Ag_AgCl电极自噪声的测定

󰀁󰀁

󰀁

海军工程大学学报

JOURNALOFNAVALUNIVERSITYOFENGINEERING󰀁

󰀁󰀁󰀁

Vol.23󰀁No.2󰀁Apr.2011󰀁

DOI:10.3969/j.issn.1009-3486.2011.02.014

Ag/AgCl电极自噪声的测定

胡󰀁鹏,谭󰀁浩,龚沈光

(海军工程大学兵器工程系,武汉430033)

摘󰀁要:为了验证固态Ag/AgCl电极能否满足对微弱海洋电场信号的探测,在对Ag/AgCl电极自噪声产生机理分析的基础上,设计了Ag/AgCl电极自噪声的测量实验。通过实验,测量了不同海水电导率下一对Ag/AgCl电极的自噪声。测量结果表明:该电极能满足船舶电场的近场测量,且其自噪声随海水电导率的增大而减小,当海水电导率增大到一定程度时,该电极的自噪声变化起伏很小,可近似认为没有变化。所得结论对低噪声水下电场传感器的研制和实测水下电场数据的分析具有一定的借鉴意义。关键词:自噪声;Ag/AgCl电极;海水电导率

中图分类号:O441.5󰀁󰀁󰀁󰀁文献标志码:A󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1009-3486(2011)02-0068-04

MeasurementofAg/AgClelectrode󰀁sself-noise

HUPeng,TANHao,GONGShen-guang

(Dept.ofWeaponryEngineering,NavalUniv.ofEngineering,Wuhan430033,China)Abstract:InordertovalidatewhethertheAg/AgClelectrodecanbeusedtodetectweakoceanelec-tricsignals,ameasurementexperimentofAg/AgClelectrode󰀁sself-noisewasdesignedbasedonthea-nalysisofthereasonforAg/AgClelectrode󰀁sself-noise.ApairofAg/AgClelectrode󰀁sself-noisesindifferentseawaterconductivitieswasmeasuredinthelaboratory.Theresultsshowthattheelectrodecanbeusedtomeasuretheship󰀁snearelectricfieldanditsself-noisevariationwithseawaterconduc-tivity.Inaddition,whentheseawaterconductivityincreasestoacertainvalue,thefluctuationoftheelectrode󰀁sself-noiseissmallorapproximatelyconsideredtobezero.Theconclusiondrawnissignif-icantforthedesignofanunderwaterelectricfieldsensorwithlowself-noiseandtheanalysisofthemeasureddataoftheunderwaterelectricfield.

Keywords:self-noise;Ag/AgClelectrode;seawaterconductivity

由于海水的导电性,海洋电场信号在海水中随着传播距离的增大会变得极其微弱[1-2],因此必须开发高灵敏度、低噪声的传感器来探测这些微弱信号。

目前,国外在这方面的研究处于领先优势。文献[3]研究了Ag/AgCl、铂-铂黑、碳及锌电极的相对接收阻抗。文献[4]在比较了各种电极性能之后,指出Ag/AgCl作为电场传感器的优势,并重点推荐了UltraUtilises特别开发的Ag/AgCl电极。英国的TransmagPlus多感应场站[5]和法国的ThomsonMarconiSonarMir2000多感应场站

[5]

都使用Ag/AgCl电极作为电场传感器,其中英国海军装备的电

场测量系统采用经过特殊设计的Ag/AgCl电极和极低噪声的前置放大器,使得测量系统达到了nV/m量级的高测量精度。

文中在分析Ag/AgCl电极自噪声产生机理的基础上,通过实验室实验,测量了不同海水电导率下

收稿日期:2010-08-22;修回日期:2010-10-10。基金项目:国家部委基金资助项目(5144407105JB11)。

作者简介:胡󰀁鹏(1984-),男,博士生,主要研究方向为军用目标特性及探测,E-mail:hup220@163.com。

󰀁第2期󰀁

胡󰀁鹏等:Ag/AgCl电极自噪声的测定󰀁󰀁󰀁

󰀁69󰀁

一对自行设计的Ag/AgCl电极的自噪声,并分析了该电极自噪声随海水电导率变化的情况。

1󰀁Ag/AgCl电极自噪声的产生机理

根据电化学理论,电极和溶液接触后,电极界面反应会引起电极电位和电流的波动,这种波动即电化学噪声,也就是电极自噪声。Ag/AgCl电极表面的Ag和AgCl分别作为阳极和阴极参与化学反应并趋于化学平衡,电极反应的化学方程式为

