基于PXIe總線技術的電化學噪聲測試系統設計

李焰，程洋，姚萬鵬，蔣 濤

（中國石油大學（華東）材料科學與工程學院，山東青島 266580）

0 引言

電化學噪聲（Electrochemical Noise，EN）是指電化學動力系統在演變過程中，相應電學狀態參量發生隨機非平衡波動的現象。這種非平衡波動的現象可以提供系統的演化信息，包括從量變到質變的信息，且信息來源于腐蝕體系自身而無需外界干擾，漸漸成為檢測金屬腐蝕最有發展前景的方法之一［1-3］。此外，EN 測試方法可得到系統自然腐蝕過程的電流與電位信息，切實反映腐蝕狀況隨時間的變化，可更好地適用于實時腐蝕檢測。與其他檢測技術相比，有著更方便操作、測試靈敏且使用儀器的要求低等優點。因此，在腐蝕與防護等領域，EN技術的應用越來越廣［4-6］。

為了提高學生應用腐蝕理論知識進行實驗的技能和對腐蝕工程問題進行綜合分析的能力［7-8］，需要將實際工程問題與課程教學內容相結合，將腐蝕與防護相關行業和產業中應用較多的電化學噪聲技術引入到實驗教學當中，提高學生的專業知識水平，培養創新能力及工程素質。本文開發了基于PXIe 總線的模塊化電化學噪聲測試系統，利用兩款高精度的數字萬用表同時采集電流噪聲和電位噪聲，利用PXIe總線的高通量的優勢進行噪聲數據的實時傳輸和分析，提高了電化學噪聲測試的時效性和便捷性。經實驗驗證，該系統能準確捕捉到點蝕信號的萌生和發展，操作方便，界面簡潔，可作為實驗教學、課程設計和畢業設計的實踐教學和科研設備。

1 測試系統工作原理

1.1 電化學噪聲測試原理

EN測量的電極系統一般采用三電極系統，按電極材料可分為：①由3 個同種材料的電極組成（3 個電極分別作為工作電極、對電極、參比電極）；②由兩個同種材料的工作電極（WE）和參比電極（RE）組成；③由工作電極（WE）、對電極（CE）和參比電極（RE）組成。按照測試模式，EN 測量可分為零阻電流（ZRA）模式和恒電位模式：ZRA 模式基本原理是利用運算放大器構成零阻電流計，可同時測得電位噪聲和電流噪聲；恒電位模式可使工作電極和參比電極之間的電位恒定，因此只能測得腐蝕電位下的電流噪聲［9-11］。本文所用EN測試的電極系統如圖1 所示。

圖1 EN測試的電極系統示意圖

1.2 PXIe總線技術特點

總線是各種信號線的集合，是計算機部件之間數據、地址、控制信息傳輸的公共通道［12］。PXI（PCI Extensions for Instrumentation）總線于1997 年發布，是一種新的模塊化儀器自動測試平臺。這種新型的自動測試平臺很好地綜合了臺式PC 的優勢和PCI 總線的優點，既面向儀器市場又保證了高的性價比，漸漸發展成為一種主導的虛擬儀器測試平臺。PXI Express 總線則是與高帶寬融合的新型技術，在PXI 的基礎上更進一步，為測試測量行業開發了更多更新的應用發展空間。PXI總線的優異特點被PXIe 總線規范所保存，在此基礎上還增加了觸發總線、10 MHz 專用系統時鐘、槽間局部總線、星型觸發等，使得高精度、高采樣率、高傳輸速度的測試平臺可通過PXIe 技術輕松搭建［13］。

基于以上優點，利用PXIe 總線技術高通量、模塊化、擴展性好、穩定性強的特點，根據電化學噪聲測試原理設計測試系統，保證電流噪聲和電位噪聲的同步性和實時性，提高系統的安全性和測試速度。

2 電化學噪聲測試系統開發

2.1 硬件系統

測試系統的硬件部分遵循通用化、標準化、模塊化的設計原則，采用PXIe數字萬用表板卡搭建信號采集模塊，利用信號傳輸模塊實現PXIe 機箱與PC 系統之間的數據傳輸，從而對采集的噪聲信號進行分析、顯示及存儲。

（1）噪聲采集模塊。對于電化學噪聲測試而言，電位噪聲一般在mV級，較多數的電壓采集設備均可滿足需求；而電流噪聲在nA～μA級別，需要的采集精度更好，需要選擇高精度的測量模塊進行電流采集［14］。

