碳纤维海洋电场电极探测机理和性能研究

2019-04-17宋玉苏李红霞申振王烨煊

兵工学报 2019年3期

宋玉苏，李红霞，申振，王烨煊

(海军工程大学基础部，湖北武汉 430033)

0 引言

海洋电场探测被广泛用于海洋资源勘探、地理环境监测等民用领域，同时作为水中兵器重要的物理场之一，也被用于对水中目标进行监测、跟踪、定位，或者作为水中兵器的引信[1-3]。海洋电场探测主要是采用2支电极构成电极对作为电场信号传感器，利用电极对的电位差(极差)随介质环境、时间的变化，配合适当的信号放大器及采集系统，来表示介质环境的电场特征[4]。由于海洋电场信号极其微弱，通常在微伏级或以下，同时如舰船等目标其电场频率极低，因此电场探测对检测系统要求较高，其中低噪声高性能的探测电极对和极低噪声的信号放大器是关键性技术之一。

碳纤维电极与氯化银电极属于完全不同的电极类型。氯化银为理想的不极化电极，在海水中通过快速高效的电化学反应(Ag+Cl-=AgCl+e)，迅速消除环境带来的电荷波动，从而保持其电极电位的稳定。而碳纤维电极为惰性电极，其本身在海水中不发生基于电子得失的电化学反应，可以归为极化电极。碳纤维电极电位的建立是基于电极表面与海水接触后，海水中的微粒如带电荷的离子、极性小分子(水等)在其表面吸附，随着时间的延长逐步形成稳定的吸附双电层，从而形成电极电位[11]，因此碳纤维电极的电位受介质状态的影响大，对环境介质变化响应敏感，加之碳纤维比表面较大，吸附状态复杂，随机波动频繁。因此碳纤维电极特别适合在封闭可控的稳定介质中对某些能够在其表面产生特别富集、吸附的微粒进行检测，其电极电位或者电流会随着这些微粒的变化而产生显著的变化，如溶液中蛋白质分子的检测、水中污染成分的跟踪等医学、生物学等领域[12-13]。

电场探测需要2支极差小并且长期稳定的碳纤维电极对，并根据碳纤维电极电位建立构成分析。丝状的碳纤维束构成的电极与常规固体电极相比，其比表面(电极有效面积)明显高出近2～3个数量级，2支电极要做到微观表面状态完全相同并同步变化，微观世界的测不准原理就限制了其准确性；而且电极电位是建立在电极/电解质界面的动态函数，要控制2支电极接触面电解质的同步变化，更是难以想象的。这些都决定了要人为控制2支碳纤维电极极差的大小并且长期保持稳定，短期内是困难的，这是碳纤维电极电场探测的难题之一。王月明等[14]、申振等[15]以及田雨华等[16]尝试过对电极表面进行多种改性：如化学氧化、热氧化等，通过增强碳纤维的极性，加强其表面的吸附、富集能力，来控制碳纤维电极对的极差稳定性，缩短稳定时间，虽然有一定的效果，但是这样处理往往会降低碳纤维的强度，且工艺复杂。

针对这一现状，本文尝试从电场探测整体系统出发，综合考虑电场电极对与后续信号放大器和检测系统的匹配性。通过改变原来与氯化银电极配套的前置放大器输入电阻，相当于给电容型碳纤维电极对提供一个放电电阻，能够保证2支电极之间通过充放电，快速消除电极对之间电荷的不均匀性，以期改善碳纤维电极对的极差稳定性和自噪声水平，降低极差的稳定时间，从而实现了碳纤维电极对海洋电场信号的探测[17]。

本文主要基于对碳纤维电极探测水下电场的机理认识，研究并联电阻大小对碳纤维电极对探测性能方面的影响。

1 试验装置

试样制备：采用T300碳纤维制备碳纤维电极[18]。

试验装置：自行设计建立的匀强电场信号模拟装置如图1所示，为了减少容器的边界效应，使用圆筒形PVC管建立匀强电场，其中发射电极为覆盖完整的圆形镀铂钛电极，信号发生器为美国安捷伦公司生产的Keysight 33550B信号发生器，R为回路中串联的电阻，通过采集电阻R上的电压计算流经海水的电流，并通过(1)式计算出海水中的电场大小。

(1)

式中：J为电流密度；γ为溶液电导率；E为溶液中的电场强度；V为电极两端的电压差；d为电极对之间的距离。

图1 匀强电场装置示意图Fig.1 Schematic diagram of uniform electric field simulator

2 探测机理

碳纤维电极在海水中呈现电容特性，电极对与海水组成的系统相当于一个宏观的电容器，与放大器的输入电阻组成一个电阻- 电容震荡电路，电容和电阻的放电如(2)式所示。

(2)

