碳纖維海洋電場電極探測機理和性能研究

宋玉蘇， 李紅霞， 申振， 王燁煊

(海軍工程大學(xué) 基礎(chǔ)部， 湖北 武漢 430033)

0 引言

海洋電場探測被廣泛用于海洋資源勘探、地理環(huán)境監(jiān)測等民用領(lǐng)域，同時作為水中兵器重要的物理場之一，也被用于對水中目標進行監(jiān)測、跟蹤、定位，或者作為水中兵器的引信[1-3]。海洋電場探測主要是采用2支電極構(gòu)成電極對作為電場信號傳感器，利用電極對的電位差(極差)隨介質(zhì)環(huán)境、時間的變化，配合適當?shù)男盘柗糯笃骷安杉到y(tǒng)，來表示介質(zhì)環(huán)境的電場特征[4]。由于海洋電場信號極其微弱，通常在微伏級或以下，同時如艦船等目標其電場頻率極低，因此電場探測對檢測系統(tǒng)要求較高，其中低噪聲高性能的探測電極對和極低噪聲的信號放大器是關(guān)鍵性技術(shù)之一。

碳纖維電極與氯化銀電極屬于完全不同的電極類型。氯化銀為理想的不極化電極，在海水中通過快速高效的電化學(xué)反應(yīng)(Ag+Cl-=AgCl+e)，迅速消除環(huán)境帶來的電荷波動，從而保持其電極電位的穩(wěn)定。而碳纖維電極為惰性電極，其本身在海水中不發(fā)生基于電子得失的電化學(xué)反應(yīng)，可以歸為極化電極。碳纖維電極電位的建立是基于電極表面與海水接觸后，海水中的微粒如帶電荷的離子、極性小分子(水等)在其表面吸附，隨著時間的延長逐步形成穩(wěn)定的吸附雙電層，從而形成電極電位[11]，因此碳纖維電極的電位受介質(zhì)狀態(tài)的影響大，對環(huán)境介質(zhì)變化響應(yīng)敏感，加之碳纖維比表面較大，吸附狀態(tài)復(fù)雜，隨機波動頻繁。因此碳纖維電極特別適合在封閉可控的穩(wěn)定介質(zhì)中對某些能夠在其表面產(chǎn)生特別富集、吸附的微粒進行檢測，其電極電位或者電流會隨著這些微粒的變化而產(chǎn)生顯著的變化，如溶液中蛋白質(zhì)分子的檢測、水中污染成分的跟蹤等醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域[12-13]。

電場探測需要2支極差小并且長期穩(wěn)定的碳纖維電極對，并根據(jù)碳纖維電極電位建立構(gòu)成分析。絲狀的碳纖維束構(gòu)成的電極與常規(guī)固體電極相比，其比表面(電極有效面積)明顯高出近2～3個數(shù)量級，2支電極要做到微觀表面狀態(tài)完全相同并同步變化，微觀世界的測不準原理就限制了其準確性；而且電極電位是建立在電極/電解質(zhì)界面的動態(tài)函數(shù)，要控制2支電極接觸面電解質(zhì)的同步變化，更是難以想象的。這些都決定了要人為控制2支碳纖維電極極差的大小并且長期保持穩(wěn)定，短期內(nèi)是困難的，這是碳纖維電極電場探測的難題之一。王月明等[14]、申振等[15]以及田雨華等[16]嘗試過對電極表面進行多種改性：如化學(xué)氧化、熱氧化等，通過增強碳纖維的極性，加強其表面的吸附、富集能力，來控制碳纖維電極對的極差穩(wěn)定性，縮短穩(wěn)定時間，雖然有一定的效果，但是這樣處理往往會降低碳纖維的強度，且工藝復(fù)雜。

針對這一現(xiàn)狀，本文嘗試從電場探測整體系統(tǒng)出發(fā)，綜合考慮電場電極對與后續(xù)信號放大器和檢測系統(tǒng)的匹配性。通過改變原來與氯化銀電極配套的前置放大器輸入電阻，相當于給電容型碳纖維電極對提供一個放電電阻，能夠保證2支電極之間通過充放電，快速消除電極對之間電荷的不均勻性，以期改善碳纖維電極對的極差穩(wěn)定性和自噪聲水平，降低極差的穩(wěn)定時間，從而實現(xiàn)了碳纖維電極對海洋電場信號的探測[17]。

