Ag/AgCl海洋电场探测电极研究进展

针对目前广泛应用于海洋电场传感器中的全固态粉压型Ag/AgCl电极对的极差稳定时间长,无法满足快速部署、实时探测这一要求,系统阐述了Ag/AgCl海洋电场探测电极的性能要求和制备工艺方法,对比了制备工艺的优缺点。综述了Ag/AgCl海洋电场探测电极的制备工艺优化以及改性方法,论述了近些年国内外关于Ag/AgCl电极改性的研究进展,并对Ag/AgCl海洋电场探测电极未来的研究与发展趋势进行了展望。

碳材料改性的Ag/AgCl海洋电场探测电极的孔隙率研究

目的制备石墨烯、活性炭及碳纤维改性Ag/AgCl海洋电场探测电极,研究改性电极的孔隙率变化及孔隙率对电极极差性能的影响。方法首先将3种碳材料与Ag粉、AgCl粉末混合,并采用粉压法将其压制烧结成电极,并对电极进行吸水率测试、孔隙率计算、极差测试以及表面形貌观察。结果经过石墨烯改性的电极性能提升最明显,吸水率可达0.026,孔隙率可达4.15%,相比于未改性的电极(吸水率0.003,孔隙率0.071%)有较大的提高,且极差减小至0.072 mV,极差稳定时间缩短至约3 h。采用超景深三维显微系统对4种电极表面形貌进行观察,石墨烯、活性炭的加入有效提高了电极表面孔的数量以及微观高度差的大小,GO-Ag/AgCl电极的表面孔洞较大且分布均匀,微观高度差达到41.27μm。结论孔隙率与电极极差、极差稳定时间有较大的相关性,在一定范围内,孔隙率越大,电极极差越稳定且越小,极差稳定时间越小,且石墨烯的引入可有效提升Ag/AgCl电极的孔隙率,对其极差性能有较大提高。

海洋电场传感器综述

海洋电场检测在水下目标定位、海底资源探测和海底构造地质结构探索等方面具有独特优势,是近年来海洋电磁场认知领域的热点技术。从海洋电场勘探或水下目标检测的核心部件——传感电极入手,首先总结了国外关于主要的两类海洋电场传感电极——Ag/AgCl和碳纤维电极的研究水平;然后,简述了国内具有代表性的科研单位和高校在这方面具有代表性的研究进展;接着,详细介绍了电极的性能评价方式、可能的传感机理,以及信号调理电路;最后,提出了现有海洋电场传感器所面临的关键问题和可能的解决建议,从电极的精准调控、机理模型、电路设计和算法补偿等多方面制备高精度、高稳定性的海洋传感器,并建立统一的评价标准,为国内海洋电场传感器从实验室走向实用化提供建议。

海洋电场传感器探测电极的研究应用

海洋电场传感器以高灵敏度、低噪声和抗高压等性能为探测复杂的海下自然环境、收集微弱的海底电场信号提供了技术支持,对于海水流动、海床地质结构、海底矿物储备资源及海洋生物等方面的研究和国家海洋资源的开发与军事发展具有重要的战略意义。海洋电场传感器逐渐发展,对传感器探测电极材料选择、低频信号灵敏度、噪声控制及响应时间、实用性等方面也提出来新要求和挑战。因此,通过创新材料和引入新方法技术、完善传感器电极的制备工艺等,提高了传感器各方面的性能,对灵敏探测海洋电场具有重要意义。

镍酸钐研究进展及其用于海洋电场传感器的可行性分析

海洋电场信号被广泛用于海底以下地质构造、水体目标探测、物理海洋和海洋物理特性分析等研究领域,收集海洋电场信号有重要的科学价值,其中海洋电场传感器是其测量媒介。近年来,钙钛矿型复合氧化物作为新型材料成为研究热点,镍酸钐是钙钛矿复合氧化物中性能比较特殊的一个,具有金属—绝缘体相变特性,在海水中稳定性强,对低频电场信号敏感度高,有望成为新型海洋电场传感器的电极材料。国内外学者对镍酸钐进行了一些研究,主要集中于镍酸钐的电学特性尤其是金属—绝缘体相变特性、光学特性及其制备流程。本文对上述研究内容进行了系统综述,并对镍酸钐用于海洋电场传感器的可行性进行了初步探讨。

Ag/AgCl和碳纤维海洋电场电极的探测特性研究

使用烧结法制备了Ag/AgCl固态不极化海洋电场电极,利用聚丙烯腈碳纤维T300制备了电容型海洋电场电极。研究了不极化电极和电容型电极探测海洋电场的原理,提出了两种电极的使用方法并研究了其探测性能。使用电化学工作站对两种电极进了循环伏安测量和电极对极差跟踪;使用低频低噪声放大器对两种电极的自噪声稳定速度和大小进行对比测量;在自制水槽中测试了两种电极在不同频率下的响应性能。试验结果表明两种电极均可测量1 m Hz以上的交变海洋电场;相比于Ag/AgCl电极,碳纤维电极具有极差小和自噪声稳定速度快的特点;稳定后两种电极的自噪声均为1 n V/√Hz@1 Hz。

