艦船水下腐蝕電場信號探測傳感器性能測試*

（91404部隊41分隊 秦皇島 066000）

1 引言

艦船腐蝕相關(guān)電場的來源主要有兩個方面，一是艦船自身不同部位的異種金屬接觸海水發(fā)生電偶腐蝕，產(chǎn)生電化學腐蝕電流；二是艦船為了抑制腐蝕而采取的犧牲陽極或外加電流陰極保護系統(tǒng)產(chǎn)生的防腐電流，二者在海水中產(chǎn)生較強的靜電場，中型艦船的陰極保護系統(tǒng)產(chǎn)生的電流可達數(shù)百安，頻率范圍為DC～0.5Hz。同時腐蝕和防腐電流經(jīng)螺旋槳調(diào)制，會產(chǎn)生頻率范圍為1Hz～7Hz的極低頻交變電場，稱為軸頻電場［1～4］。已有文獻［4～7］表明腐蝕相關(guān)電場的低頻部分在海水中的衰減較小，傳播距離可達5000m。因此，通過測量艦船低頻微弱電場信號發(fā)現(xiàn)目標艦船已成為各國海軍關(guān)注的重點［8］。美國目前裝備的潛艇水下探測系統(tǒng)均已增加了極低頻水下電場檢測模塊［9］。

水中電場的探測傳感器裝置，也稱電極，是通過電化學反應將液相信號轉(zhuǎn)變成電信號的裝置。由于測量信號來源于外場作用下電極的電化學反應，電極性能的好壞決定了信號探測水平的高低，因此性能優(yōu)異的電極是電場測量的物質(zhì)基礎(chǔ)。同陸上電場測量相比，水下極低頻電場信號的探測難度要大得多，對電極的性能提出了很多新的要求：

1）海水對電場信號具有強烈的衰減作用，使得水下電場信號比陸上微弱得多，超出一到兩倍船長后，有用信號往往減小至mV甚至μV級，因此需要電極具有很高的測量靈敏度；

2）測量時，電極直接與海水接觸，導線部分又需與海水隔離，因此需要電極具有良好的密封性。

3）海底布放的探測電極深度范圍約100m～300m，隨深度增加，壓力增加1000Pa/m，因此需要電極具有一定的耐壓性；

4）電極在海水中的布放難度較大，布放好的電極需要在海水中長時間工作，因此需要電極具有一定的的穩(wěn)定性；

5）電極在海水中長時間工作，海洋環(huán)境中的微生物會在其表面附著，因此需要電極具有一定抑制微生物生長的作用。

2 水下電場傳感器的選擇

目前各國開展研究的海洋電場探測電極主要有碳纖維電極和Ag/AgCl電極。碳纖維電極是極化電極，表面易于積累電荷，所以電位對外界干擾電場非常敏感，在電場探測過程中具有較高的靈敏度，瑞典polyamp公司研制的PA3001和PA3001BL兩款碳纖維電極，可測量頻率范圍為1mHz～1 kHz，探測精度可達 2nV/m@1Hz，自噪聲低至 1 nV/Hz［10］，但碳纖維電極在1Hz以下頻段存在明顯的電容效應，因此不適合準靜態(tài)電場測量。Ag/AgCl電極是不極化電極，反應速度快，去極化能力強，電極電勢比較穩(wěn)定，而且極化電阻小，電極自噪聲較低，AgCl對海生物生長具有一定的抑制作用，技術(shù)相對成熟，因此Ag/AgCl電極成為水下電場測量最為常用的傳感器靈敏元件［11］。

Ag/AgCl電極的結(jié)構(gòu)分為兩種，一種為常規(guī)的帶內(nèi)參比液的濕式電極，另一種為全固態(tài)無參比液的裸露式電極。

常規(guī)濕式電極不適合水下高壓海洋環(huán)境中進行長時間測量。因為濕式電極的使用壽命較短，其內(nèi)參比液需定時更換，長時間使用過程中，內(nèi)參比液會通過多孔陶瓷慢慢滲透到測量體系中，可能對測量溶液造成污染；如果發(fā)生倒流，待測溶液則會進入到內(nèi)參比液中，影響電勢測量的效果。且常規(guī)濕式電極的保護管多為玻璃外殼，容易破碎，不適合海水高壓環(huán)境。

全固態(tài)無參比液電極的制備方法一般采用粉壓法，即采用粉壓成型工藝，將電極原料按一定比例混合均勻，在模具中壓制成型，燒結(jié)，制成一定大小的圓柱體電極。根據(jù)制作工藝和模具的不同，電極尺寸從10mm到500mm不等。由于全固態(tài)電極沒有內(nèi)參比液，不會和測量體系相互影響，保證了電極可長時間使用；全固態(tài)電極在制備過程中，經(jīng)過100 MPa以上的壓制，耐海水壓力性能較好。

綜合以上優(yōu)點，全固體的Ag/AgCl電極結(jié)構(gòu)可以滿足水下極低頻電場測量的要求。下文選用4只全固體的Ag/AgCl電極，在實驗室中對其相關(guān)的性能進行測試。

