銀－氯化銀傳感器的海洋電場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)性能

熊 露，龔沈光，賈亦卓

（海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北 武漢 430033）

0 引言

電場(chǎng)是除聲場(chǎng)、磁場(chǎng)和水壓場(chǎng)之外又一明顯船舶物理場(chǎng)特征。由于海水導(dǎo)電性，海洋中電場(chǎng)信號(hào)在海水中隨著傳播距離的增大變得極其微弱［1－2］。理論研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在1～2倍船長(zhǎng)附近，極低頻電場(chǎng)的幅值只有μV·m－1到mV·m－1的量級(jí)［3］。對(duì)于實(shí)現(xiàn)基于電場(chǎng)的水下目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)而言，研制低噪聲的船舶電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)是首先必須解決的問題，其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)之一就是低噪聲電場(chǎng)傳感器技術(shù)。因此，研究電場(chǎng)傳感器的性能對(duì)于水下目標(biāo)的探測(cè)具有極其重要的意義。

目前，國外在這方面處于領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)［3］在比較了各種電極性能之后，指出銀－氯化銀作為電場(chǎng)傳感器的優(yōu)勢(shì)，并重點(diǎn)推薦了Ultra utilises特別開發(fā)的銀－氯化銀電極。英國海軍設(shè)計(jì)并已經(jīng)裝備的電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)在采用了的銀－氯化銀電極和極低噪聲的配套測(cè)量系統(tǒng)后，使得測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到了nV/m量級(jí)的高測(cè)量精度。但是國內(nèi)外對(duì)于銀－氯化銀低噪聲電場(chǎng)傳感器性能的研究?jī)H在文獻(xiàn)中有零星提及，并未進(jìn)行系統(tǒng)研究和報(bào)道。

本文通過實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了以銀－氯化銀電極為核心的電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)的自噪聲和電極極差電位。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)由電導(dǎo)率儀、電磁屏蔽筒和測(cè)量系統(tǒng)組成。測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of measurement system

其中，電極對(duì)為銀－氯化銀電極；前置放大器采用了日本NF株式會(huì)社生產(chǎn)的SA－200F3超低噪聲前置放大器，它是以測(cè)量微弱信號(hào)為目標(biāo)而設(shè)計(jì)的低噪聲前置放大器，固定放大倍數(shù)為100，頻帶范圍為0～800kHz，差分/單極接地，1～10Hz頻段的輸入電壓噪聲小于10nV2·Hz－1；信號(hào)調(diào)理電路由濾波電路、二次放大電路等幾部分組成。前置放大后的信號(hào)通過帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波器由8階有源低通濾波器（截止頻率為10Hz）和2階有源高通濾波器（截止頻率為1Hz）組成，各級(jí)均采用巴特沃茲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)帶通濾波后的信號(hào)經(jīng)過二次放大電路，放大倍數(shù)可調(diào)。在放大器的差分輸入端增加了防射頻（RFI）濾波電路，以防止電極信號(hào)經(jīng)長(zhǎng)距離電纜（10～20m）傳輸后而導(dǎo)致的信號(hào)失真。A/D轉(zhuǎn)換采用凌華采集卡DAQ2010，它是一款功能強(qiáng)大的高分辨率多功能數(shù)據(jù)采集卡，可以提供8路單端模擬量輸入和4路差分模擬量輸入，高達(dá)2MHz同步采樣率，14位A/D分辨率。

1.2 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理控制軟件采用LABVIEW聯(lián)合編寫。通過對(duì)話框能很方便地設(shè)定采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)，控制A/D轉(zhuǎn)換的起止，并能將采集到的數(shù)據(jù)存貯到指定路徑的指定文件中。該程序還能實(shí)時(shí)顯示所采集數(shù)據(jù)的波形圖，并能通過Matlab引擎調(diào)用Matlab工具箱對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析，最后生成噪聲譜密度圖。

2 銀－氯化銀傳感器的性能

2.1 信號(hào)調(diào)理電路自噪聲測(cè)量

為了檢驗(yàn)測(cè)量電路的噪聲性能，將所研制的測(cè)量系統(tǒng)放置到磁屏蔽筒中，差分輸入端短路，并將其與測(cè)量系統(tǒng)的地線連接，系統(tǒng)采樣頻率為1 000Hz，得到的噪聲功率譜曲線圖如圖2所示。從圖2中可發(fā)現(xiàn)，測(cè)量系統(tǒng)在1～10Hz頻段內(nèi)的自噪聲小于10nV2·Hz－1。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路自噪聲功率譜Fig.2 Self－noise spectrum of signal conditioning circuit

