豆　劍　宋玉蘇　申　振

(海軍工程大學(xué)理學(xué)院　武漢　430033)

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包覆處理對(duì)銀-氯化銀電極對(duì)極差噪聲的影響*

豆劍宋玉蘇申振

(海軍工程大學(xué)理學(xué)院武漢430033)

摘要實(shí)海測(cè)試中發(fā)現(xiàn)海水流動(dòng)對(duì)銀-氯化銀電場(chǎng)探測(cè)電極的性能影響很大。為此選擇以硅藻土為基材,對(duì)銀-氯化銀電極進(jìn)行包覆處理,通過連續(xù)檢測(cè)銀-氯化銀電極對(duì)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(shí)域噪聲振動(dòng)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(jié)果表明:海水流動(dòng)會(huì)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(shè)計(jì)的包覆層能夠有效地抑制水流對(duì)電極對(duì)極差噪聲的影響。

關(guān)鍵詞電場(chǎng)探測(cè); 銀-氯化銀電極; 噪聲; 海水流動(dòng); 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(wěn)定性、敏感性被用于探測(cè)海洋電場(chǎng)。海洋環(huán)境對(duì)高頻電場(chǎng)具有天然的屏障作用,能探測(cè)到的信號(hào)都是低頻極低頻的微弱信號(hào),這對(duì)銀-氯化銀電極提出較高的要求[1～3]。在實(shí)海測(cè)試中發(fā)現(xiàn),海水流動(dòng)會(huì)造成檢測(cè)信號(hào)的波動(dòng),影響測(cè)試結(jié)果。因此,研究水流對(duì)銀-氯化銀電極的影響并找到解決問題的方案具有相當(dāng)重要的作用和意義。國外開展了這方面的研究,國內(nèi)在這方面的研究在文獻(xiàn)中也有零星提及[4～6],但研究工作還處于初級(jí)階段。

國外的一些研究文獻(xiàn)顯示,在電極表面進(jìn)行適當(dāng)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(dòng)對(duì)內(nèi)部電極界面的擾動(dòng),從而有效降低水流流動(dòng)對(duì)電極對(duì)檢測(cè)的影響。據(jù)此選擇了固態(tài)電解質(zhì)作為包覆材料基材:因?yàn)樗鼈兗饶軌蛐纬晒腆w殼層,抵擋海水流動(dòng),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(hào)的順利傳遞,盡量不影響電極對(duì)外界電信號(hào)的探測(cè)性能。設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓に?保證這種包覆電極的穩(wěn)定,對(duì)電信號(hào)的影響盡量小,這無疑值得嘗試。

查閱大量文獻(xiàn)[9～10]后,選擇了硅藻土作為電解質(zhì)包覆基材,因?yàn)樗鼈児羌芙Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定,孔隙率高、吸水性強(qiáng),特別是作為自然界的產(chǎn)物,此類材料在海洋環(huán)境中長(zhǎng)期共存性質(zhì)穩(wěn)定,非常適合作為包覆材料。再此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓虘B(tài)成型工藝,形成帶包覆層的探測(cè)電極。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的性能評(píng)估方法,采用對(duì)比的方式,平行測(cè)試氯化銀電極包覆前、后,水流流動(dòng)下電極對(duì)電位和電極對(duì)極差噪聲的影響,以此研究包覆層對(duì)電極抗擊水流流動(dòng)的效果。

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)水槽、攪拌裝置、電極對(duì),測(cè)試系統(tǒng)(帶通前置放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))組成。實(shí)驗(yàn)海水電導(dǎo)率為18.3ms/cm。帶通前置放大器是基于德州儀器生產(chǎn)的能實(shí)現(xiàn)精密性能的雙通道運(yùn)算放大器,頻帶范圍為0.05Hz～12Hz,固定放大倍數(shù)10000,檢測(cè)信號(hào)的精度≤100nV。AD轉(zhuǎn)換采用日置HIOKI MR8875-30存儲(chǔ)記錄儀,分辨率為16bits,量程為5mV～10V,采樣頻率最高可達(dá)200ks/s。攪拌裝置采用DW-1無極恒速攪拌器攪拌。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定可調(diào),能夠很好的保證水槽中海水流動(dòng)速度。

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)易示意圖。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成圖

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1測(cè)試系統(tǒng)自噪聲測(cè)量

由于電場(chǎng)信號(hào)微弱,對(duì)檢測(cè)儀器精度要求高,為此首先檢測(cè)儀器的自噪聲。將差分輸入端短路,直接檢測(cè)系統(tǒng)自噪聲,結(jié)果如圖2所示。

圖2　測(cè)試系統(tǒng)自噪聲功率譜

從圖中看到,系統(tǒng)對(duì)12Hz以上信號(hào)進(jìn)行了很好的濾除。在0.05Hz～12Hz內(nèi)自噪聲都小于0.03uV/Hz,與銀-氯化銀電極對(duì)在靜止海水中是同一數(shù)量級(jí)。滿足銀-氯化銀電極自噪聲的測(cè)試要求。

