银－氯化银传感器的海洋电场信号检测性能

熊 露，龚沈光，贾亦卓

（海军工程大学兵器工程系，湖北 武汉 430033）

0 引言

电场是除声场、磁场和水压场之外又一明显船舶物理场特征。由于海水导电性，海洋中电场信号在海水中随着传播距离的增大变得极其微弱［1－2］。理论研究和实验数据发现，在1～2倍船长附近，极低频电场的幅值只有μV·m－1到mV·m－1的量级［3］。对于实现基于电场的水下目标探测系统而言，研制低噪声的船舶电场测量系统是首先必须解决的问题，其中涉及的关键技术之一就是低噪声电场传感器技术。因此，研究电场传感器的性能对于水下目标的探测具有极其重要的意义。

目前，国外在这方面处于领先优势。文献［3］在比较了各种电极性能之后，指出银－氯化银作为电场传感器的优势，并重点推荐了Ultra utilises特别开发的银－氯化银电极。英国海军设计并已经装备的电场测量系统在采用了的银－氯化银电极和极低噪声的配套测量系统后，使得测量系统达到了nV/m量级的高测量精度。但是国内外对于银－氯化银低噪声电场传感器性能的研究仅在文献中有零星提及，并未进行系统研究和报道。

本文通过实验，测量了以银－氯化银电极为核心的电场传感器系统的自噪声和电极极差电位。

1 实验系统

1.1 实验硬件系统

实验硬件系统由电导率仪、电磁屏蔽筒和测量系统组成。测量系统结构框图如图1所示。

图1 测量系统结构框图Fig.1 Block diagram of measurement system

其中，电极对为银－氯化银电极；前置放大器采用了日本NF株式会社生产的SA－200F3超低噪声前置放大器，它是以测量微弱信号为目标而设计的低噪声前置放大器，固定放大倍数为100，频带范围为0～800kHz，差分/单极接地，1～10Hz频段的输入电压噪声小于10nV2·Hz－1；信号调理电路由滤波电路、二次放大电路等几部分组成。前置放大后的信号通过带通滤波器进行滤波，滤波器由8阶有源低通滤波器（截止频率为10Hz）和2阶有源高通滤波器（截止频率为1Hz）组成，各级均采用巴特沃兹结构设计。经带通滤波后的信号经过二次放大电路，放大倍数可调。在放大器的差分输入端增加了防射频（RFI）滤波电路，以防止电极信号经长距离电缆（10～20m）传输后而导致的信号失真。A/D转换采用凌华采集卡DAQ2010，它是一款功能强大的高分辨率多功能数据采集卡，可以提供8路单端模拟量输入和4路差分模拟量输入，高达2MHz同步采样率，14位A/D分辨率。

1.2 数据采集与控制系统

数据采集与处理控制软件采用LABVIEW联合编写。通过对话框能很方便地设定采样频率和采样点数，控制A/D转换的起止，并能将采集到的数据存贮到指定路径的指定文件中。该程序还能实时显示所采集数据的波形图，并能通过Matlab引擎调用Matlab工具箱对采集到的数据进行功率谱分析，最后生成噪声谱密度图。

2 银－氯化银传感器的性能

2.1 信号调理电路自噪声测量

为了检验测量电路的噪声性能，将所研制的测量系统放置到磁屏蔽筒中，差分输入端短路，并将其与测量系统的地线连接，系统采样频率为1 000Hz，得到的噪声功率谱曲线图如图2所示。从图2中可发现，测量系统在1～10Hz频段内的自噪声小于10nV2·Hz－1。

图2 信号调理电路自噪声功率谱Fig.2 Self－noise spectrum of signal conditioning circuit

2.2 电极对自噪声测量

将电极对固定好放入配置海水中，配置海水的电导率为4S/m。考虑用于海上实验的长距离电缆（20m）可能对传感器系统自噪声产生影响，分别测试了电极对接短导线和接20m同轴电缆两组情况下的系统自噪声。实验结果如图3、图4所示。

图3 没有接入同轴电缆的系统自噪声功率谱Fig.3 Self－noise spectrum of the system without coaxial cable

图4 接入同轴电缆的系统自噪功率谱Fig.4 Self－noise spectrum of the system with coaxial cable

电极在海水中测量电场信号时，海水与电极之间会存在相对运动。为了减少海水流动对电极的干扰以及防止电极受污染，实验中给电极安装了一个多孔塑料套筒。为了检验封装是否给电极自噪声带来大的影响以及封装的有效性，分别测试了电极在有封装和无封装两种情况下的自噪声情况，实验结果如图5、图6所示。

图5 无封装银－氯化银电极自噪声功率谱Fig.5 Self－noise spectrum of Ag/AgCl without package

图6 带封装银－氯化银电极自噪声功率谱Fig.6 Self－noise spectrum of Ag/AgCl with package

由图3、图4可知，电极对接入长导线后系统自噪声幅值会变大，但是影响不是很大。在10Hz以下频带内，电极的噪声电压均方根与系统噪声同一级别，均能达到nV级。由图5、图6发现，封装后的电极自噪声相对于没有封装的电极而言，噪声功率谱密度大小基本不受影响。

2.3 电极极差测量

考虑到用于海上实验的同轴电缆的加入可能对电极极差产生影响，分别测量了同一对银－氯化银电极接同轴电缆前后电极极差电位在24h之内的变化情况，如图7、图8所示。

图7 短导线极差电位Fig.7 The potential difference of short stainless wire

图8 同轴电缆极差电位Fig.8 The potential difference of long coaxial cable

由图中可以看出，电极电位在很短的时间内即达到稳定状态，稳定后的极差电位维持在1mV左右，且24h电位差变化稳定在0.01mV以内。对比图7和图8，可以看出同轴电缆的加入对银－氯化银电极对极差电位并没有造成影响。