海洋电场探测电极的研究概况

海洋电场探测技术的研究具有广泛的应用领域和重要的军事意义。许多国家在电场探测电极研制和测量系统开发方面的技术已经相当成熟,而我国对于相关领域的研究还处于实验阶段,电极加工工艺和性能参数的研究均落后于西方国家。针对以上情况,系统论述了近20年来国内外关于海洋电场探测电极的研究进展,涉及了电极类型选择、材料的特性、电极性能指标和检测特性等,结合笔者研究分析了海洋电场探测电极的发展趋势和进一步研究的方向。

碳纤维海洋电场电极探测机理和性能研究

基于提出的碳纤维电极对海洋电场探测机理模型,通过在信号放大器两端并联放电电阻,提高碳纤维电极对极差的稳定性,同时缩短稳定时间。建立了匀强电场,以评估不同大小的并联电阻对碳纤维电极对探测性能的影响。研究结果表明,输入电阻越小,电极对的极差越小和自噪声稳定越快;电极对极差稳定时间不大于2 h,稳定后的极差不大于0. 1 mV,自噪声水平在1 Hz下处于2～5 nV/Hz^(1/2)之间。

Ag/AgCl电极海洋电场探测机理研究

为研究Ag/AgCl电极海洋电场探测的机理,从电路角度建立了响应电场E′与发射电场E的函数关系,对自制的Ag/AgCl电极进行交流阻抗、Tafel和电极电场响应测试。结果表明:自制的Ag/AgCl电极在0.1 Hz的阻抗值大小约为10Ω,交换电流密度为1.61×10^-3 A·cm^-2,具有较好的电化学性能,且Ag/AgCl电极交换电流密度和表面积越大,探测性能越好。该测试结果与计算值能较好地吻合,验证了相关函数关系的正确性,说明基于具有稳定电位的Ag/AgCl电极探测海洋电场信号等同于测量电极对间海水的电压,从电路的角度解释了Ag/AgCl电极的海洋电场探测机理,具有一定的理论创新性。

一种新型海洋电场传感器的研究与设计

提出一种用于测量海洋电场信号的低噪声电场传感器,传感器包含一对钽电极和一块低噪声斩波放大器。钽电极通过将钽粉压制、烧结并经过阳极氧化制成。引入电化学阻抗谱以建立钽电极与海水两相界面的等效电路模型,建立斩波放大器的等效噪声电路并分析。测试结果表明,所设计的斩波放大器的等效输入电压噪声为0.42nV/√Hz,钽电极的自噪声为0.67nV/√Hz,传感器总体噪声为0.83nV/√Hz。所设计传感器可用于微弱海洋电场信号的测量。

银-氯化银传感器的海洋电场信号检测性能

国外开发和装备了以固态银-氯化银电极为核心的电场传感器,用来检测海洋船舶极低频微弱电场信号,但是国内外对于银-氯化银传感器的海洋电场信号检测性能仅在文献中有零星提及。为此通过实验研究了银-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。在海洋环境中,所选用的银-氯化银电极低频段电极自噪声性能良好,达到nV级水平,电极电位在24h内稳定在1mV左右。实验结果分析与验证试验表明:银-氯化银电极对船舶微弱低频信号响应特性良好,满足船舶海洋极低频微弱电场的探测的要求。

基于电/磁转换的海洋电场检测方法

传统的直接电测量方法受1/f噪声限制,在低频处信号与噪声发生混叠,难以实现高水平低噪声测量。该文提出一种基于电/磁转换的海洋电场低噪声检测方法,将电信号转化为磁信号,通过微机械的方法将磁信号调制到高频,有效避开低频1/f噪声影响。设计一种实现电/磁转换功能的微机械结构,利用TMR电阻构成惠斯通电桥测量磁信号,实现海洋电场的高水平低噪声检测。仿真与实验结果在1 Hz处噪声分别达到1.16 nV/(Hz)^(1/2)和1.41 nV/(Hz)^(1/2),优于传统电测量方案的噪声水平,验证该方法的有效性。

电容型海洋电场传感器的探测原理及性能研究

研究了电容型电极探测海洋电场的原理,提出降低放大电路的输入阻抗稳定碳纤维双电层的方法。利用聚丙烯腈碳纤维T300制备了电容型海洋电场电极,使用电化学工作站对电极进了循环伏安测量;使用交流法测量了电极在水槽中的阻抗;根据测量的阻抗选取在放大器输入端并联阻值分别为500Ω、1kΩ、2kΩ的电阻,研究了不同的输入阻抗对碳纤维电极在水下电场的电位稳定性、噪声稳定性和测量性能的影响。实验结果表明碳纤维T300制备的电极在水中呈现电容效应;输入阻抗越小电极电位和噪声稳定越快;稳定后电极自噪声达到1nV/√Hz@1Hz,在信号调理电路输入阻抗为500Ω的情况下,所制备的电极2h后即可达到最佳自噪声性能;电极可准确还原0.001Hz以上的海洋电场。综合而言所制备的碳纤维电极和合适的放大电路输入阻抗结合组成海洋电场传感器满足微弱海洋电场信号的测量和探测装备的快速部署。