2.2 電極對(duì)自噪聲測(cè)量

將電極對(duì)固定好放入配置海水中，配置海水的電導(dǎo)率為4S/m?？紤]用于海上實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)距離電纜（20m）可能對(duì)傳感器系統(tǒng)自噪聲產(chǎn)生影響，分別測(cè)試了電極對(duì)接短導(dǎo)線和接20m同軸電纜兩組情況下的系統(tǒng)自噪聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 沒有接入同軸電纜的系統(tǒng)自噪聲功率譜Fig.3 Self－noise spectrum of the system without coaxial cable

圖4 接入同軸電纜的系統(tǒng)自噪功率譜Fig.4 Self－noise spectrum of the system with coaxial cable

電極在海水中測(cè)量電場(chǎng)信號(hào)時(shí)，海水與電極之間會(huì)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為了減少海水流動(dòng)對(duì)電極的干擾以及防止電極受污染，實(shí)驗(yàn)中給電極安裝了一個(gè)多孔塑料套筒。為了檢驗(yàn)封裝是否給電極自噪聲帶來大的影響以及封裝的有效性，分別測(cè)試了電極在有封裝和無封裝兩種情況下的自噪聲情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 無封裝銀－氯化銀電極自噪聲功率譜Fig.5 Self－noise spectrum of Ag/AgCl without package

圖6 帶封裝銀－氯化銀電極自噪聲功率譜Fig.6 Self－noise spectrum of Ag/AgCl with package

由圖3、圖4可知，電極對(duì)接入長(zhǎng)導(dǎo)線后系統(tǒng)自噪聲幅值會(huì)變大，但是影響不是很大。在10Hz以下頻帶內(nèi)，電極的噪聲電壓均方根與系統(tǒng)噪聲同一級(jí)別，均能達(dá)到nV級(jí)。由圖5、圖6發(fā)現(xiàn)，封裝后的電極自噪聲相對(duì)于沒有封裝的電極而言，噪聲功率譜密度大小基本不受影響。

2.3 電極極差測(cè)量

考慮到用于海上實(shí)驗(yàn)的同軸電纜的加入可能對(duì)電極極差產(chǎn)生影響，分別測(cè)量了同一對(duì)銀－氯化銀電極接同軸電纜前后電極極差電位在24h之內(nèi)的變化情況，如圖7、圖8所示。

圖7 短導(dǎo)線極差電位Fig.7 The potential difference of short stainless wire

圖8 同軸電纜極差電位Fig.8 The potential difference of long coaxial cable

由圖中可以看出，電極電位在很短的時(shí)間內(nèi)即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后的極差電位維持在1mV左右，且24h電位差變化穩(wěn)定在0.01mV以內(nèi)。對(duì)比圖7和圖8，可以看出同軸電纜的加入對(duì)銀－氯化銀電極對(duì)極差電位并沒有造成影響。

3 結(jié)果分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

分析自噪聲圖形譜線趨勢(shì)認(rèn)為，在1～10Hz頻段內(nèi)，自噪聲隨著頻率f的增加而噪聲減小，電極對(duì)噪聲基本表現(xiàn)為f－1噪聲。而10Hz以后的系統(tǒng)自噪聲曲線逐漸趨于水平，主要表現(xiàn)為電極熱噪聲，而在50Hz及其倍頻處的系統(tǒng)噪聲水平比較高，其主要來源為系統(tǒng)的工頻干擾。系統(tǒng)自噪聲量級(jí)完全滿足實(shí)際海洋微弱極低頻電場(chǎng)探測(cè)的需要。

極差電位主要是由兩個(gè)不同電極反應(yīng)活性面面積不同引起的，反應(yīng)活性面積的較大差距導(dǎo)致了極差電位不能控制在指定的范圍內(nèi)。由電極工作原理，電極在海水中存在兩個(gè)相界面，即Ag｜AgCl｜Cl－，電極表面的Ag和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［6－7］：

由于AgCl是一種難溶的鹽，因此，還存在下列化學(xué)平衡：

當(dāng)電場(chǎng)信號(hào)引發(fā)的微量電流通過陰極界面時(shí)，上述平衡會(huì)出現(xiàn)偏離，氯離子濃度控制度的雙電層遭受破壞，雙電層會(huì)重新建立平衡，從而引發(fā)電極極差。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電極極差值是電極對(duì)間固有極差與環(huán)境電場(chǎng)引起極差的疊加。穩(wěn)定后的極差電位維持在1mV左右，24h電位差變化穩(wěn)定在0.01mV以內(nèi)，滿足微弱極低頻電場(chǎng)探測(cè)的需要。

本文研究銀－氯化銀電極的各項(xiàng)性能，最終目的是將其應(yīng)用于船舶極低頻電磁場(chǎng)的探測(cè)。因此，為了驗(yàn)證該電極可以用作船舶探測(cè)系統(tǒng)的電場(chǎng)傳感器，利用該傳感器組成的系統(tǒng)在水池內(nèi)對(duì)船模的軸頻電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量。

