基于PXIe总线技术的电化学噪声测试系统设计

李焰，程洋，姚万鹏，蒋 涛

（中国石油大学（华东）材料科学与工程学院，山东青岛 266580）

0 引言

电化学噪声（Electrochemical Noise，EN）是指电化学动力系统在演变过程中，相应电学状态参量发生随机非平衡波动的现象。这种非平衡波动的现象可以提供系统的演化信息，包括从量变到质变的信息，且信息来源于腐蚀体系自身而无需外界干扰，渐渐成为检测金属腐蚀最有发展前景的方法之一［1-3］。此外，EN 测试方法可得到系统自然腐蚀过程的电流与电位信息，切实反映腐蚀状况随时间的变化，可更好地适用于实时腐蚀检测。与其他检测技术相比，有着更方便操作、测试灵敏且使用仪器的要求低等优点。因此，在腐蚀与防护等领域，EN技术的应用越来越广［4-6］。

为了提高学生应用腐蚀理论知识进行实验的技能和对腐蚀工程问题进行综合分析的能力［7-8］，需要将实际工程问题与课程教学内容相结合，将腐蚀与防护相关行业和产业中应用较多的电化学噪声技术引入到实验教学当中，提高学生的专业知识水平，培养创新能力及工程素质。本文开发了基于PXIe 总线的模块化电化学噪声测试系统，利用两款高精度的数字万用表同时采集电流噪声和电位噪声，利用PXIe总线的高通量的优势进行噪声数据的实时传输和分析，提高了电化学噪声测试的时效性和便捷性。经实验验证，该系统能准确捕捉到点蚀信号的萌生和发展，操作方便，界面简洁，可作为实验教学、课程设计和毕业设计的实践教学和科研设备。

1 测试系统工作原理

1.1 电化学噪声测试原理

EN测量的电极系统一般采用三电极系统，按电极材料可分为：①由3 个同种材料的电极组成（3 个电极分别作为工作电极、对电极、参比电极）；②由两个同种材料的工作电极（WE）和参比电极（RE）组成；③由工作电极（WE）、对电极（CE）和参比电极（RE）组成。按照测试模式，EN 测量可分为零阻电流（ZRA）模式和恒电位模式：ZRA 模式基本原理是利用运算放大器构成零阻电流计，可同时测得电位噪声和电流噪声；恒电位模式可使工作电极和参比电极之间的电位恒定，因此只能测得腐蚀电位下的电流噪声［9-11］。本文所用EN测试的电极系统如图1 所示。

图1 EN测试的电极系统示意图

1.2 PXIe总线技术特点

总线是各种信号线的集合，是计算机部件之间数据、地址、控制信息传输的公共通道［12］。PXI（PCI Extensions for Instrumentation）总线于1997 年发布，是一种新的模块化仪器自动测试平台。这种新型的自动测试平台很好地综合了台式PC 的优势和PCI 总线的优点，既面向仪器市场又保证了高的性价比，渐渐发展成为一种主导的虚拟仪器测试平台。PXI Express 总线则是与高带宽融合的新型技术，在PXI 的基础上更进一步，为测试测量行业开发了更多更新的应用发展空间。PXI总线的优异特点被PXIe 总线规范所保存，在此基础上还增加了触发总线、10 MHz 专用系统时钟、槽间局部总线、星型触发等，使得高精度、高采样率、高传输速度的测试平台可通过PXIe 技术轻松搭建［13］。

基于以上优点，利用PXIe 总线技术高通量、模块化、扩展性好、稳定性强的特点，根据电化学噪声测试原理设计测试系统，保证电流噪声和电位噪声的同步性和实时性，提高系统的安全性和测试速度。

2 电化学噪声测试系统开发

2.1 硬件系统

测试系统的硬件部分遵循通用化、标准化、模块化的设计原则，采用PXIe数字万用表板卡搭建信号采集模块，利用信号传输模块实现PXIe 机箱与PC 系统之间的数据传输，从而对采集的噪声信号进行分析、显示及存储。

