銀－氯化銀傳感器的海洋電場信號檢測性能

熊 露，龔沈光，賈亦卓

（海軍工程大學兵器工程系，湖北 武漢 430033）

0 引言

電場是除聲場、磁場和水壓場之外又一明顯船舶物理場特征。由于海水導電性，海洋中電場信號在海水中隨著傳播距離的增大變得極其微弱［1－2］。理論研究和實驗數據發現，在1～2倍船長附近，極低頻電場的幅值只有μV·m－1到mV·m－1的量級［3］。對于實現基于電場的水下目標探測系統而言，研制低噪聲的船舶電場測量系統是首先必須解決的問題，其中涉及的關鍵技術之一就是低噪聲電場傳感器技術。因此，研究電場傳感器的性能對于水下目標的探測具有極其重要的意義。

目前，國外在這方面處于領先優勢。文獻［3］在比較了各種電極性能之后，指出銀－氯化銀作為電場傳感器的優勢，并重點推薦了Ultra utilises特別開發的銀－氯化銀電極。英國海軍設計并已經裝備的電場測量系統在采用了的銀－氯化銀電極和極低噪聲的配套測量系統后，使得測量系統達到了nV/m量級的高測量精度。但是國內外對于銀－氯化銀低噪聲電場傳感器性能的研究僅在文獻中有零星提及，并未進行系統研究和報道。

本文通過實驗，測量了以銀－氯化銀電極為核心的電場傳感器系統的自噪聲和電極極差電位。

1 實驗系統

1.1 實驗硬件系統

實驗硬件系統由電導率儀、電磁屏蔽筒和測量系統組成。測量系統結構框圖如圖1所示。

圖1 測量系統結構框圖Fig.1 Block diagram of measurement system

其中，電極對為銀－氯化銀電極；前置放大器采用了日本NF株式會社生產的SA－200F3超低噪聲前置放大器，它是以測量微弱信號為目標而設計的低噪聲前置放大器，固定放大倍數為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；信號調理電路由濾波電路、二次放大電路等幾部分組成。前置放大后的信號通過帶通濾波器進行濾波，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，各級均采用巴特沃茲結構設計。經帶通濾波后的信號經過二次放大電路，放大倍數可調。在放大器的差分輸入端增加了防射頻（RFI）濾波電路，以防止電極信號經長距離電纜（10～20m）傳輸后而導致的信號失真。A/D轉換采用凌華采集卡DAQ2010，它是一款功能強大的高分辨率多功能數據采集卡，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2MHz同步采樣率，14位A/D分辨率。

1.2 數據采集與控制系統

數據采集與處理控制軟件采用LABVIEW聯合編寫。通過對話框能很方便地設定采樣頻率和采樣點數，控制A/D轉換的起止，并能將采集到的數據存貯到指定路徑的指定文件中。該程序還能實時顯示所采集數據的波形圖，并能通過Matlab引擎調用Matlab工具箱對采集到的數據進行功率譜分析，最后生成噪聲譜密度圖。

2 銀－氯化銀傳感器的性能

2.1 信號調理電路自噪聲測量

為了檢驗測量電路的噪聲性能，將所研制的測量系統放置到磁屏蔽筒中，差分輸入端短路，并將其與測量系統的地線連接，系統采樣頻率為1 000Hz，得到的噪聲功率譜曲線圖如圖2所示。從圖2中可發現，測量系統在1～10Hz頻段內的自噪聲小于10nV2·Hz－1。

圖2 信號調理電路自噪聲功率譜Fig.2 Self－noise spectrum of signal conditioning circuit

2.2 電極對自噪聲測量

將電極對固定好放入配置海水中，配置海水的電導率為4S/m?？紤]用于海上實驗的長距離電纜（20m）可能對傳感器系統自噪聲產生影響，分別測試了電極對接短導線和接20m同軸電纜兩組情況下的系統自噪聲。實驗結果如圖3、圖4所示。

