海洋论坛▏海洋电场传感器综述 - 海底地质探测装备选择

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海洋占地球总面积的70%以上，蕴藏着可供人类持续发展的宝贵资源财富，也是各国推动经济可持续发展、参与国际化竞争的战略要地。强大的科学技术是建设海洋强国的先决条件。在海洋科技中，海洋传感与环境检测技术在保护海洋生态环境、维护国家海洋主权、开发海洋资源和发展海洋经济等诸多领域都发挥着至关重要的作用，是世界各国在海洋竞争中重点发展的研究方向。

海洋中的低频电场通常携带着关于海洋本身及水下目标的信息，是极其重要的信息载体。海洋电场是除了水压场和声场之外又一重要的海洋物理场特征。海洋中的舰艇等目标产生的电场，在海水中具有良好的传播特性和识别特性。因此，海洋电场检测在舰船非声定位中具有独特优势，可以被用于水雷引信、目标入侵防御警戒和航空探测等，是一项近年来海洋军事研究领域的热点技术（见图1）。海洋电场传感器作为海洋电磁法的关键器件在海底资源勘探领域也发挥了重要作用。由于海底下方存在不同介质层，两相界面处的电性差异为海洋电磁法的应用提供了电性依据，有助于对海底储层物性信息的准确获取。该原理同样被用于探索海底构造地质结构；此外，海洋电场检测技术在基础研究和经济领域也有广阔的应用前景，可以用于研究海水流动规律、绘制海床地质结构等。

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图1 海洋电场传感装置用于水下目标定位及海底资源勘探两种不同场景示意图

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一、电场传感器介绍

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海洋电场检测的设备通常由传感电极、低噪声放大电路、数据采集和存储电路等模块构成。在海洋电场检测过程中，多个传感电极被置于海水中的不同位置。当有外加电场时，不同电极间产生电位差，相应的电磁信号经过信号放大和降噪处理后以数字方式输出至采集装置。电磁波在海水介质中传播时产生的传导电流会使其自身能量急剧衰减，而且频率愈高衰减愈快。因此，能够远距离检测的海洋电场信号以低频和极低频（1～7Hz）为主，强度一般只有微伏每米（μV/m）级别，且海洋电场测量周期较长，传感电极需长期耐受苛刻的测量环境。传感电极是系统的关键元件，其性能的优劣直接影响到测量结果的精度和稳定性；兼具有自噪声低、灵敏度高和长期稳定性好等特性的传感电极是实现海洋电场检测装备的基础和前提。

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二、海洋传感器电极的国内外发展现状

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出于军事应用方面的需求，国外早在第二次世界大战期间就开始探索海洋电场检测技术。20世纪50年代，苏联开发出了电场引信锚雷；60年代，美国和苏联相继开发出了利用冰山布置的电场探测电极和电磁封海控制系统；70年代末期，美国通过测量舰艇轴频电场开发出水上目标探测系统；80年代，美国和苏联相继将电场探测技术用于对舰艇的追踪探测；到90年代，美国把电场探测技术列为优先发展技术作为对声探测的补充。而在海底资源勘探方面，最早于20世纪50年代法国和苏联的科学家提出了海洋电磁法的理念；然后美国加州大学圣地亚哥分校的斯克里普斯海洋研究所的科学家借助海洋大地电磁法，成功进行了对海底特殊地形扩张运动的电性探测；之后Constable等进行了新一代海底大地电磁仪的研究，通过引入Ag/AgCl海洋低噪声传感器、低噪声放大器等显著降低了仪器噪声及功耗并成功将其用于海底资源勘探。经过各国科学家们多年努力，研究人员形成了一套较为完善的地球物理方法。