本系統采用NI 公司的數字萬用表PXIe-4081 板卡采集電流噪聲信號，采用PXIe-4080 板卡采集電位噪聲信號。PXIe-4081 板卡最高精度可達7 位半，是目前最精準的數字萬用表，可提供高分辨率數字萬用表和數字化儀兩種常用的測量功能。作為數字萬用表使用時，PXIe-4081 可以測得準確的交直流電流，最小量程為1 μA，分辨率可達0.1PA。而PXIe-4080 是一款最高精度6 位半的數字萬用表，最小電壓測試量程為100 mV，分辨率可達0.1 μV。兩款數字萬用表最高采樣率均可達20KS／s的電流或電壓讀數速度，且可通過軟件編程對測量精度、量程、讀數速度進行自主設定。

（2）PXIe機箱。PXIe板卡是依照PXIe總線標準開發的模塊化設備，而PXIe 總線則需要PXIe 機箱作為載體。PXIe機箱包含內部的PXIe 背板作為板卡的插槽及數據傳輸通道，并含有機箱電源對背板進行供電。本系統采用NI公司的PXIe-1073 機箱，該機箱可提供5 個插槽，包括3 個混合插槽和2 個獨立插槽，系統帶寬可達250 MB／s。機箱內部具有集成MXIExpress控制器，前面板上帶有瞬時電源開關，方便操作，并可根據進氣溫度自動調節風扇轉速，以最大限度地減少噪聲。

（3）機箱控制模塊。在PXIe測試平臺上，需安裝基于PXIe總線的控制器模塊，實現對PXIe 背板及其他板卡的控制；或者利用信號傳輸模塊，將PXIe 機箱與PC機箱連接，讓用戶可以使用臺式電腦、服務器或工作站控制PXIe 系統。本系統采用NI 公司的PCI-8361 模塊作為PXIe系統與PC系統之間的通信工具，使得普通臺式電腦可以作為上位機對PXIe 系統進行控制和使用。

PCI-8361 模塊使用NI-MXI-Express 接口，通過PCIe插槽實現PC端對PXIe系統的控制，使用透明軟件鏈接不需要編程。MXI-Express 是一種對軟件應用程序和驅動程序透明的高寬帶串行鏈路，它為計算機和工作站提供了控制PXIe系統的能力。

2.2 系統軟件

測試系統的軟件采用LabVIEW 編程環境進行開發。LabVIEW是美國NI公司開發的一種圖形化編輯語言，與C和BASIC類似，是一種通用的編程系統，有一個完成任何編程任務的龐大函數庫，包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等［15］。LabVIEW 采用圖標代替文本行創建應用程序，通過數據流編程方式決定VI 及函數的執行順序，可實現與NI PXIe模塊化設備的完美兼容。

測試系統的軟件由作者自主開發完成。軟件程序根據電化學噪聲信號“采集→處理→解析→顯示→存儲”的順序進行數據流編寫，利用PXIe 系統的數字萬用表采集電流噪聲和電位噪聲信號，并將數據通信給上位機，通過上位機實現數據解析、終端顯示和數據存儲功能。

軟件程序分為原始數據采集，直流漂移去除，噪聲信號分析及儲存三部分，程序總流程如圖2 所示。

圖2 電化學噪聲測試系統流程

測試系統的軟件界面分為3 個子程序，分別實現噪聲信號采集、直流漂移去除及信號時頻分析等功能，各子程序界面如圖3～5 所示。

圖3 噪聲信號采集子程序界面

3 系統驗證

通過對X80 管線鋼在NaCl溶液中的點蝕行為進行電化學噪聲測試，驗證測試系統的可靠性。

圖4 直流漂移去除子程序界面

圖5 時、頻分析子程序界面

3.1 實驗材料

采用X80 管線鋼作為實驗材料，樣品規格選用50 mm×5 mm×3 mm。X80 鋼選取國產管線鋼，X80鋼主要成分（質量百分數，%）：C 0.066，Si 0.19，Mn 1.66，Nb 0.06，Ti 0.014，Mo 0.127，Al 0.047，V ＜0.01，P 0.058，S ＜0.005。