在長(zhǎng)、寬、深分別為8m，5m，1.5m的無磁性實(shí)驗(yàn)水池中，灌有由工業(yè)鹽調(diào)制的人造海水，水深0.5m。船模的長(zhǎng)、寬分別為100cm和15cm。船殼的材料為普通鋼板，為了增大流過船模軸系的電流，船殼外面鍍了一層厚度為2mm的鋅。螺旋槳由黃銅制成，轉(zhuǎn)速約為2.78r/s。實(shí)驗(yàn)中采用三軸測(cè)量系統(tǒng)，3個(gè)正交方向測(cè)量電極對(duì)（1－2、1－3和1－4）之間的距離為10cm，其中電極4距離水面高度為5cm，電極1、2、3和5距水面高度為40cm，電極對(duì)（1－5）之間的距離為100cm。為了減少外界環(huán)境電磁噪聲的干擾，利用同軸電纜連接銀－氯化銀電極和采集系統(tǒng)，系統(tǒng)采樣頻率為40Hz。將船模放置在由電機(jī)拖動(dòng)前進(jìn)的支架上，船模吃水水深為6cm，運(yùn)動(dòng)速度為4cm/s，測(cè)量電極支架放置在距船首前方2m處，電極架固定不動(dòng)，x、y和z方向分別為船模的縱向、橫向和垂直方向。船模通過鋁制金屬架固定在水池中，金屬架通過兩側(cè)導(dǎo)軌和伺服電機(jī)拖動(dòng)船模在水池中運(yùn)動(dòng)。水池中船模和測(cè)量電極布放俯視示意圖如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖9 水池中船模和測(cè)量電極布放俯視示意圖Fig.9 The sketch map of boat and cathode

圖10 正橫距為50cm時(shí)的軸頻電場(chǎng)信號(hào)Fig.10 The magnitude of shaft－rate with distance of 50cm

x、y和z方向的電場(chǎng)信號(hào)幅值分別為0.13mV/m、0.18mV/m和0.06mV/m?？梢钥吹剑姌O對(duì)成功感應(yīng)到微弱極低頻電場(chǎng)信號(hào)。

4 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了銀－氯化銀電極自噪聲、電極間極差電位及對(duì)微弱電場(chǎng)信號(hào)的響應(yīng)性能。測(cè)試結(jié)果表明：所采用的這對(duì)銀－氯化銀電極具有良好的短期穩(wěn)定性，電極電位漂移在1mV/24h左右，而且低頻電壓噪聲幅值極低，電壓噪聲密度低至與環(huán)境噪聲同一量級(jí)，電極極差不大于1mV。良好的性能保證了電極對(duì)成功的響應(yīng)微弱低頻信號(hào)。結(jié)果分析與驗(yàn)證試驗(yàn)表明：銀－氯化銀電極基本滿足船舶電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的傳感器的要求。

［1］Applied Physics Laboratory，University of Washington.Electrode and electric field sensor evaluation［R］.San Die go：SPAWAR Systems Center，2001.

［2］李松，李俊，龔沈光.電場(chǎng)傳感器類型的選擇［J］.水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2008，16（1）：72－76.LI Song，LI Jun，GONG Shenguang.The choice of sensor type for electric field measurement applications［J］.Mine Warfare and Ship Self－defence，2008，16（1）：72－76.

［3］Davidson S J，Rawlins P G.A multi influence range［C］//In：C Martin，Undersea Defence Technology.Amsterdam，1999：169－171.

［4］Certenais J，Perious J J.Electromagnetic measurements at sea［C］//In：Clarke T，Undersea Defence Technology.Hamburg，1997：433.

［5］張翼，曹全喜.海洋電極電化學(xué)噪聲原理及工藝探討［J］.電子科技，2009，22（4）：66－68.ZHANG Yi，CAO Quanxi.Theory and technology of electrochemical noise of the marine electrode［J］.Electronic Science and Technology，2009，22（4）：66－68.

［6］胡鵬，譚浩，龔沈光.Ag/AgCl電極自噪聲的測(cè)定［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23（2）：68－71.HU Peng，TAN Hao，GONG Shenguang.Measurement of Ag/AgCl electrode’s self－noise［J］.2011，23（2）：68－71.

［7］譚浩，胡鵬，龔沈光.不同電導(dǎo)率對(duì)全固態(tài)Ag/AgCl電極自噪聲影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2010，32（5）：65－68.TAN Hao，HU Peng，GONG Shenguang.Study on experimental of the noise of AgCl all－solid－state electrodes influenced by different conductivity［J］.Journal of Detection＆ Control，2010，32（5）：65－68.