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

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

電極在海水中測量電場信號時，海水與電極之間會存在相對運動。為了減少海水流動對電極的干擾以及防止電極受污染，實驗中給電極安裝了一個多孔塑料套筒。為了檢驗封裝是否給電極自噪聲帶來大的影響以及封裝的有效性，分別測試了電極在有封裝和無封裝兩種情況下的自噪聲情況，實驗結果如圖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，電極對接入長導線后系統自噪聲幅值會變大，但是影響不是很大。在10Hz以下頻帶內，電極的噪聲電壓均方根與系統噪聲同一級別，均能達到nV級。由圖5、圖6發現，封裝后的電極自噪聲相對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 電極極差測量

考慮到用于海上實驗的同軸電纜的加入可能對電極極差產生影響，分別測量了同一對銀－氯化銀電極接同軸電纜前后電極極差電位在24h之內的變化情況，如圖7、圖8所示。

圖7 短導線極差電位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間內即達到穩定狀態，穩定后的極差電位維持在1mV左右，且24h電位差變化穩定在0.01mV以內。對比圖7和圖8，可以看出同軸電纜的加入對銀－氯化銀電極對極差電位并沒有造成影響。

3 結果分析與試驗驗證

分析自噪聲圖形譜線趨勢認為，在1～10Hz頻段內，自噪聲隨著頻率f的增加而噪聲減小，電極對噪聲基本表現為f－1噪聲。而10Hz以后的系統自噪聲曲線逐漸趨于水平，主要表現為電極熱噪聲，而在50Hz及其倍頻處的系統噪聲水平比較高，其主要來源為系統的工頻干擾。系統自噪聲量級完全滿足實際海洋微弱極低頻電場探測的需要。

極差電位主要是由兩個不同電極反應活性面面積不同引起的，反應活性面積的較大差距導致了極差電位不能控制在指定的范圍內。由電極工作原理，電極在海水中存在兩個相界面，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過程并趨于平衡，電極反應可表示為［6－7］：

由于AgCl是一種難溶的鹽，因此，還存在下列化學平衡：

當電場信號引發的微量電流通過陰極界面時，上述平衡會出現偏離，氯離子濃度控制度的雙電層遭受破壞，雙電層會重新建立平衡，從而引發電極極差。實驗測量的電極極差值是電極對間固有極差與環境電場引起極差的疊加。穩定后的極差電位維持在1mV左右，24h電位差變化穩定在0.01mV以內，滿足微弱極低頻電場探測的需要。

本文研究銀－氯化銀電極的各項性能，最終目的是將其應用于船舶極低頻電磁場的探測。因此，為了驗證該電極可以用作船舶探測系統的電場傳感器，利用該傳感器組成的系統在水池內對船模的軸頻電場信號進行了測量。

在長、寬、深分別為8m，5m，1.5m的無磁性實驗水池中，灌有由工業鹽調制的人造海水，水深0.5m。船模的長、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，轉速約為2.78r/s。實驗中采用三軸測量系統，3個正交方向測量電極對（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（1－5）之間的距離為100cm。為了減少外界環境電磁噪聲的干擾，利用同軸電纜連接銀－氯化銀電極和采集系統，系統采樣頻率為40Hz。將船模放置在由電機拖動前進的支架上，船模吃水水深為6cm，運動速度為4cm/s，測量電極支架放置在距船首前方2m處，電極架固定不動，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，金屬架通過兩側導軌和伺服電機拖動船模在水池中運動。水池中船模和測量電極布放俯視示意圖如圖9所示。試驗結果如圖10所示。

圖9 水池中船模和測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時的軸頻電場信號Fig.10 The magnitude of shaft－rate with distance of 50cm

x、y和z方向的電場信號幅值分別為0.13mV/m、0.18mV/m和0.06mV/m?？梢钥吹?，電極對成功感應到微弱極低頻電場信號。

4 結論

本文通過實驗研究了銀－氯化銀電極自噪聲、電極間極差電位及對微弱電場信號的響應性能。測試結果表明：所采用的這對銀－氯化銀電極具有良好的短期穩定性，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境噪聲同一量級，電極極差不大于1mV。良好的性能保證了電極對成功的響應微弱低頻信號。結果分析與驗證試驗表明：銀－氯化銀電極基本滿足船舶電場探測系統的傳感器的要求。

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