的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到表1，其中，理論增益是根據(jù)式(3)進(jìn)行計算得到，從結(jié)果可知，隨著電極質(zhì)量增加，電極的響應(yīng)增益增大，20 g 碳纖維電極響應(yīng)增益可以達(dá)到0.61，且實(shí)際測量增益與理論增益吻合較好。

表1 T700碳纖維電極1 mHz電場響應(yīng)增益

使用信號發(fā)生器發(fā)射頻率為1 mHz，幅值為50～300 mV的正弦波電場信號，用以測量所制備的電極對1 mHz電場的響應(yīng)線性，測量結(jié)果如圖7所示。

圖7 T700碳纖維電極電場響應(yīng)線性

圖中直線斜率表示電極的電場響應(yīng)增益，隨著電極質(zhì)量增加，電場響應(yīng)增益增大。且在電場強(qiáng)度發(fā)生變化時，電極的響應(yīng)增益幾乎沒有變化，表現(xiàn)出良好的線性。

5 結(jié)論

采用不同質(zhì)量的T700碳纖維制備海洋電場探測電極，通過減小信號放大電路輸入阻抗的方式，極大地縮短了碳纖維電極的極差穩(wěn)定時間。碳纖維電極在海水中呈現(xiàn)電容特性，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響碳纖維電極電場響應(yīng)性能的因素主要是電極的比表面積，比表面積越大，碳纖維表面能夠吸附的離子越多，電極的電容性能越好，其在低頻處電極對與海水組成的系統(tǒng)阻抗值越小，則電極的電場響應(yīng)增益越大，測量的響應(yīng)信號波形越完整、平滑。以20 g T700碳纖維制備的電場電極在1 mHz處的響應(yīng)增益能夠達(dá)到0.61，響應(yīng)信號波形完整，滿足海洋低頻微弱電場信號的探測要求。