3 结果分析与试验验证

分析自噪声图形谱线趋势认为，在1～10Hz频段内，自噪声随着频率f的增加而噪声减小，电极对噪声基本表现为f－1噪声。而10Hz以后的系统自噪声曲线逐渐趋于水平，主要表现为电极热噪声，而在50Hz及其倍频处的系统噪声水平比较高，其主要来源为系统的工频干扰。系统自噪声量级完全满足实际海洋微弱极低频电场探测的需要。

极差电位主要是由两个不同电极反应活性面面积不同引起的，反应活性面积的较大差距导致了极差电位不能控制在指定的范围内。由电极工作原理，电极在海水中存在两个相界面，即Ag｜AgCl｜Cl－，电极表面的Ag和AgCl分别作为阳极和阴极参与反应过程并趋于平衡，电极反应可表示为［6－7］：

由于AgCl是一种难溶的盐，因此，还存在下列化学平衡：

当电场信号引发的微量电流通过阴极界面时，上述平衡会出现偏离，氯离子浓度控制度的双电层遭受破坏，双电层会重新建立平衡，从而引发电极极差。实验测量的电极极差值是电极对间固有极差与环境电场引起极差的叠加。稳定后的极差电位维持在1mV左右，24h电位差变化稳定在0.01mV以内，满足微弱极低频电场探测的需要。

本文研究银－氯化银电极的各项性能，最终目的是将其应用于船舶极低频电磁场的探测。因此，为了验证该电极可以用作船舶探测系统的电场传感器，利用该传感器组成的系统在水池内对船模的轴频电场信号进行了测量。

在长、宽、深分别为8m，5m，1.5m的无磁性实验水池中，灌有由工业盐调制的人造海水，水深0.5m。船模的长、宽分别为100cm和15cm。船壳的材料为普通钢板，为了增大流过船模轴系的电流，船壳外面镀了一层厚度为2mm的锌。螺旋桨由黄铜制成，转速约为2.78r/s。实验中采用三轴测量系统，3个正交方向测量电极对（1－2、1－3和1－4）之间的距离为10cm，其中电极4距离水面高度为5cm，电极1、2、3和5距水面高度为40cm，电极对（1－5）之间的距离为100cm。为了减少外界环境电磁噪声的干扰，利用同轴电缆连接银－氯化银电极和采集系统，系统采样频率为40Hz。将船模放置在由电机拖动前进的支架上，船模吃水水深为6cm，运动速度为4cm/s，测量电极支架放置在距船首前方2m处，电极架固定不动，x、y和z方向分别为船模的纵向、横向和垂直方向。船模通过铝制金属架固定在水池中，金属架通过两侧导轨和伺服电机拖动船模在水池中运动。水池中船模和测量电极布放俯视示意图如图9所示。试验结果如图10所示。

图9 水池中船模和测量电极布放俯视示意图Fig.9 The sketch map of boat and cathode

图10 正横距为50cm时的轴频电场信号Fig.10 The magnitude of shaft－rate with distance of 50cm

x、y和z方向的电场信号幅值分别为0.13mV/m、0.18mV/m和0.06mV/m。可以看到，电极对成功感应到微弱极低频电场信号。

4 结论

本文通过实验研究了银－氯化银电极自噪声、电极间极差电位及对微弱电场信号的响应性能。测试结果表明：所采用的这对银－氯化银电极具有良好的短期稳定性，电极电位漂移在1mV/24h左右，而且低频电压噪声幅值极低，电压噪声密度低至与环境噪声同一量级，电极极差不大于1mV。良好的性能保证了电极对成功的响应微弱低频信号。结果分析与验证试验表明：银－氯化银电极基本满足船舶电场探测系统的传感器的要求。

［1］Applied Physics Laboratory，University of Washington.Electrode and electric field sensor evaluation［R］.San Die go：SPAWAR Systems Center，2001.

［2］李松，李俊，龚沈光.电场传感器类型的选择［J］.水雷战与舰船防护，2008，16（1）：72－76.LI Song，LI Jun，GONG Shenguang.The choice of sensor type for electric field measurement applications［J］.Mine Warfare and Ship Self－defence，2008，16（1）：72－76.

［3］Davidson S J，Rawlins P G.A multi influence range［C］//In：C Martin，Undersea Defence Technology.Amsterdam，1999：169－171.

［4］Certenais J，Perious J J.Electromagnetic measurements at sea［C］//In：Clarke T，Undersea Defence Technology.Hamburg，1997：433.

［5］张翼，曹全喜.海洋电极电化学噪声原理及工艺探讨［J］.电子科技，2009，22（4）：66－68.ZHANG Yi，CAO Quanxi.Theory and technology of electrochemical noise of the marine electrode［J］.Electronic Science and Technology，2009，22（4）：66－68.

［6］胡鹏，谭浩，龚沈光.Ag/AgCl电极自噪声的测定［J］.海军工程大学学报，2011，23（2）：68－71.HU Peng，TAN Hao，GONG Shenguang.Measurement of Ag/AgCl electrode’s self－noise［J］.2011，23（2）：68－71.

［7］谭浩，胡鹏，龚沈光.不同电导率对全固态Ag/AgCl电极自噪声影响的实验研究［J］.探测与控制学报，2010，32（5）：65－68.TAN Hao，HU Peng，GONG Shenguang.Study on experimental of the noise of AgCl all－solid－state electrodes influenced by different conductivity［J］.Journal of Detection＆ Control，2010，32（5）：65－68.