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进入21世纪，德国、西班牙、意大利、日本等国相继在电场探测领域投入研究，至今已经形成较为成熟的测试系统，实现了多种海洋电场检测装置的商业化。如表1所示，国外商用水下电场探测器的制造商主要有美国ISL公司、英国Ultra-PMES公司、瑞典的PolyampAB公司和西班牙SAES公司等，如：英国Ultra-PMES公司制备的Ag/AgCl电极灵敏度＜2.5nV/m@1Hz，测量频率范围为直流～3kHz，自噪声＜0.5nV/∨Hz@1Hz；瑞典的PolyampAB公司所生产的碳纤维电极灵敏度＜3nV/m@1Hz，测量频率范围为0.003～1100Hz，自噪声为1nV/∨Hz@1Hz左右。近期韩国国防发展局的海洋技术团队也研制出了自噪声为3.7nV/∨Hz@1Hz、灵敏度＜1μV/m@1Hz的Ag/AgCl电极。由于海洋电场检测在探潜反潜等军事领域的重要用途，所以从国外公开渠道获得的关于海洋传感电极的制备技术和传感机理的报道很少。

表1 国外典型商用海洋电场电极性能参数

近20年来，国内多个课题组围绕海洋传感电极的制备和应用领域展开了大量研究，并取得了重要进展，如表2所示。邓明等采用粉压法制备了全固态Ag/AgCl电极，并分别在室内模拟环境和实际海洋环境对封装的电极进行测试，证实了其实用性。随后，该课题组又利用电解法制备了Ag/AgCl电极，搭配其自制的斩波放大器可以使电极自噪声降低，数值小于1nV/∨Hz@1Hz。曹全喜等把冷冻干燥法制备的AgCl与Ag颗粒，进一步混合烧结得到了多孔Ag/AgCl电极，测试结果表明其交换电流密度达到85.51mA/cm2，电位漂移低至0.030μV/24h，自噪声也降低到了1.74nV/∨Hz@1Hz。该工作表明电极中的孔结构可以有效增加电化学活性面积，从而降低电极的自噪声，提高电极的稳定性。

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表2 国内各研究单位研制的海洋电场电极的性能参数

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董浩斌等采用聚乙烯醇为造孔剂，结合球磨烧结工艺制备了多孔Ag/AgCl电极，自噪声为1.57nV/∨Hz@1Hz，电极对的自电位差＜35μV；使用180d后，电位差漂移仅15μV/24h。杨大鹏课题组采用电喷雾法制备了Ag/AgCl电极，该方法制备的电极中AgCl颗粒尺寸小且均匀，而且AgCl层具有高比面积的多孔结构；所获得的Ag/AgCl电极阻抗仅为7.9Ω，电压漂移＜1.2μV/24h，电极的自噪声为2.48nV/∨Hz@1Hz。宋玉苏课题组通过引入石墨烯增加了Ag/AgCl电极的孔隙率，得到了自噪声＜3nV/∨Hz@1Hz的Ag/AgCl电极。随后，该组利用碳纤维制成自噪声＜1nV/∨Hz@1Hz的碳纤维电极，通过热处理提高碳纤维表面基团含量，得到了交换电流密度达到1.81×10-2mA/cm2的改性碳纤维电极。付玉彬课题组以泡沫碳作为模板也获得了多孔Ag/AgCl电极，其电位差漂移＜0.02mV/24h且自噪声水平只有1.6nV/∨Hz@1Hz，进一步验证了孔结构对电极稳定性的促进作用。随后该组采用电化学氧化法通过提升表面粗糙度和润湿度改善其电化学性能制备了一种自噪声＜1.07nV/∨Hz@1Hz的新型聚丙烯腈碳纤维电场电极，接着通过水合肼掺氮改性得到电压漂移＜0.07μV/24h的水合肼掺氮改性碳纤维电极。近期，该组利用氨基酸等含氧含氮官能团为载体在碳纤维表面接枝一层分子膜，制备了一种新型的氨基酸改性碳纤维电极，该电极阻抗仅为6.2Ω，自噪声达到了3.96nV/∨Hz@1Hz的低噪水平。

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除了常见的Ag/AgCl电极与碳纤维电极外，部分研究团队研究了一些其他材料的海洋电极如表2所示。徐建梅团队通过在碳纤维上电镀银纳米线研制出交流阻抗仅为1.42Ω、自噪声为1.38nV/∨Hz@1Hz的新型电极；最近该团队又采用醇热法基于碳纤维制备了柔性银纳米线（Ag-AgNWs-CF）电极，其自噪声极小，为1.03nV/∨Hz@1Hz，电势差漂移为67.22μV/24h。方广有团队提出一种钽电极电场传感器，通过将钽粉压制、烧结并进行阳极氧化制成，该方法成本低廉。中国地质大学（北京）和美国普渡大学的研究团队分别进行了镍酸钐（SmNiO3）电极电场传感器的研究工作；这种材料具有特殊的电磁性能和化学性能，能够在海水中长期稳定工作。美国加州大学圣地亚哥分校的斯克里普斯海洋研究所进行了Ti电极的研制工作，通过在钛板表面涂上氧化钛，利用其电容电荷耦合原理达到电场检测的目的；此方法具有长极距条件下低噪声的优势，也更加易于保存。

