熊 露，龔沈光，賈亦卓

（海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北 武漢 430033）

0 引言

電場是除聲場、磁場和水壓場之外又一明顯船舶物理場特征。由于海水導(dǎo)電性，海洋中電場信號在海水中隨著傳播距離的增大變得極其微弱［1－2］。理論研究和實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在1～2倍船長附近，極低頻電場的幅值只有μV·m－1到mV·m－1的量級［3］。對于實現(xiàn)基于電場的水下目標(biāo)探測系統(tǒng)而言，研制低噪聲的船舶電場測量系統(tǒng)是首先必須解決的問題，其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)之一就是低噪聲電場傳感器技術(shù)。因此，研究電場傳感器的性能對于水下目標(biāo)的探測具有極其重要的意義。

目前，國外在這方面處于領(lǐng)先優(yōu)勢。文獻［3］在比較了各種電極性能之后，指出銀－氯化銀作為電場傳感器的優(yōu)勢，并重點推薦了Ultra utilises特別開發(fā)的銀－氯化銀電極。英國海軍設(shè)計并已經(jīng)裝備的電場測量系統(tǒng)在采用了的銀－氯化銀電極和極低噪聲的配套測量系統(tǒng)后，使得測量系統(tǒng)達到了nV/m量級的高測量精度。但是國內(nèi)外對于銀－氯化銀低噪聲電場傳感器性能的研究僅在文獻中有零星提及，并未進行系統(tǒng)研究和報道。

本文通過實驗，測量了以銀－氯化銀電極為核心的電場傳感器系統(tǒng)的自噪聲和電極極差電位。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗硬件系統(tǒng)

實驗硬件系統(tǒng)由電導(dǎo)率儀、電磁屏蔽筒和測量系統(tǒng)組成。測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of measurement system

其中，電極對為銀－氯化銀電極；前置放大器采用了日本NF株式會社生產(chǎn)的SA－200F3超低噪聲前置放大器，它是以測量微弱信號為目標(biāo)而設(shè)計的低噪聲前置放大器，固定放大倍數(shù)為100，頻帶范圍為0～800kHz，差分/單極接地，1～10Hz頻段的輸入電壓噪聲小于10nV2·Hz－1；信號調(diào)理電路由濾波電路、二次放大電路等幾部分組成。前置放大后的信號通過帶通濾波器進行濾波，濾波器由8階有源低通濾波器（截止頻率為10Hz）和2階有源高通濾波器（截止頻率為1Hz）組成，各級均采用巴特沃茲結(jié)構(gòu)設(shè)計。經(jīng)帶通濾波后的信號經(jīng)過二次放大電路，放大倍數(shù)可調(diào)。在放大器的差分輸入端增加了防射頻（RFI）濾波電路，以防止電極信號經(jīng)長距離電纜（10～20m）傳輸后而導(dǎo)致的信號失真。A/D轉(zhuǎn)換采用凌華采集卡DAQ2010，它是一款功能強大的高分辨率多功能數(shù)據(jù)采集卡，可以提供8路單端模擬量輸入和4路差分模擬量輸入，高達2MHz同步采樣率，14位A/D分辨率。

1.2 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理控制軟件采用LABVIEW聯(lián)合編寫。通過對話框能很方便地設(shè)定采樣頻率和采樣點數(shù)，控制A/D轉(zhuǎn)換的起止，并能將采集到的數(shù)據(jù)存貯到指定路徑的指定文件中。該程序還能實時顯示所采集數(shù)據(jù)的波形圖，并能通過Matlab引擎調(diào)用Matlab工具箱對采集到的數(shù)據(jù)進行功率譜分析，最后生成噪聲譜密度圖。

2 銀－氯化銀傳感器的性能

2.1 信號調(diào)理電路自噪聲測量

為了檢驗測量電路的噪聲性能，將所研制的測量系統(tǒng)放置到磁屏蔽筒中，差分輸入端短路，并將其與測量系統(tǒng)的地線連接，系統(tǒng)采樣頻率為1 000Hz，得到的噪聲功率譜曲線圖如圖2所示。從圖2中可發(fā)現(xiàn)，測量系統(tǒng)在1～10Hz頻段內(nèi)的自噪聲小于10nV2·Hz－1。

圖2 信號調(diào)理電路自噪聲功率譜Fig.2 Self－noise spectrum of signal conditioning circuit

2.2 電極對自噪聲測量

將電極對固定好放入配置海水中，配置海水的電導(dǎo)率為4S/m。考慮用于海上實驗的長距離電纜（20m）可能對傳感器系統(tǒng)自噪聲產(chǎn)生影響，分別測試了電極對接短導(dǎo)線和接20m同軸電纜兩組情況下的系統(tǒng)自噪聲。實驗結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 沒有接入同軸電纜的系統(tǒng)自噪聲功率譜Fig.3 Self－noise spectrum of the system without coaxial cable

圖4 接入同軸電纜的系統(tǒng)自噪功率譜Fig.4 Self－noise spectrum of the system with coaxial cable

電極在海水中測量電場信號時，海水與電極之間會存在相對運動。為了減少海水流動對電極的干擾以及防止電極受污染，實驗中給電極安裝了一個多孔塑料套筒。為了檢驗封裝是否給電極自噪聲帶來大的影響以及封裝的有效性，分別測試了電極在有封裝和無封裝兩種情況下的自噪聲情況，實驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 無封裝銀－氯化銀電極自噪聲功率譜Fig.5 Self－noise spectrum of Ag/AgCl without package