AgCl+e󰀁Ag+Cl。

由于AgCl是一种难溶的盐,因此还存在下列化学平衡:

AgCl󰀁Ag++Cl-。

+

+

+

-

(1)(2)

󰀁󰀁当有微量电流通过阴极界面时,上述平衡出现偏离,阴极附近液层中的Ag+会沉积到阴极上,导致Ag浓度降低,如果本体溶液的Ag来不及补充上去,则阴极附近液层中的Ag浓度将低于它在本体溶液中的浓度。由于电极电位的表达式为

󰀁=󰀁-0

+

0

RT1ln,FaAg+

(3)

式中:󰀁为标准状态下银电极与氢电极作参比的电极电位;R为理想气体常数;T为环境绝对温度;F为法拉第常数;aAg+为阴极附近Ag的浓度,因此电极电位将偏离平衡值。上述过程的不断出现引发电位波动,进而引起电极电化学噪声

[6]

。

2󰀁实验系统设计

2.1󰀁实验硬件设施

实验硬件设施由电磁屏蔽桶、电导率仪和测量系统组成。电磁屏蔽桶能有效地对周边的电磁信号进行屏蔽,避免了在测量过程中周边电磁信号的干扰;电导率仪用来测量配制海水的电导率;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󰀁Blockdiagramofmeasurementsystem

图中,电极为一对Ag/AgCl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的而设计的低噪声前置放大器,放大倍数为100,频带范围为DC~800kHz,差分/单极接地,1~10Hz频段的输入电压噪声小于1nV/Hz;信号调理电路包括放大和滤波两部分,该电路分为两级,第一级放大倍数为100,第二级放大倍数为20,每一级均有一个带通滤波器,由一个二阶高通和一个八阶低通有源滤波器串联而成,其带宽为1~5Hz;A/D转换采用16位采集卡PCI-1716,它是一款功能强大的高分辨率多功能PCI数据采集卡,可以提供16路单端模拟量输入和8路差分模拟量输入,也带有2个16位D/A输出通道;计算机用于控制A/D转换以及数据采集与处理。

2.2󰀁数据采集与处理控制软件系统

数据采集与处理控制软件采用VC++与Matlab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。

󰀁70󰀁

海󰀁军󰀁工󰀁程󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第23卷󰀁

3󰀁实验测量及结果

3.1󰀁信号调理电路自噪声测量

为了测量电路噪声,把整个电路板放入电磁屏蔽桶内进行测量,将调理电路的输入端短路,使得调理电路输入端的输入信号为0,从而测量调理电路的自噪声。实验结果如图2所示。由图可知,经放大200000倍后,本实验采用的调理电路板的噪声峰峰值大约为0.08V,因而该调理电路板的噪声峰峰值大约为0.4󰀁V。

󰀁󰀁图2󰀁信号调理电路自噪声及其功率谱

󰀁󰀁Fig.2󰀁Self-noiseofsignalconditioningcircuitanditsspectrum

3.2󰀁信号调理电路功率谱特性测量

将信号调理电路放入电磁屏蔽桶中,在该电路的输入端接入峰峰值为1mV的正弦信号,并且在0~10Hz范围

内每隔0.2Hz取一个值作为输入正弦信号的频率,测量该电路在不同频率下输出信号的峰峰值,计算其放大倍数,并作出其功率谱特性图(见图3)。3.3󰀁Ag/AgCl电极自噪声测量

为了消除电极间距变化对自噪声测量的影响,将2个

图3󰀁信号调理电路功率谱

󰀁Fig.3󰀁Spectrumofsignalconditioningcircuit

Ag/AgCl电极固定放入配制海水中。

首先,配制海水的电导率为󰀁=4S/m,将测量系统放入屏蔽桶内进行测量,实验结果如图4所示。由图4可知,经过1~5Hz的滤波后,该噪声的功率谱具有与信号调理电路一致的带通特性,测量系统噪声峰峰值约为0.14/200000V=0.7󰀁V。因此,当电导率󰀁=4S/m时,所测Ag/AgCl电极的自噪声峰峰值约为0.72-0.42󰀁0.57󰀁V。

