海洋电场传感器研究概况

陈闻博, 宋玉苏, 王烨煊

(海军工程大学 基础部,湖北 武汉 430033)

0 引 言

海洋电场是除了磁场、水压场、声场之外又一明显的海洋物理场特征[1,2]。海洋电场信号丰富,收集电场信号对于研究海水流动、海床地质结构、海底矿物质储备以及海洋生物的研究都有重要的意义。于此同时,海洋电场的研究以及传感器的开发对于水中探测器的研发有至关重要的作用[3,4]。随着海洋科学的发展,英美等西方发达国家对于海洋电场传感器的研究取得了长足的进步并形成了较为完备的评估测试体系[5]。在由于起步较晚且国外相关资料的封闭,使得我国该领域研究水平与国外有较大的差距。

目前国内外对于海洋电场传感器探测电极材料的选择一般为Ag/AgCl和惰性材料,本文分析了Ag/AgCl和惰性材料探测电极的制备方法以及优缺点,并列举了相关的应用实例。

1 海洋电场传感器概述

1.1 电场探测原理

海洋电场传感器主要包括探测电极和信号采集及处理系统两部分,探测电极性能的好坏直接决定电场测量的效果。电场探测的原理是通过测量两探测电极之间的电位差从而间接获得电场信号,信号经过信号放大器和降噪处理之后最终将电场信号传递给信号收集装置[6]。

1.2 电极材料选择

海军工程大学的宋玉苏等人[14]对海洋低频电场传感器探测电极材料的选择进行了研究,选择了铜、锌、镍、钛、铝、铂、石墨、饱和甘汞及Ag/AgCl等9种电极,通过测量直流电阻、交流阻抗和电极对漂移差并结合材料表面状况和极化过程。测试结果显示Ag/AgCl电极和石墨电极的直流电阻和交流阻抗均较小且极差漂移小,二者均适合作为海洋电场传感器探测电极。美国海军研究生学院[15]曾对海洋电场传感器的14种不同电极材料进行了研究,结果同样表明Ag/AgCl电极和石墨电极相对于其他材料的电极,有着更加优异的性能。目前国内海洋电场传感器的探测电极主要以Ag/AgCl电极和惰性电极为主。

Ag/AgCl电极与惰性电极的区别主要在于两者保持电极极差稳定的方式不同,Ag/AgCl在海洋环境中发生化学反应,即，AgCl⟺Ag++Cl-，Ag++e⟺Ag。当达到化学平衡时,电极电位达到稳定状态[16]。而惰性电极在海水中不发生化学反应,电极表现出良好的电容性能,其保持电极极差稳定的方式主要依靠海水中离子的吸脱附,当电极表面离子吸附量达到饱和时,电极极差即达到稳定状态,离子的吸附存在随机性且速度较慢,故目前的惰性材料海洋电场电极一般极差稳定时间较长。

2 海洋电场的产生机理

电场是指在一定的介质中沿着一定的方向上的电压梯度。在海洋中,海水中的电流会产生电场。因为海水中有电阻而产生电压梯度,目前所能测量到的电场频率范围从准直流电场到数千赫兹。电场海洋中的电场是有多种场源产生的,包括自然源和人造源[17,18]。

海洋电场的自然源包括：1)海水运动：海水的各种远动会产生不同振幅和频率的电场,且海洋中的湍流和内波也会产生电场；2)地球磁场变化：地球磁场由时变磁场和静磁场组成,地磁场的变化可以导致海水中产生电流进而产生电场；3)海底矿物质：海洋中含有大量矿物质,矿物质表面会发生电化学反应从而产生电场；4)地震：海洋中在地震的形成过程和地震过程中都会产生电场,然而地震所引起的电场产生机理尚未完全清楚；5)海洋生物活动：海洋生物活动是海洋电场的自然源中所引起的电场强度最低且区域性最小的。

海洋电场中的人造源主要是由人类的各项海洋活动所产生的,包括海底管道、海洋石油勘探以及海运等。譬如人类航运中所使用的舰船,舰船是携带多种技术设备和经过复杂设计的航行器,其船体和螺旋桨与海水接触,无论是静止还是运动,其所处环境均会产生电场,舰船在海洋中所引起的电场也可称为舰船电场。舰船电场主要来源于电化学腐蚀作用、舰船被动阴极保护系统、主动阴极保护系统、航行时切割磁感线和空间磁通量变化所产生。

3 研究现状

3.1 Ag/AgCl电极

目前国内外对于Ag/AgCl探测电极的制备以电解法和粉压法为主。

电解法即将一根纯银棒,经清洗、阳极氧化等多道工序后,使银棒表面形成一层AgCl沉淀,从而制备成Ag/AgCl电极[19],有研究发现通过在Ag/AgCl电极表面覆盖一层有机物有利于提高电极的稳定性。电解法制备Ag/AgCl电极成本低廉,制作工艺简单,可以快速大量制备。但由于AgCl沉淀层粘附能力差,导致电解法制备的Ag/AgCl电极无法长期保持性能稳定,无法长时间浸泡在海水之中[20]。