（1）噪声采集模块。对于电化学噪声测试而言，电位噪声一般在mV级，较多数的电压采集设备均可满足需求；而电流噪声在nA～μA级别，需要的采集精度更好，需要选择高精度的测量模块进行电流采集［14］。

本系统采用NI 公司的数字万用表PXIe-4081 板卡采集电流噪声信号，采用PXIe-4080 板卡采集电位噪声信号。PXIe-4081 板卡最高精度可达7 位半，是目前最精准的数字万用表，可提供高分辨率数字万用表和数字化仪两种常用的测量功能。作为数字万用表使用时，PXIe-4081 可以测得准确的交直流电流，最小量程为1 μA，分辨率可达0.1PA。而PXIe-4080 是一款最高精度6 位半的数字万用表，最小电压测试量程为100 mV，分辨率可达0.1 μV。两款数字万用表最高采样率均可达20KS／s的电流或电压读数速度，且可通过软件编程对测量精度、量程、读数速度进行自主设定。

（2）PXIe机箱。PXIe板卡是依照PXIe总线标准开发的模块化设备，而PXIe 总线则需要PXIe 机箱作为载体。PXIe机箱包含内部的PXIe 背板作为板卡的插槽及数据传输通道，并含有机箱电源对背板进行供电。本系统采用NI公司的PXIe-1073 机箱，该机箱可提供5 个插槽，包括3 个混合插槽和2 个独立插槽，系统带宽可达250 MB／s。机箱内部具有集成MXIExpress控制器，前面板上带有瞬时电源开关，方便操作，并可根据进气温度自动调节风扇转速，以最大限度地减少噪声。

（3）机箱控制模块。在PXIe测试平台上，需安装基于PXIe总线的控制器模块，实现对PXIe 背板及其他板卡的控制；或者利用信号传输模块，将PXIe 机箱与PC机箱连接，让用户可以使用台式电脑、服务器或工作站控制PXIe 系统。本系统采用NI 公司的PCI-8361 模块作为PXIe系统与PC系统之间的通信工具，使得普通台式电脑可以作为上位机对PXIe 系统进行控制和使用。

PCI-8361 模块使用NI-MXI-Express 接口，通过PCIe插槽实现PC端对PXIe系统的控制，使用透明软件链接不需要编程。MXI-Express 是一种对软件应用程序和驱动程序透明的高宽带串行链路，它为计算机和工作站提供了控制PXIe系统的能力。

2.2 系统软件

测试系统的软件采用LabVIEW 编程环境进行开发。LabVIEW是美国NI公司开发的一种图形化编辑语言，与C和BASIC类似，是一种通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库，包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等［15］。LabVIEW 采用图标代替文本行创建应用程序，通过数据流编程方式决定VI 及函数的执行顺序，可实现与NI PXIe模块化设备的完美兼容。

测试系统的软件由作者自主开发完成。软件程序根据电化学噪声信号“采集→处理→解析→显示→存储”的顺序进行数据流编写，利用PXIe 系统的数字万用表采集电流噪声和电位噪声信号，并将数据通信给上位机，通过上位机实现数据解析、终端显示和数据存储功能。

软件程序分为原始数据采集，直流漂移去除，噪声信号分析及储存三部分，程序总流程如图2 所示。

图2 电化学噪声测试系统流程

测试系统的软件界面分为3 个子程序，分别实现噪声信号采集、直流漂移去除及信号时频分析等功能，各子程序界面如图3～5 所示。

图3 噪声信号采集子程序界面

3 系统验证

通过对X80 管线钢在NaCl溶液中的点蚀行为进行电化学噪声测试，验证测试系统的可靠性。

图4 直流漂移去除子程序界面

图5 时、频分析子程序界面

3.1 实验材料

采用X80 管线钢作为实验材料，样品规格选用50 mm×5 mm×3 mm。X80 钢选取国产管线钢，X80钢主要成分（质量百分数，%）：C 0.066，Si 0.19，Mn 1.66，Nb 0.06，Ti 0.014，Mo 0.127，Al 0.047，V ＜0.01，P 0.058，S ＜0.005。