3 Ag/AgCl電極性能測試

本文選取4只粉壓型全固態(tài)Ag/AgCl電極進行性能測試，電極直徑1cm，高1cm，編號1，2，3，4。設(shè)計實驗：1）采用循環(huán)伏安法測試Ag/AgCl電極對電場信號響應的可逆性；2）測量電極的交流阻抗（EIS）表征電極電化學性能；3）組成電極對2-1、3-1和4-1，分別測試三組電極對的自噪聲和24h短期極差穩(wěn)定性。

3.1 電極信號響應的可逆性測試

電極對海水環(huán)境中極低頻信號的可逆性決定了電極對能否真實及時地響應海洋環(huán)境中的電場變化。

采用三電極體系，工作電極和參比電極為固態(tài)Ag/AgCl電極，對電極為鉑電極，使用電化學工作站、循環(huán)伏安法測量固態(tài)Ag/AgCl電極對電場信號響應的可逆性，電壓變化范圍為［-100mV，100mV］，掃描速度1mV/s。實驗結(jié)果如圖1所示。可見4只電極可逆性較好，在加載電壓范圍內(nèi)，4只電極的正向極化曲線和反向極化曲線基本達到重合，且呈良好的線性關(guān)系，說明固態(tài)Ag/AgCl電極可逆性較好，能夠及時準確反映電場變化。

圖1 電極可逆性測試

3.2 電極的交流阻抗測試

采用三電極體系，工作電極和參比電極為固態(tài)Ag/AgCl電極，對電極為鉑電極，使用電化學工作站對電極的交流阻抗進行研究。利用Zsimpwin擬合軟件對交流阻抗數(shù)據(jù)進行擬合，根據(jù)實驗體系，擬合電路選擇R（QR）。由于四只電極的交流阻抗圖譜相似，這里只選用2號電極的Nyquist和Bode圖進行分析，由圖2可知，采用R（QR）電路擬合效果較好，電極在10Hz以下頻段的阻抗模值呈平緩下降的趨勢，阻抗值100Ω左右，表明固態(tài)Ag/AgCl電極電化學反應性能較好，適用于海上實驗。

圖2 電極交流阻抗測試

3.3 電極對自噪聲測試

自噪聲水平對于探測電極的性能評估是很重要的參數(shù)指標，它反映了一對探測電極在沒有外界電場干擾的情況下電極電位差的波動情況。一般采用1Hz帶寬功率譜均方根噪聲來評價電極對的自噪聲，單位 nV/Hz（@1Hz）。

將各電極對置于3.5%Na Cl溶液中，溶液溫度6.8℃，電導率3.42 S/m，放入屏蔽箱內(nèi)，利用電化學工作站檢測各電極對的自噪聲。圖3為3組電極對自噪聲測量的功率譜圖，從中可以看出3組Ag/Ag-Cl電極對在1 Hz自噪聲水平都在10-14V2/Hz量級，在DC～10 Hz整個極低頻頻率范圍內(nèi)，3組電極對的自噪聲都維持在10-12V2/Hz～10-15V2/Hz的量級，自噪聲較低，滿足低頻電場探測要求。

圖3 電極對自噪聲圖

3.4 電極對24h極差穩(wěn)定性測試

由于海水對艦船水下電場信號產(chǎn)生一定的衰減作用，而使得測量信號非常微弱。一般要求兩只電極的電極極差小于1mV，這樣微弱信號才不會被掩沒在電極自身的電極電勢漂移中，測量靈敏度高。

圖4為24h內(nèi)測量的3對電極在3.5%Na Cl溶液中24h極差電位曲線。從圖中可以看出3組電極對電極對放入3.5%Na Cl溶液中后，3組電極的極差電位在0.3mv上下波動，其中2-1電極對，波動下限為0.1542 mV，波動上限為0.4958 mV，整體波動較大，24h極差數(shù)值為0.3416 mV；3-1電極對波動下限為0.2496 mV，波動上限為0.3340 mV，24h極差數(shù)值為0.0826 mV；4-1電極對波動下限為0.3384 mV，波動上限為0.4364 mV，24h極差數(shù)值為0.098 mV?？梢娙M電極對均滿足電極極差小于1 mV的要求，其中3-1和4-1電極對滿足24h極差漂移小于0.1 mV的要求。

圖4 電極對24h極差穩(wěn)定性

4 結(jié)語

本文分析了腐蝕相關(guān)靜電場和軸頻電場的產(chǎn)生機理，傳播特性，應用前景等，詳細介紹了水下電場探測方面的難點和注意事項，通過實驗研究了固態(tài)Ag/AgCl電極可逆性、交流阻抗、自噪聲和電極極差電位。測試結(jié)果表明，固態(tài)Ag/AgCl電極具有較好的可逆性，能及時反映海水中電場的變化情況；電極交流阻抗在低頻段模值約為100Ω，且隨頻率升高呈緩慢下降趨勢，電化學反應性能良好；電極在極低頻段具有較低自噪聲，在DC～10 Hz頻段自噪聲水平一直維持在10-12V2/Hz～10-15V2/Hz的量級；電極極差電位較小，約為0.3 mV，在24 h內(nèi)，電極極差波動小于0.1mV，具有較好的短期穩(wěn)定性。分析與試驗表明：Ag/AgCl電極滿足艦船腐蝕相關(guān)電場極低頻信號的探測要求。