包覆處理對銀-氯化銀電極對極差噪聲的影響*

豆　劍　宋玉蘇　申　振

(海軍工程大學理學院　武漢　430033)

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包覆處理對銀-氯化銀電極對極差噪聲的影響*

豆劍宋玉蘇申振

(海軍工程大學理學院武漢430033)

摘要實海測試中發現海水流動對銀-氯化銀電場探測電極的性能影響很大。為此選擇以硅藻土為基材,對銀-氯化銀電極進行包覆處理,通過連續檢測銀-氯化銀電極對在靜止、低流速和高流速等情況下的極差噪聲的變化。通過時域噪聲振動幅值與頻域噪聲在不同頻段噪聲變化,研究包覆處理的效果,結果表明:海水流動會顯著增加銀-氯化銀電極的極差噪聲,且流速越快噪聲增幅越大。所設計的包覆層能夠有效地抑制水流對電極對極差噪聲的影響。

關鍵詞電場探測; 銀-氯化銀電極; 噪聲; 海水流動; 硅藻土包覆

Influence of Cladding Process on Self-noise of Ag/AgCl Electrode

DOU JianSONG YusuSHEN Zhen

(Faculty of Science, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractWater flow has great influence on Ag/AgCl electrode in practical test. So the diatomaceous earth is chosen as the mean coating material to test the self-noise of Ag/AgCl electrode in different surroundings, such as static and different flow of sea water. The amplitude of time domain noise and frequency domain noise in different frequencies are used to analyze the effect of cladding process. The results show that the water flow of sea water significantly increases the self-noise, and the increase of noise is positive to the water speed. The cladding layer can prevent the influence of water flow on self-noise.

Key Wordselectric field detection, Ag/AgCl electrode, noise, water flow, coating diatomaceous earth

Class NumberTB383.3

1引言

銀-氯化銀電極由于其很好的穩定性、敏感性被用于探測海洋電場。海洋環境對高頻電場具有天然的屏障作用,能探測到的信號都是低頻極低頻的微弱信號,這對銀-氯化銀電極提出較高的要求[1～3]。在實海測試中發現,海水流動會造成檢測信號的波動,影響測試結果。因此,研究水流對銀-氯化銀電極的影響并找到解決問題的方案具有相當重要的作用和意義。國外開展了這方面的研究,國內在這方面的研究在文獻中也有零星提及[4～6],但研究工作還處于初級階段。

國外的一些研究文獻顯示,在電極表面進行適當包覆,通過固體狀的牢固的包覆層,承受水流的沖擊,降低流動對內部電極界面的擾動,從而有效降低水流流動對電極對檢測的影響。據此選擇了固態電解質作為包覆材料基材:因為它們既能夠形成固體殼層,抵擋海水流動,又不影響海水中多種微粒,特別是離子的通透性,保證電信號的順利傳遞,盡量不影響電極對外界電信號的探測性能。設計適當的工藝,保證這種包覆電極的穩定,對電信號的影響盡量小,這無疑值得嘗試。

查閱大量文獻[9～10]后,選擇了硅藻土作為電解質包覆基材,因為它們骨架結構穩定,孔隙率高、吸水性強,特別是作為自然界的產物,此類材料在海洋環境中長期共存性質穩定,非常適合作為包覆材料。再此基礎上,設計適當的固態成型工藝,形成帶包覆層的探測電極。設計了系統的性能評估方法,采用對比的方式,平行測試氯化銀電極包覆前、后,水流流動下電極對電位和電極對極差噪聲的影響,以此研究包覆層對電極抗擊水流流動的效果。

2實驗系統

實驗硬件系統由實驗水槽、攪拌裝置、電極對,測試系統(帶通前置放大器、數據采集系統)組成。實驗海水電導率為18.3ms/cm。帶通前置放大器是基于德州儀器生產的能實現精密性能的雙通道運算放大器,頻帶范圍為0.05Hz～12Hz,固定放大倍數10000,檢測信號的精度≤100nV。AD轉換采用日置HIOKI MR8875-30存儲記錄儀,分辨率為16bits,量程為5mV～10V,采樣頻率最高可達200ks/s。攪拌裝置采用DW-1無極恒速攪拌器攪拌。轉速穩定可調,能夠很好的保證水槽中海水流動速度。

圖1為實驗裝置簡易示意圖。

圖1　實驗系統組成圖

3實驗結果

3.1測試系統自噪聲測量

由于電場信號微弱,對檢測儀器精度要求高,為此首先檢測儀器的自噪聲。將差分輸入端短路,直接檢測系統自噪聲,結果如圖2所示。

圖2　測試系統自噪聲功率譜

從圖中看到,系統對12Hz以上信號進行了很好的濾除。在0.05Hz～12Hz內自噪聲都小于0.03uV/Hz,與銀-氯化銀電極對在靜止海水中是同一數量級。滿足銀-氯化銀電極自噪聲的測試要求。

3.2海水流動影響探測電極

將未包覆的銀-氯化銀電極對(下文稱裸電極)固定在配置的海水中。為了更直觀的展現海水流動對探測電極的影響,依次、連續進行海水靜止、小流速、大流速情況下電極對極差噪聲隨時間的變化圖。圖3是在測試過程中按照0s～45s靜止、45s～118s小流速、118s～165s大流速的順序,檢測得到的極差噪聲時域圖。