式中：Vt为电容两端电压；Vi为初始电压；t为时间；C为电极对与海水组成的电容。RC值越大电极极差越难稳定，RC值越小电极极差稳定越快，因此可以通过减小输入电阻的方式提高电容两端的电压稳定性和稳定速度。

本文设想电极对对海洋电场的响应等同于测量电极对之间海水介质的电压降(电阻或者阻抗)，虽然作为导电介质其电阻较低，借鉴电极/电解质的等效电路模型[19]，可以考虑将电容型碳纤维电极响应电场模型等效为如图2所示的大小电路。图2中，R′i为放大器的输入电阻，Rd为放电电阻，Ri为接入放电电阻后放大器的实际输入电阻，Rs为电极的溶液电阻，Rc为电极的电荷转移电阻，Cd为电极的双电层电容，W为Warburg阻抗，Ze表示电极本身阻抗和其与海水界面的阻抗，Ro为电容型碳纤维电极对之间的海水阻抗。

图2 碳纤维海洋电场电极探测原理示意图Fig.2 Detection principle of carbon fiber electrodes in ocean electric field

由于输入电阻Ri和电极与海水之间的阻抗Ze远远大于电极对之间海水的阻抗Ro，因此Ri对海水中的电场影响十分微小，可忽略不计。根据分压原理可知，响应电场值E′与发射电场值E的关系如(3)式所示。

(3)

3 探测性能

选择在电极对间并联500 Ω、1 000 Ω和2 000 Ω的放电电阻，由于放大器的输入电阻通常高达数百千欧姆以上，因此并联电阻阻值可以认为是放大器的输入电阻阻值。研究不同并联电阻下电极对的极差大小、极差稳定时间、自噪声和幅频探测性能，从而比较电阻大小与上述性能的关系，一方面定量验证本文所提出的电场探测机理模型，另一方面也为后续研制电场探测系统奠定基础。

3.1 电极对极差测量

将电极置于匀强电场装置中。使用中国华仪仪器公司生产的MS8050四位半台式万用表对电极电位进行24 h记录。图3是不同输入电阻下的电极电位24 h电位变化。由图3可以看出：随着电阻由小到大，极差稳定时间依次为25 min、35 min和120 min，输入电阻越低，电极对的极差稳定时间越短；稳定极差均不大于0.1 mV.

图3 电极对放入海水中后的极差变化Fig.3 Change in potential difference between electrodes in seawater

3组电极对24 h极差变化分别为9 μV、13 μV和10 μV. 结果表明：接入电阻一方面可以控制极差的大小，另一方面可以缩短极差的稳定时间；而且接入电阻越小越有利。这与电阻的放电能力有关，在受到外界干扰后，较小的输入电阻可以更快地放电从而保持电极对的极差稳定。

3.2 自噪声测量

将电极接入图1中的装置，使用日本NF公司生产的SA-200F3前置放大器(放大倍数40 dB)和一个南京鸿宾公司生产的DC-10 Hz的低通滤波器(放大倍数20 dB)，组成总计放大1 000倍(放大倍数60 dB)的放大电路进行检测。将干燥的电极对放入水中0.5 h、2 h、6 h、24 h和48 h后分别测量电极对的噪声。

图4 不同输入电阻下电极对的噪声变化Fig.4 Noise variations of electrodes under different input resistances

3.3 幅频测量

波形响应测量结果如图5所示。由图5可知，在并联2 000 Ω、1 000 Ω和500 Ω情况下，电极均可准确还原在0.001 Hz电场的波形而无明显的失真。

图5 碳纤维电极对1 mHz海洋电场信号的波形响应Fig.5 Waveform response of carbon fiber electrodes to 1 mHz ocean electric field signal

在不同输入电阻下的电容型碳纤维电极的响应增益测量结果如表1所示。将表1中数据以频率为横坐标，响应电场/发射电场的比值为纵坐标在图6中体

表1 碳纤维电极的响应增益

现。结果表明，随着输入电阻的增加，电极在低频的增益逐渐增加，在超过1 Hz后电极的响应增益基本平坦。按照放大器设计的常规，将比值为0.77处的频率定为转折频率，则可以得到在输入电阻为2 000 Ω情况下，电极的转折频率在0.001 Hz以下，而在输入电阻为1 000 Ω和500 Ω情况下，电极的转折频率在0.001～0.01 Hz之间。