3.2 实验方法

本实验采用三电极体系进行电化学噪声测量，将同种材料和尺寸的工作电极、对电极及参比电极打磨焊接后封装进环氧树脂中，并用砂纸将工作表面打磨至2 000＃。单个电极的工作面积为1.5 cm2。

电化学测试之前先将实验电极浸泡在350 mL 的0.5 mol／L NaHCO3溶液中钝化2 h，向NaHCO3溶液中加入500 ml 的0.2 mol／L NaCl 溶液后开始测量。采样频率选择为2 Hz，连续监测24 h。为避免外界信号干扰，采用法拉第屏蔽箱对电极系统进行屏蔽［16-18］。

3.3 实验结果分析

（1）电化学噪声时域分析。X80 钢试样浸泡2 h后的电流、电位噪声峰变化不明显，总体趋向稳定，如图6（a）所示。这是由于钝化膜的存在，点蚀还没有到达稳态，未发现明显的腐蚀坑点。

图6 X80钢在0.2 mol／L NaCl+0.5 mol／LNaHCO3 溶液中浸泡不同时间的噪声曲线

试样浸泡9 h后，出现了较为明显的噪声峰且其数量也有所增加，如图6（b）所示。这是因为基体表面形成的钝化膜被破坏的次数更为频繁，所以亚稳态点蚀噪声峰的数量也随之增多，点蚀程度加剧。

试样浸泡18 h后，点蚀噪声峰值明显增大，电位噪声缓慢恢复，表明钝化膜来不及修复就被破坏，点蚀发展趋于稳态，如图6（c）所示。但电流噪声峰与电位噪声峰的发生并不同步，具体机理需要进一步的探索。此时观察电极表面可见明显的蚀点。

（2）频域分析。本实验采用功率谱密度对电化学噪声进行频域分析，纵坐标分别为功率谱密度PSD-V、PSD-I，横坐标为频率f，取对数坐标，各时间段功率密度谱如图7 所示。可以看出在不同时间段的低频白噪声均处于（-1.3～-1.4）×102区间，其中在浸泡3 h后白噪声数值达到最大为-1.3 ×102，在高频段曲线呈反复震荡递减。电流白噪声的大小可以反映材料的耐蚀性，数值越大说明其耐蚀性越差，在整个实验过程中白噪声数值到达最大值后又逐渐下降，浸泡3 h 后由于X80 钢表面钝化膜的产生，耐蚀性能最好，随着电极钝化膜的破裂，材料耐点蚀能力降低，出现明显点蚀现象。

图7 电化学噪声数据频域分析

（3）腐蚀形貌分析。经24 h腐蚀过后，根据GB／T 16545—2015 对试样表面的腐蚀产物进行清除，去除腐蚀产物前后的腐蚀试样如图8 所示。

图8 腐蚀形貌

通过蔡司显微镜观察电极表面微观腐蚀形貌，部分微观腐蚀形貌见图9。

图9 电板微观腐蚀形貌

微观腐蚀形貌结果验证了文中反映的电化学噪声信号确实为点蚀信号，表明该电化学噪声测试系统具有追踪点蚀萌生发展的能力。

4 结语

本文研制的高精度、高通量的电化学噪声测试系统将电化学噪声技术与PXIe总线技术相结合，具有扩展性好、操作合理、人际交互性能等优点，提高了电化学噪声测试设备的便捷性、稳定性和扩展性。将该测试系统应用于金属腐蚀学课程的实验教学，有助于加深学生对已掌握的专业知识的理解以及对知识的融会贯通，激发学生研究兴趣，扩大和丰富学生们的学术视野和科研思维，提高学生的自主创新和实践能力，培养学生的科研素养。

实践告诉我们，伟大事业都成于实干。新时代是奋斗者的时代。新时代是在奋斗中成就伟业，造就人才的时代。我们要激励更多科学大家、领军人才、青年才俊和创新团队勇立潮头、锐意进取，以实干创造新业绩，在推进伟大事业中实现人生价值，不断为实现中华民族伟大复兴的中国梦奠定更为坚实的基础、作出新的更大的贡献。

摘自《习近平在会见探月工程任务参研参试人员代表时讲话》