碳酸氢钠改性Ag/AgCl海洋电场电极的研制及其性能

为提高Ag/AgCl电极性能,通过在粉压型Ag/AgCl电极中添加一定含量的碳酸氢钠(NaHCO_(3))发泡剂,利用电极在高温烧结成型过程中NaHCO_(3)会发生分解反应产生CO_(2)气体的性质,研制出高孔隙率的Ag/AgCl新型海洋电场电极。进一步基于综合热分析和称重法测试结果,研究NaHCO_(3)-Ag/AgCl电极的制备工艺参数,初步形成一套较完整的NaHCO_(3)-Ag/AgCl粉压型电极制备方法。NaHCO_(3)-Ag/AgCl电极的电化学性能与探测性能测试结果表明,添加NaHCO_(3)后Ag/AgCl电极的交换电流密度提高,极差稳定时间明显降低、极差变小,自噪声降低,说明所研制电极的电化学性能与探测性能较添加NaHCO_(3)之前均有所提高,相关高孔隙率海洋电场电极制备方法具有较好的可行性与应用前景。

浓硝酸氧化碳纤维制备海洋电场探测电极

通过浓硝酸氧化法制备了碳纤维海洋电场探测电极,借助SEM、FTIR和TGA研究比较了不同氧化时间对碳纤维电极的影响,对极差稳定性、线性极化性能、电化学交流阻抗性能以及自噪声性能进行了表征与评估,确定优化的工艺条件。结果表明,在110℃的条件下,氧化4 h制备的碳纤维电极的电化学性能最佳。

海洋电场传感器研究概况

阐述了海洋电场的产生机理,海洋电场传感器的探测原理,探测电极材料的选择,列举了Ag/AgCl电极、惰性电极等类型的海洋电场传感器的优缺点及其在相关重要领域的应用,并重点介绍了海洋电场传感器的研究现状。

碳纤维海洋电场电极响应特性分析

使用T700碳纤维制备了海洋电场探测电极,采用减小放大电路输入阻抗的方式提高电极的稳定性能,减少电极的稳定时间。对不同质量碳纤维电极的电化学性能和探测性能进行表征,分析影响碳纤维电极响应特性的因素。结果表明,比表面积对电极的响应性能影响较大,比表面积越大,电极的电容性能越好,在低频处的系统阻抗越小,电极响应增益越大。

实测海洋环境电场数据正态性检验

海洋环境电场信号的正态性检验问题是舰船电场探测研究领域的一个重要问题.在对各种正态性检验方法作充分讨论的基础上,文中使用Q-Q图法和Epps-Pulley法对实测的海洋环境电场数据进行了正态性检验.检验结果表明,在样本长度足够大的条件下,海洋环境电场具有良好的正态性.

海洋拖曳式水平电偶源数值模拟与电场接收机研制

海洋天然气水合物资源调查中,电磁法已成为地震勘探最有效的补充手段之一,而我国海洋水合物电磁探测中的拖曳式电场接收机此前是空白.本文从方法原理、仪器设备和海洋试验等方面,对海洋拖曳式水平电偶极偶极方法进行研讨.建立三维电阻率模型,进行数值模拟,讨论收发距、发射频率、拖曳装置离海底高度等参数与电场异常响应的关系,针对特定模型给出了最佳观测参数以指导仪器硬件设计与海洋测试.在此基础上,采用高级嵌入式计算机的智能化控制、前端低噪声斩波放大、高精度同步采集等技术,研制了由拖体、承压舱、采集电路、低噪声电场传感器等组成的海洋拖曳式水平轴向电场接收机,其系统噪声达到2 nV/（√）Hz@（1～100Hz）.将自主研制的电场接收机用于国内首次拖曳式电偶极-偶极方法的海洋试验与评估,并对海试资料进行了处理与分析.研究结果表明,所研发的仪器达到了设计指标,能够用于海洋天然气水合物调查.

海洋环境电场统计特性研究

由于海水运动十分复杂,要了解并掌握海洋环境电场特性,仅仅依靠模型计算所得结果难以与实际相符。文中以实验为基础,采用三分量水下电场测量系统对大连附近海域进行了长期的观测,通过统计得出了该区域海洋电场幅值、电场峰峰值的主要分布特征。由此可知,海洋环境电场特性虽然复杂,但也是可以获取、积累并分析的,而对海洋电场的主动观测,是认识海洋、了解海洋的重要手段。