圖3　水流流動對裸電極影響時域圖

從圖3中看到,在三種不同環境下,電極對電位振幅呈現遞增趨勢。分別為0.44mV、19.5mV、50mV,流速變化影響非常明顯。噪聲時域譜表明:水流流動大幅度增加了電極對電位的振動幅度,而且水流流速越大影響力度越大。

為了更細微地分析水流流動的影響,將時域圖轉化為噪聲功率譜(PSD)圖,從不同頻率范圍觀測電極對自噪聲變化。處理結果如圖4～圖6所示。

圖4　裸電極靜止狀態的PSD圖

圖5　裸電極低速水流的PSD圖

從頻域圖中看到:低頻白噪聲水平W,PSD轉折頻率fc,PSD高頻斜率K等特征參數非常明顯。隨著水流的發生與增大,低頻白噪聲水平W分別在1E-16、1E-13、1E-12量級,增幅很大。PSD轉折頻率fc在1Hz左右,數據分別為8.08E-14,2.31E-10,7.25E-9,也有四到五個數量級的增加。PSD高頻斜率K經過線性擬合,曲線斜率分別是-18dB/hz,-50dB/Hz,-65dB/Hz,呈遞增趨勢。通常根據PSD曲線斜率分析金屬的陽極溶解狀態[7～8],斜率越高,電極表面越活躍。隨著水流增加,溶液中離子運動加速,導致電極表面的電化學過程越容易進行,氧化還原速率越快,兩支電極表面同時發生變化,速率越快,兩者的同步性越差,因此導致它們的極差噪聲呈現幾何級的增加。這種增加是由于水流運動引起的電極對極差波動,對電場信號的檢測會產生嚴重干擾,顯著影響電極對的穩定性,必須加以改進。

圖6　裸電極高速水流的PSD圖

3.3添加包覆材料,控制水流影響

根據上述設想設計了相應的包覆層:以硅藻土為主要包覆材料,一定配比加入凝膠劑和KCl。其中凝膠劑是為了增加包覆層的強度,KCl則保證包覆層離子導電性。測試時,小流動海水與靜止情況下沒有明顯差異,所以測試過程中直接在84s給予海水高流速。包覆處理后測試結果時域圖如圖7所示。

圖7　包覆電極水流流動影響時域圖

從時域圖可以看出包覆處理后水流流動電極電位振動幅值依舊有所增加。但對比裸電極發現:在高流速下電極電位振幅增加,但增幅較小,只有0.31mV。相對于裸電極對50mV的增幅有極大改善。因此電極包覆處理后,能夠較好地解決水流對電極對電場檢測的干擾問題。

另外在靜止狀態下,裸電極對的電位波動振幅為0.44mV。而包覆處理后,同樣的電極對只有0.08mV。處于固體電解質包覆中的電極對的白噪聲有一定的降低,說明包覆處理能夠有助于降低電極對的自噪聲,這對作為電場傳感器的電極對而言,無疑是有好處的。

把時域圖轉化為頻域圖來分析,圖形如圖8、圖9所示。

圖8　包覆電極,海水靜止PSD圖

圖9　包覆電極,高速水流的PSD圖

從圖中看出:低頻白噪聲水平W在兩種不同環境下都在1E-16量級,與裸電極對在靜止海水中相當,說明水流對白噪聲沒有影響。1Hz處功率譜自噪聲分別為:1.46E-15,4.02E-15。雖有一定程度增加,增幅在同一數量級(裸電極對都有幾個數量級的增加),而且相對于裸電極在靜止海水有一個數量級的降低。中高頻斜率經過線性擬合,斜率分別為-15.6dB/Hz,-5.5dB/Hz,只是略有變化。說明包覆處理后,水流波動引起海水中微粒的運動不足以干擾電極/溶液界面的雙電層結構,電極對電位幅值基本穩定,導致電極對的電位幅值增加有限。這一結果證明,所設計的包覆處理層,能夠顯著抑制海水流動對電極對信號的干擾,初步達到了研究的目的。

4結語

裸電極對海水流動會很大程度影響電極對電位波動振幅和極差噪聲。海水流動越快電位波動振幅越大,極差噪聲越高。

包覆硅藻土凝膠材料后,電極對的低頻白噪聲、1Hz出功率譜、以及中高頻曲線斜率都表現為電極對自噪聲受水流影響顯著降低,水流影響得到較好解決。測試結果顯示效果良好,可對銀-氯化銀傳感器制做的優化起到一定的借鑒作用。

銀-氯化銀電極功率譜圖三個特征參數(低頻白噪聲水平W,PSD轉折頻率fc,PSD高頻斜率K)非常明顯,可以通過這三個參數了解到電極表面電化學反應狀況。

參 考 文 獻

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中圖分類號TB383.3

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.042

作者簡介:豆劍,男,碩士研究生,研究方向:銀-氯化銀電場探測電極工藝與優化。

*收稿日期:2015年7月10日,修回日期:2015年8月24日