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三、电极传感机制

如前所述，传感电极是海洋电场检测设备中的核心部件，其性能很大程度上决定了海洋电场检测的准确性和稳定性。常用的传感电极有银/氯化银（Ag/AgCl）和碳纤维两类，如图2所示。

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图2 常见的AgCl电极和碳纤维电极光学照片

⒈Ag/AgCl电极

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Ag/AgCl电极属于金属/金属难溶盐电极，通常和含有Cl-可溶性盐溶液组成体系。Ag/AgCl电极是不极化电极，具有电势稳定、低噪声和低漂移的特性，能测量到nV/m级别的信号，商业应用更为广泛。作为目前海洋电场检测设备中最常用的传感电极，Ag/AgCl电极的可逆反应包括如下两个平衡关系：

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AgCl←→Ag+＋Cl-，Ag+＋e-＝Ag，⑴

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根据Nernst方程

ψ平＝ψ0＋RTln（c0/cR）/（nF），⑵

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及AgCl的溶度积

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αAg+＝c0/cR，Ks＝αAg＋αCl-，⑶

可得到平衡状态的电极电位

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ψAg/AgCl＝ψ0Ag＋/Ag＋RTln（KθSP（AgCl）/αCl-）/（nF），⑷

其中：ψAg/AgCl为Ag/AgCl的电极电位；ψ0Ag＋/Ag为电极的标准电极电势；KθSP（AgCl）为AgCl的溶度积常数；αCl-为野电极/溶液冶界面附近Cl-的活度，认为在海底环境中温度T保持稳定。所以，在外界条件不变的情况下，电极电位主要由αCl-决定，αCl-与Cl-在电极中的扩散范围和传质速度有关，Ag/AgCl电极在海洋环境中的工作机理见图3。

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图3 Ag/AgCl电极海洋环境工作机理图

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⒉碳纤维电极

碳纤维电极属于化学惰性电极，质地均匀、皮实耐用，便于运输，寿命较长，具有优越的防污性能，便于长时间观测。同时，由于具有无需等待建立电化学平衡达到极差稳定的特点，所以碳纤维电极可以作为电场探测装备快速布置。

碳纤维电极在海水中的工作原理类似于电容器，见图4。通过表面的微孔来吸脱附海水中的带电离子、极性小分子等微粒，逐步形成稳定的双电子层，从而达到稳定的电极电位。当有电场通过时，碳纤维表面的双电子层在电场力的作用下发生粒子的迁移，从而达到新的平衡。此时的平衡电位差即是外加电场的电位。

图4 碳纤维电极海洋环境工作机理图

综上所述，目前国内科研机构研制出了低自噪声的Ag/AgCl电极和碳纤维电极，初步理清了水下电场检测电极的信号产生机理。电极噪声得到了大幅度的降低，性能也基本达到了国际先进水平；不足之处在于，当前研究还停留在实验室制备与测试阶段，真正的海洋实测研究仍然有所欠缺。

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四、电极性能评价指标

海洋传感器电极的性能指标主要包括高频阻抗、24小时极差漂移、自噪声和灵敏度。高频阻抗可以反映出电极表面电子交换的难易程度，海洋电场测量需要电极具有较好的电子交换能力；24小时极差漂移能体现出电极的稳定性和抗干扰能力，是衡量电极用于海洋电场监测可行性的重要指标；电极自噪声水平直接关系着所测量信号的还原度，过大的噪声会导致测得的信号失真，必须控制电极噪声在一个低的水平；灵敏度能够体现出电极对微弱信号的感知能力，对海洋电场来说这种微弱电场的检测是非常重要的。