3.2海水流動(dòng)影響探測(cè)電極

將未包覆的銀-氯化銀電極對(duì)(下文稱裸電極)固定在配置的海水中。為了更直觀的展現(xiàn)海水流動(dòng)對(duì)探測(cè)電極的影響,依次、連續(xù)進(jìn)行海水靜止、小流速、大流速情況下電極對(duì)極差噪聲隨時(shí)間的變化圖。圖3是在測(cè)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(cè)得到的極差噪聲時(shí)域圖。

圖3　水流流動(dòng)對(duì)裸電極影響時(shí)域圖

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

為了更細(xì)微地分析水流流動(dòng)的影響,將時(shí)域圖轉(zhuǎn)化為噪聲功率譜(PSD)圖,從不同頻率范圍觀測(cè)電極對(duì)自噪聲變化。處理結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4　裸電極靜止?fàn)顟B(tài)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(zhuǎn)折頻率fc,PSD高頻斜率K等特征參數(shù)非常明顯。隨著水流的發(fā)生與增大,低頻白噪聲水平W分別在1E-16、1E-13、1E-12量級(jí),增幅很大。PSD轉(zhuǎn)折頻率fc在1Hz左右,數(shù)據(jù)分別為8.08E-14,2.31E-10,7.25E-9,也有四到五個(gè)數(shù)量級(jí)的增加。PSD高頻斜率K經(jīng)過線性擬合,曲線斜率分別是-18dB/hz,-50dB/Hz,-65dB/Hz,呈遞增趨勢(shì)。通常根據(jù)PSD曲線斜率分析金屬的陽極溶解狀態(tài)[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(yùn)動(dòng)加速,導(dǎo)致電極表面的電化學(xué)過程越容易進(jìn)行,氧化還原速率越快,兩支電極表面同時(shí)發(fā)生變化,速率越快,兩者的同步性越差,因此導(dǎo)致它們的極差噪聲呈現(xiàn)幾何級(jí)的增加。這種增加是由于水流運(yùn)動(dòng)引起的電極對(duì)極差波動(dòng),對(duì)電場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾,顯著影響電極對(duì)的穩(wěn)定性,必須加以改進(jìn)。

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(jù)上述設(shè)想設(shè)計(jì)了相應(yīng)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(qiáng)度,KCl則保證包覆層離子導(dǎo)電性。測(cè)試時(shí),小流動(dòng)海水與靜止情況下沒有明顯差異,所以測(cè)試過程中直接在84s給予海水高流速。包覆處理后測(cè)試結(jié)果時(shí)域圖如圖7所示。

圖7　包覆電極水流流動(dòng)影響時(shí)域圖

從時(shí)域圖可以看出包覆處理后水流流動(dòng)電極電位振動(dòng)幅值依舊有所增加。但對(duì)比裸電極發(fā)現(xiàn):在高流速下電極電位振幅增加,但增幅較小,只有0.31mV。相對(duì)于裸電極對(duì)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(duì)電極對(duì)電場(chǎng)檢測(cè)的干擾問題。

另外在靜止?fàn)顟B(tài)下,裸電極對(duì)的電位波動(dòng)振幅為0.44mV。而包覆處理后,同樣的電極對(duì)只有0.08mV。處于固體電解質(zhì)包覆中的電極對(duì)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(duì)的自噪聲,這對(duì)作為電場(chǎng)傳感器的電極對(duì)而言,無疑是有好處的。

把時(shí)域圖轉(zhuǎn)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(huán)境下都在1E-16量級(jí),與裸電極對(duì)在靜止海水中相當(dāng),說明水流對(duì)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(shù)量級(jí)(裸電極對(duì)都有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增加),而且相對(duì)于裸電極在靜止海水有一個(gè)數(shù)量級(jí)的降低。中高頻斜率經(jīng)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(dòng)引起海水中微粒的運(yùn)動(dòng)不足以干擾電極/溶液界面的雙電層結(jié)構(gòu),電極對(duì)電位幅值基本穩(wěn)定,導(dǎo)致電極對(duì)的電位幅值增加有限。這一結(jié)果證明,所設(shè)計(jì)的包覆處理層,能夠顯著抑制海水流動(dòng)對(duì)電極對(duì)信號(hào)的干擾,初步達(dá)到了研究的目的。

4結(jié)語

裸電極對(duì)海水流動(dòng)會(huì)很大程度影響電極對(duì)電位波動(dòng)振幅和極差噪聲。海水流動(dòng)越快電位波動(dòng)振幅越大,極差噪聲越高。

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

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

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)TB383.3

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.042

作者簡(jiǎn)介:豆劍,男,碩士研究生,研究方向:銀-氯化銀電場(chǎng)探測(cè)電極工藝與優(yōu)化。

*收稿日期:2015年7月10日,修回日期:2015年8月24日