本文主要基于對碳纖維電極探測水下電場的機理認識，研究并聯(lián)電阻大小對碳纖維電極對探測性能方面的影響。

1 試驗裝置

試樣制備：采用T300碳纖維制備碳纖維電極[18]。

試驗裝置：自行設(shè)計建立的勻強電場信號模擬裝置如圖1所示，為了減少容器的邊界效應(yīng)，使用圓筒形PVC管建立勻強電場，其中發(fā)射電極為覆蓋完整的圓形鍍鉑鈦電極，信號發(fā)生器為美國安捷倫公司生產(chǎn)的Keysight 33550B信號發(fā)生器，R為回路中串聯(lián)的電阻，通過采集電阻R上的電壓計算流經(jīng)海水的電流，并通過(1)式計算出海水中的電場大小。

(1)

式中：J為電流密度；γ為溶液電導(dǎo)率；E為溶液中的電場強度；V為電極兩端的電壓差；d為電極對之間的距離。

圖1 勻強電場裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of uniform electric field simulator

2 探測機理

碳纖維電極在海水中呈現(xiàn)電容特性，電極對與海水組成的系統(tǒng)相當于一個宏觀的電容器，與放大器的輸入電阻組成一個電阻- 電容震蕩電路，電容和電阻的放電如(2)式所示。

(2)

式中：Vt為電容兩端電壓；Vi為初始電壓；t為時間；C為電極對與海水組成的電容。RC值越大電極極差越難穩(wěn)定，RC值越小電極極差穩(wěn)定越快，因此可以通過減小輸入電阻的方式提高電容兩端的電壓穩(wěn)定性和穩(wěn)定速度。

本文設(shè)想電極對對海洋電場的響應(yīng)等同于測量電極對之間海水介質(zhì)的電壓降(電阻或者阻抗)，雖然作為導(dǎo)電介質(zhì)其電阻較低，借鑒電極/電解質(zhì)的等效電路模型[19]，可以考慮將電容型碳纖維電極響應(yīng)電場模型等效為如圖2所示的大小電路。圖2中，R′i為放大器的輸入電阻，Rd為放電電阻，Ri為接入放電電阻后放大器的實際輸入電阻，Rs為電極的溶液電阻，Rc為電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻，Cd為電極的雙電層電容，W為Warburg阻抗，Ze表示電極本身阻抗和其與海水界面的阻抗，Ro為電容型碳纖維電極對之間的海水阻抗。

圖2 碳纖維海洋電場電極探測原理示意圖Fig.2 Detection principle of carbon fiber electrodes in ocean electric field

由于輸入電阻Ri和電極與海水之間的阻抗Ze遠遠大于電極對之間海水的阻抗Ro，因此Ri對海水中的電場影響十分微小，可忽略不計。根據(jù)分壓原理可知，響應(yīng)電場值E′與發(fā)射電場值E的關(guān)系如(3)式所示。

(3)

3 探測性能

選擇在電極對間并聯(lián)500 Ω、1 000 Ω和2 000 Ω的放電電阻，由于放大器的輸入電阻通常高達數(shù)百千歐姆以上，因此并聯(lián)電阻阻值可以認為是放大器的輸入電阻阻值。研究不同并聯(lián)電阻下電極對的極差大小、極差穩(wěn)定時間、自噪聲和幅頻探測性能，從而比較電阻大小與上述性能的關(guān)系，一方面定量驗證本文所提出的電場探測機理模型，另一方面也為后續(xù)研制電場探測系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

3.1 電極對極差測量

將電極置于勻強電場裝置中。使用中國華儀儀器公司生產(chǎn)的MS8050四位半臺式萬用表對電極電位進行24 h記錄。圖3是不同輸入電阻下的電極電位24 h電位變化。由圖3可以看出：隨著電阻由小到大，極差穩(wěn)定時間依次為25 min、35 min和120 min，輸入電阻越低，電極對的極差穩(wěn)定時間越短；穩(wěn)定極差均不大于0.1 mV.