󰀁󰀁图4󰀁󰀁=4S/m时测量系统自噪声及其功率谱

󰀁󰀁Fig.4󰀁Self-noiseofmeasurementsystemanditsspectrumwhen󰀁=4S/m

其次,配制海水的电导率为󰀁=1.4S/m,将测量系统放入屏蔽桶内进行测量,实验结果如图5所

示。由图5可知,经过1~5Hz的滤波后,该噪声的功率谱仍然具有与信号调理电路一致的带通特性,且功率值增大,测量系统噪声峰峰值约为0.2/200000V=1󰀁V。因此,当电导率󰀁=1.4S/m时,所测Ag/AgCl电极的自噪声峰峰值约为1-0.4󰀁0.92󰀁V。

最后,配制海水的电导率为󰀁=4.95S/m,将测量系统放入屏蔽桶内进行测量,实验结果如图6所

22󰀁第2期󰀁

胡󰀁鹏等:Ag/AgCl电极自噪声的测定󰀁󰀁󰀁

󰀁71󰀁

示。由图6知,经过1~5Hz的滤波后,该噪声的功率谱仍具有与信号调理电路一致的带通特性,且功率值与电导率为4S/m时功率值近似相等,测量系统噪声峰峰值约为0.14/200000V=0.7󰀁V。因此,当电导率󰀁=4.9S/m时,所测Ag/AgCl电极的自噪声峰峰值约为

0.72-0.42󰀁0.57󰀁V。

󰀁󰀁图5󰀁󰀁=1.4S/m时测量系统自噪声及其功率谱

󰀁󰀁Fig.5󰀁Self-noiseofmeasurementsystemanditsspectrumwhen󰀁=1.4S/m

󰀁󰀁图6󰀁󰀁=4.9S/m时测量系统自噪声及其功率谱󰀁󰀁Fig.6󰀁Self-noiseofmeasurementsystemanditsspectrumwhen󰀁=4.9S/m

3.4󰀁实验结果分析

由图4-6可以看出:所测Ag/AgCl电极的自噪声控制在微伏的量级,因而适用于船舶电场的近场测量。另外,Ag/AgCl电极的自噪声随海水电导率的增大而减小,当海水电导率增大到一定程度时,该电极的自噪声基本维持不变。

4󰀁结束语

电极自噪声是因电极界面反应而引起的电极电位和电流的波动,它是衡量海洋环境电场探测电极灵敏度高低的重要标志。文中通过实验室实际测量了一对Ag/AgCl电极在不同海水电导率下的自噪

声,并得到了其随海水电导率变化的规律,为下一步研制低噪声水下电场传感器打下了良好的基础,同时对实测水下电场数据的分析也具有一定的借鉴意义。参考文献(References):

[1]󰀁林春生,龚沈光.舰船物理场[M].北京:兵器工业出版社,2007.

[2]󰀁AppliedPhysicsLaboratory,UniversityofWashington.ElectrodeandElectricFieldSensorEvaluation[R].San

Diego:SPAWARSystemsCenter,2001.

[3]󰀁DEARTHLC.InvestigationofElectrodeMaterialsforLowFrequencyElectricAntennasinSeaWater[R].Cal-i

fornia:NavyandMarineCorps.,1978.

[4]󰀁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.

LISong,LIJun,GONGShen-guang.Thechoiceofsensortypeforelectricfieldmeasurementapplications[J].MineWarfareandShipSelf-defence,2008,16(1):72-76.(inChinese)[5]󰀁李松.舰船电场目标特征提取与检测方法研究[D].武汉:海军工程大学,2008.

[6]󰀁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.

ZHANGYi,CAOQuan-xi.Theoryandtechnologyofelectrochemicalnoiseofthemarineelectrode[J].ElectronicScienceandTechnology,2009,22(4):66-68.