不同電導率對全固態Ag/AgCl電極自噪聲影響的實驗研究

譚 浩,胡 鵬,龔沈光

(海軍工程大學兵器工程系,湖北武漢 430033)

0 引言

無論艦船是靜止還是運動,其周圍水下都存在有電場[1]。從20世紀 50年代起,美國、英國、加拿大、澳大利亞和前蘇聯等國家就開始了對艦船水下電場的研究,他們在對電場的測量和消除方法上都取得了重要成果并應用于實際裝備中[2]。因此,我國對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據必須通過水下電場傳感器測量獲得。由于水下環境對電場信號存在衰減作用,到達傳感器的電場信號非常微弱,電極的自噪聲將直接影響到水下電場數據測量的效果,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。所以,研究電極本身的各項性能對于水下目標的監測,艦船電場隱身技術的發展等具有極其重要的意義。

不同水域通常具有不同的電導率特性,同一對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信號處理技術,以減小電極自噪聲對有用信號的影響,但關于電極自噪聲與水中電導率間的聯系,尚未能查閱到相關研究資料。為此,本文設計實現了一套電極自噪聲測量系統,并在其他各參數不變的情況下,僅改變水中電導率,以測量電導率的變化對全固態Ag/AgCl電極自噪聲的影響。

1 實驗方法和設計

實驗的硬件設施包括半徑1.2 cm、高8.6 cm的圓柱體形全固態Ag/AgCl電極一對,鈹鏌合金四層同心圓柱結構屏蔽桶一個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,逐漸倒入工業鹽,調制出不同電導率的溶液。

測量系統示意圖如圖1所示,其中主要部分為信號的放大濾波電路和數據的A/D轉換與采集。

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

信號調理電路分為前置放大和濾波放大兩個部分。前置放大采用低噪聲直流供電放大器SA-200F3,放大倍數為100,1 kHz時噪聲電壓密度為0.5 nV/ Hz,頻帶寬度為0～800 kHz;濾波電路由一個二階高通和一個八階低通兩級有源濾波器串聯組成,第一級放大100倍,第二級放大20倍,其帶通寬度為1～5 Hz。整個電路的放大倍數約為200 000倍。其頻譜特性如圖2所示。A/D轉換器選用PCI1716,其具有250 kHz采樣率、自動校準功能、PCI總線數據傳輸和16路模擬量輸入、16位高分辨率多功能數據采集卡。計算機用于控制A/D轉換以及數據的采集和處理。

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

2 實驗過程及測量結果

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轉換器,設定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。得到的測量結果為時域幅值,對其用Burg法求功率譜,并取10倍常用對數,如圖3所示。

圖3 電極短路時電路的自噪聲時域值和頻譜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出濾波放大電路的帶通性質,是因為電極短接后,原本作為電路輸入端的電極噪聲信號減小到近乎為零,經過前置低噪聲放大器放大100倍后依然很小,其作為第一級的濾波放大電路的輸入信號時,該級調理電路本身的自噪聲就覆蓋了輸入,因此其濾波性質無法得到顯現。而第一級濾波放大電路的輸出作為第二級的輸入時同樣如此,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,測量并記錄溶液當前的電導率。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。然后改變溶液的電導率,重復以上過程。結果如圖4—圖8所示。

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

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

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

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

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

由圖4—圖8可發現,隨著電導率從1.06 S/m增加到4.91 S/m的過程中,電極自噪聲經濾波放大后的時域幅值從大于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時達到穩定。

對比圖3和圖4—圖8的時域圖可以發現,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 實驗原理分析

電化學理論表明:電極和溶液接觸后,兩相介質界面附近會出現極化現象,形成電化學過電位,其波動稱為電化學噪聲,是影響信號測量的根源。

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

盡管AgCI是一種難容的鹽，反應過程中仍存在著另一個平衡關系：

以陰極反應為例:當有微量電流通過電極界面時,上述平衡出現向右的偏離,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。

電極電位的表達式為:

式中,φ0為標準狀態下銀電極與氫電極作參比的電極電位,R為理想氣體常數,T為環境絕對溫度,F為法拉第常數,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引發電位波動進而引起電極電化學噪聲[4]。

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

由以上數據可知,在不改變其他條件而僅增大溶液電導率的過程中,全固態Ag/AgCl電極的自噪聲逐漸減小,并最終維持在一個由電極自身性質和其他各環境參數決定的穩定值上。該結論在測量不同電導率條件下水下電場時,對測量系統設計、參數設置和后期對測量數據的處理有著重要的參考價值。由于作者的研究方向主要在信號的探測、分析和處理方面,對電化學方面的知識了解不多。希望本論文的發表引起大家對該問題的重視,能夠從理論上更加充分地分析和解釋水中電導率對Ag/AgCl固態電極自噪聲的影響,起到拋磚引玉的作用。

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

[2]喻浩.艦艇電場和低頻電磁場防護措施[J].艦船科學技術,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.電極過程動力學導論[M].北京:科學出版社,2002.

[4]張鑒清,張昭,王建明,等.電化學噪聲的分析與應用-Ⅰ.電化學噪聲的分析原理[J].中國防腐與防護學報,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.