圖6 帶封裝銀－氯化銀電極自噪聲功率譜Fig.6 Self－noise spectrum of Ag/AgCl with package

由圖3、圖4可知，電極對接入長導(dǎo)線后系統(tǒng)自噪聲幅值會變大，但是影響不是很大。在10Hz以下頻帶內(nèi)，電極的噪聲電壓均方根與系統(tǒng)噪聲同一級別，均能達到nV級。由圖5、圖6發(fā)現(xiàn)，封裝后的電極自噪聲相對于沒有封裝的電極而言，噪聲功率譜密度大小基本不受影響。

2.3 電極極差測量

考慮到用于海上實驗的同軸電纜的加入可能對電極極差產(chǎn)生影響，分別測量了同一對銀－氯化銀電極接同軸電纜前后電極極差電位在24h之內(nèi)的變化情況，如圖7、圖8所示。

圖7 短導(dǎo)線極差電位Fig.7 The potential difference of short stainless wire

圖8 同軸電纜極差電位Fig.8 The potential difference of long coaxial cable

由圖中可以看出，電極電位在很短的時間內(nèi)即達到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后的極差電位維持在1mV左右，且24h電位差變化穩(wěn)定在0.01mV以內(nèi)。對比圖7和圖8，可以看出同軸電纜的加入對銀－氯化銀電極對極差電位并沒有造成影響。

3 結(jié)果分析與試驗驗證

分析自噪聲圖形譜線趨勢認(rèn)為，在1～10Hz頻段內(nèi)，自噪聲隨著頻率f的增加而噪聲減小，電極對噪聲基本表現(xiàn)為f－1噪聲。而10Hz以后的系統(tǒng)自噪聲曲線逐漸趨于水平，主要表現(xiàn)為電極熱噪聲，而在50Hz及其倍頻處的系統(tǒng)噪聲水平比較高，其主要來源為系統(tǒng)的工頻干擾。系統(tǒng)自噪聲量級完全滿足實際海洋微弱極低頻電場探測的需要。

極差電位主要是由兩個不同電極反應(yīng)活性面面積不同引起的，反應(yīng)活性面積的較大差距導(dǎo)致了極差電位不能控制在指定的范圍內(nèi)。由電極工作原理，電極在海水中存在兩個相界面，即Ag｜AgCl｜Cl－，電極表面的Ag和AgCl分別作為陽極和陰極參與反應(yīng)過程并趨于平衡，電極反應(yīng)可表示為［6－7］：

由于AgCl是一種難溶的鹽，因此，還存在下列化學(xué)平衡：

當(dāng)電場信號引發(fā)的微量電流通過陰極界面時，上述平衡會出現(xiàn)偏離，氯離子濃度控制度的雙電層遭受破壞，雙電層會重新建立平衡，從而引發(fā)電極極差。實驗測量的電極極差值是電極對間固有極差與環(huán)境電場引起極差的疊加。穩(wěn)定后的極差電位維持在1mV左右，24h電位差變化穩(wěn)定在0.01mV以內(nèi)，滿足微弱極低頻電場探測的需要。

本文研究銀－氯化銀電極的各項性能，最終目的是將其應(yīng)用于船舶極低頻電磁場的探測。因此，為了驗證該電極可以用作船舶探測系統(tǒng)的電場傳感器，利用該傳感器組成的系統(tǒng)在水池內(nèi)對船模的軸頻電場信號進行了測量。

在長、寬、深分別為8m，5m，1.5m的無磁性實驗水池中，灌有由工業(yè)鹽調(diào)制的人造海水，水深0.5m。船模的長、寬分別為100cm和15cm。船殼的材料為普通鋼板，為了增大流過船模軸系的電流，船殼外面鍍了一層厚度為2mm的鋅。螺旋槳由黃銅制成，轉(zhuǎn)速約為2.78r/s。實驗中采用三軸測量系統(tǒng)，3個正交方向測量電極對（1－2、1－3和1－4）之間的距離為10cm，其中電極4距離水面高度為5cm，電極1、2、3和5距水面高度為40cm，電極對（1－5）之間的距離為100cm。為了減少外界環(huán)境電磁噪聲的干擾，利用同軸電纜連接銀－氯化銀電極和采集系統(tǒng)，系統(tǒng)采樣頻率為40Hz。將船模放置在由電機拖動前進的支架上，船模吃水水深為6cm，運動速度為4cm/s，測量電極支架放置在距船首前方2m處，電極架固定不動，x、y和z方向分別為船模的縱向、橫向和垂直方向。船模通過鋁制金屬架固定在水池中，金屬架通過兩側(cè)導(dǎo)軌和伺服電機拖動船模在水池中運動。水池中船模和測量電極布放俯視示意圖如圖9所示。試驗結(jié)果如圖10所示。

圖9 水池中船模和測量電極布放俯視示意圖Fig.9 The sketch map of boat and cathode

圖10 正橫距為50cm時的軸頻電場信號Fig.10 The magnitude of shaft－rate with distance of 50cm

x、y和z方向的電場信號幅值分別為0.13mV/m、0.18mV/m和0.06mV/m?？梢钥吹?，電極對成功感應(yīng)到微弱極低頻電場信號。

4 結(jié)論

本文通過實驗研究了銀－氯化銀電極自噪聲、電極間極差電位及對微弱電場信號的響應(yīng)性能。測試結(jié)果表明：所采用的這對銀－氯化銀電極具有良好的短期穩(wěn)定性，電極電位漂移在1mV/24h左右，而且低頻電壓噪聲幅值極低，電壓噪聲密度低至與環(huán)境噪聲同一量級，電極極差不大于1mV。良好的性能保證了電極對成功的響應(yīng)微弱低頻信號。結(jié)果分析與驗證試驗表明：銀－氯化銀電極基本滿足船舶電場探測系統(tǒng)的傳感器的要求。

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