圖3 電極對放入海水中后的極差變化Fig.3 Change in potential difference between electrodes in seawater

3組電極對24 h極差變化分別為9 μV、13 μV和10 μV. 結(jié)果表明：接入電阻一方面可以控制極差的大小，另一方面可以縮短極差的穩(wěn)定時間；而且接入電阻越小越有利。這與電阻的放電能力有關(guān)，在受到外界干擾后，較小的輸入電阻可以更快地放電從而保持電極對的極差穩(wěn)定。

3.2 自噪聲測量

將電極接入圖1中的裝置，使用日本NF公司生產(chǎn)的SA-200F3前置放大器(放大倍數(shù)40 dB)和一個南京鴻賓公司生產(chǎn)的DC-10 Hz的低通濾波器(放大倍數(shù)20 dB)，組成總計放大1 000倍(放大倍數(shù)60 dB)的放大電路進行檢測。將干燥的電極對放入水中0.5 h、2 h、6 h、24 h和48 h后分別測量電極對的噪聲。

圖4 不同輸入電阻下電極對的噪聲變化Fig.4 Noise variations of electrodes under different input resistances

3.3 幅頻測量

波形響應(yīng)測量結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在并聯(lián)2 000 Ω、1 000 Ω和500 Ω情況下，電極均可準確還原在0.001 Hz電場的波形而無明顯的失真。

圖5 碳纖維電極對1 mHz海洋電場信號的波形響應(yīng)Fig.5 Waveform response of carbon fiber electrodes to 1 mHz ocean electric field signal

在不同輸入電阻下的電容型碳纖維電極的響應(yīng)增益測量結(jié)果如表1所示。將表1中數(shù)據(jù)以頻率為橫坐標，響應(yīng)電場/發(fā)射電場的比值為縱坐標在圖6中體

表1 碳纖維電極的響應(yīng)增益

現(xiàn)。結(jié)果表明，隨著輸入電阻的增加，電極在低頻的增益逐漸增加，在超過1 Hz后電極的響應(yīng)增益基本平坦。按照放大器設(shè)計的常規(guī)，將比值為0.77處的頻率定為轉(zhuǎn)折頻率，則可以得到在輸入電阻為2 000 Ω情況下，電極的轉(zhuǎn)折頻率在0.001 Hz以下，而在輸入電阻為1 000 Ω和500 Ω情況下，電極的轉(zhuǎn)折頻率在0.001～0.01 Hz之間。

圖6 電容型碳纖維電極的響應(yīng)增益Fig.6 Response gains of capacitive carbon fiber electrodes

根據(jù)(2)式可計算出增益數(shù)值，將測量的電極響應(yīng)增益數(shù)值和計算增益數(shù)值進行對比如圖7所示。由圖7可知，測量的碳纖維電極海洋電場響應(yīng)增益與計算值吻合較好，這說明通過在放大器上并聯(lián)電阻，是可以實現(xiàn)碳纖維電極對對水中電場的探測。

圖7 電極的實際響應(yīng)增益與計算增益Fig.7 Actual and calculated response gains of carbon fiber electrodes

綜合上述探測性能的研究，均說明采用在前置放大器輸入端并聯(lián)適當電阻，可以實現(xiàn)碳纖維電極對水中電場的探測，同時也驗證了本文提出的碳纖維電極對對海洋電場的響應(yīng)等同于測量電極間海水的電壓降這一機理。

4 結(jié)論

1)電容特性的碳纖維電極對可以通過在前置放大器輸入端并聯(lián)電阻，以達到控制電極對極差和顯著縮短穩(wěn)定時間的作用，從而實現(xiàn)其對海洋電場的探測。測量頻帶由并聯(lián)電阻及電極與海水界面阻抗決定。

3)相關(guān)研究結(jié)果表明，所提出的碳纖維電極對測量海洋電場的模型是可行的。