粉压法则是将AgCl粉体与银粉按照一定比例混合,在单轴压力下于模具内压制成形,保压脱模后烧结,制成Ag/AgCl电极。通过烧结可以使压制成形的电极中的气体加速迁移,然后排出电极体外,从而使原料粉末之间更加紧密,电极结构更加稳固,增加使用寿命并使性能长时间保持稳定[21]。海洋研究使用的海洋探测电极大多使用此方法所制备。粉压工艺中的AgCl粉体制备主要通过室温固相反应法、固相球磨法以及液相沉淀法制得。西安电子科技大学的卫云鸽等人[22]通过固相球磨法以及冷冻干燥法制备的AgCl超微粉体与纳米银粉混合制备的Ag/AgCl电极性能优良,满足海洋电场探测的需要。

海军工程大学的张坤等人通过对不同烧结温度制备的Ag/AgCl电极进行测定,发现经380 ℃阶段性保温升温方式烧结的Ag/AgCl电极有非常好的表面均匀性和电位稳定性。重庆化工学院的向斌等人[23]研究发现固相研磨法所制备的AgCl粉体效果比液相法好,且电极电位波动小,海水的相对流速对于Ag/AgCl电极稳定性不会有显著的影响。

目前国外商用水下电场探测器以Ag/AgCl探测电极为主,其主要性能指标如表1所示[24],水下电场传感器的探测频率均需要达到毫赫兹(mHz)级别,即至少可以探测准静电场。

表1 国外典型商用Ag/AgCl海洋电场电极汇总

英国Ultra-PMES电子公司设计生产的高精度Ag/AgCl电场探测电极,已经用于海洋电场探测体系之中,且可以测量纳伏/米(nV/m)量级的海洋电场信号[25]。Ultra-PMES电子公司为该电极设计了防护外罩,从而在使用过程中可以有效减少海洋生物等因素对于电极的影响,显著提高了电极的使用寿命。英国、美国以及相关国家合作开发了MUWS16海洋电场传感器,用来探测水面船只航行过程中产生的低频交变电场(ELFE)以及水下静电场(UEP)[26]。

除了英美之外,澳大利亚的DSTO组织[27]和新西兰的NZDF组织在开发水下电场传感器的过程中都选择了Ag/AgCl作为探测电极。

3.2 惰性材料电极

惰性材料在海水中不发生反应,使用寿命较长,且一般具有较大的比表面积,有效克服了Ag/AgCl电极在使用过程中与海水接触面积有限且接触阻抗值大和噪声阙值大的缺点。由于其出色的性能,是目前的科研热点并活跃于电池工业和分析检测领域。目前研究较多的惰性材料海洋电场电极主要是碳纤维电极和钽粉电极[30]。两者在制备工艺方面也不尽相同,碳纤维电极主要通过液相氧化和气相氧化等工艺处理后使用,或者使用未经处理的碳纤维材料外接电阻等方法进行使用,钽粉电极则主要通过粉压法进行制备。

瑞典的Dalberg E等人在瑞点西海岸通过进行为期10个月的海洋电场实地测量,通过对比Ag/AgCl电极和碳纤维电极,发现碳纤维电极具有更小的自噪声,但由于两组电极放置的深度和位置不同,尚不能明确判断哪一种电极的表现更优越。

瑞典的Polyamp公司研发了碳纤维电极的海洋电场传感器,具有灵敏度高、噪声低、寿命长的特点。且学者Slater M[24]在一篇综述中系统阐述了Polyamp公司的PA3001电极弥补了许多Ag/AgCl电极的缺陷,适合连续快速部署。表2为Polyamp公司和Ludwigg公司生产的碳纤维电极的主要性能参数。

表2 碳纤维海洋电场电极性能参数

4 结束语

海洋电场的探测是研究海洋不可或缺的一部分,对于海洋资源勘探、水生物研究,海军装备研究等相关领域都起着重要的作用,国外发达国家对于海洋电场传感器的研究已经十分成熟并早已应用于实测之中。我国起步较晚,尽管我国对于Ag/AgCl探测电极和惰性材料探测电极的研究取得了巨大进展并进行了一定的实海测量,但尚与相关领域发达国家有较大差距,集中体现在材料的选择、制备工艺、实海测量、评估体系研究等有所欠缺。而随着国内对于海洋研究的越加重视,海洋电场传感器的研究将成为研究热点,海洋电场探测电极的探测性能参数和表征方法及传感器的评价方法和手段将会迎来大的发展。