3.2 實驗方法

本實驗采用三電極體系進行電化學噪聲測量，將同種材料和尺寸的工作電極、對電極及參比電極打磨焊接后封裝進環氧樹脂中，并用砂紙將工作表面打磨至2 000＃。單個電極的工作面積為1.5 cm2。

電化學測試之前先將實驗電極浸泡在350 mL 的0.5 mol／L NaHCO3溶液中鈍化2 h，向NaHCO3溶液中加入500 ml 的0.2 mol／L NaCl 溶液后開始測量。采樣頻率選擇為2 Hz，連續監測24 h。為避免外界信號干擾，采用法拉第屏蔽箱對電極系統進行屏蔽［16-18］。

3.3 實驗結果分析

（1）電化學噪聲時域分析。X80 鋼試樣浸泡2 h后的電流、電位噪聲峰變化不明顯，總體趨向穩定，如圖6（a）所示。這是由于鈍化膜的存在，點蝕還沒有到達穩態，未發現明顯的腐蝕坑點。

圖6 X80鋼在0.2 mol／L NaCl+0.5 mol／LNaHCO3 溶液中浸泡不同時間的噪聲曲線

試樣浸泡9 h后，出現了較為明顯的噪聲峰且其數量也有所增加，如圖6（b）所示。這是因為基體表面形成的鈍化膜被破壞的次數更為頻繁，所以亞穩態點蝕噪聲峰的數量也隨之增多，點蝕程度加劇。

試樣浸泡18 h后，點蝕噪聲峰值明顯增大，電位噪聲緩慢恢復，表明鈍化膜來不及修復就被破壞，點蝕發展趨于穩態，如圖6（c）所示。但電流噪聲峰與電位噪聲峰的發生并不同步，具體機理需要進一步的探索。此時觀察電極表面可見明顯的蝕點。

（2）頻域分析。本實驗采用功率譜密度對電化學噪聲進行頻域分析，縱坐標分別為功率譜密度PSD-V、PSD-I，橫坐標為頻率f，取對數坐標，各時間段功率密度譜如圖7 所示。可以看出在不同時間段的低頻白噪聲均處于（-1.3～-1.4）×102區間，其中在浸泡3 h后白噪聲數值達到最大為-1.3 ×102，在高頻段曲線呈反復震蕩遞減。電流白噪聲的大小可以反映材料的耐蝕性，數值越大說明其耐蝕性越差，在整個實驗過程中白噪聲數值到達最大值后又逐漸下降，浸泡3 h 后由于X80 鋼表面鈍化膜的產生，耐蝕性能最好，隨著電極鈍化膜的破裂，材料耐點蝕能力降低，出現明顯點蝕現象。

圖7 電化學噪聲數據頻域分析

（3）腐蝕形貌分析。經24 h腐蝕過后，根據GB／T 16545—2015 對試樣表面的腐蝕產物進行清除，去除腐蝕產物前后的腐蝕試樣如圖8 所示。

圖8 腐蝕形貌

通過蔡司顯微鏡觀察電極表面微觀腐蝕形貌，部分微觀腐蝕形貌見圖9。

圖9 電板微觀腐蝕形貌

微觀腐蝕形貌結果驗證了文中反映的電化學噪聲信號確實為點蝕信號，表明該電化學噪聲測試系統具有追蹤點蝕萌生發展的能力。

4 結語

本文研制的高精度、高通量的電化學噪聲測試系統將電化學噪聲技術與PXIe總線技術相結合，具有擴展性好、操作合理、人際交互性能等優點，提高了電化學噪聲測試設備的便捷性、穩定性和擴展性。將該測試系統應用于金屬腐蝕學課程的實驗教學，有助于加深學生對已掌握的專業知識的理解以及對知識的融會貫通，激發學生研究興趣，擴大和豐富學生們的學術視野和科研思維，提高學生的自主創新和實踐能力，培養學生的科研素養。

實踐告訴我們，偉大事業都成于實干。新時代是奮斗者的時代。新時代是在奮斗中成就偉業，造就人才的時代。我們要激勵更多科學大家、領軍人才、青年才俊和創新團隊勇立潮頭、銳意進取，以實干創造新業績，在推進偉大事業中實現人生價值，不斷為實現中華民族偉大復興的中國夢奠定更為堅實的基礎、作出新的更大的貢獻。

摘自《習近平在會見探月工程任務參研參試人員代表時講話》