⒈电极阻抗的测量

通常将待测电极置于NaCl含量与海水相同的模拟海水环境中，将待测电极作为工作电极，商用Ag/AgCl作为参比电极，铂电极作为对电极组成三电极体系，接着连接到电化学工作站，调整激励信号的频率范围为0.01～200Hz进行测量。

⒉24小时极差漂移电位的测量

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通常采用相同的两电极体系，其中一个为参考电极，连接数据采集单元或信号记录仪进行直接测量。也可以利用电化学工作站，采用三电极的体系，工作电极与参比电极均采用相同工艺制作的待测电极，对电极仍然选择铂电极，连接到电化学工作站进行长时间的电位监测，如图5（a）所示，通过得到的电位趋势曲线得出其24小时极差漂移值。

图5 电极性能测试示意图

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⒊自噪声的测量

一般采用如图5（c）所示方法，由于电极自噪声较小，大约在nV级，低于电化学工作站的检测限，所以一般会在电极输出端连接低噪声放大器，放大器一般采用闭环加运算的放大器模式使用，来实现线性度更高的增益。目前，市面上销售的运算放大器芯片，噪声一般在0.7～1nV/∨Hz@1Hz之间，同时需要考虑反馈中的电阻噪声，通常100Ω的电阻在室温下噪声为1.3nV/∨Hz@1Hz，另外需要考虑源阻（即电极自身的热噪声）和电压、能量分压效应；其次，还需注意放大电路环境噪声屏蔽，需要用特定的Mu-合金（镍-铁合金）或者一定厚度（厘米级别）的铁做屏蔽箱，来屏蔽低频电磁场（甚至地磁场），同时保证箱内的所有电路和电极都能稳定地低阻接地。直接测得的数据是连续的时域函数，通常噪声值用离散的频域函数来表示，因此需要对测得的时域函数进行傅里叶变换，得到频域函数。

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⒋电极灵敏度的检测

如图5（b）所示，通常使用信号发生器连接两块板状电极，置于容器两端产生激励信号来发射模拟电场信号；激励信号的频率为任意低频，振幅一般设置为5～10mV。将一对电极浸入模拟海水中接收模拟电场信号；另外，使用示波器连接检测电极两端来接收所测得的模拟电场信号。该板状电极一般由铂、石墨材料制成，可以降低磁场信号的干扰

五、信号调理电路

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图6所示为海洋电场传感器的信号调理电路，通常包括放大器、多路复用器、滤波器和模数转换器，最后连接到计算机控制端。

图6 传感器的信号采集系统结构图

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针对海洋电场信号低幅值、低频率和易受噪声干扰等特点，前置放大电路架构需要着重考虑电路的抗噪声能力。信号采集过程中的主要噪声来源是电路自身噪声。为了降低电路噪声，需要对整体电路进行低噪声设计。市场上目前自噪声最低的超低噪声放大器的自噪声水平接近1nV/∨Hz@1Hz，且体积小、简单易用，但大部分超低噪声放大器最佳工作频段在1kHz左右，而且在低频时1/f噪声较大、功耗较大，难以满足海洋电场的低频低噪声、低功耗的需求。斩波放大器的设计专门用于针对低频微弱信号的检测，其原理如图7所示，先将低频微弱信号调制成几kHz的高频信号，再对调制后的信号进行低噪声放大，因调制后的信号频段较高，将放大器自身1/f噪声的影响降到最低，几乎可以忽略；然后被放大的调制信号再经过解调被还原成低频信号，此时信号的信噪比得到很大的改善，因此斩波放大器可以获得良好的低频、低噪声特性。实验中可选择前置斩波放大器，尽量避免给信号带来噪声干扰。

图7 斩波放大器原理图

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针对海洋电场信号低幅值、低频率和易受噪声干扰等特点，前置放大电路架构需要着重考虑电路的抗噪声能力。信号采集过程中的主要噪声来源是电路自身噪声。为了降低电路噪声，需要对整体电路进行低噪声设计。市场上目前自噪声最低的超低噪声放大器的自噪声水平接近1nV/∨Hz@1Hz，且体积小、简单易用，但大部分超低噪声放大器最佳工作频段在1kHz左右，而且在低频时1/f噪声较大、功耗较大，难以满足海洋电场的低频低噪声、低功耗的需求。斩波放大器的设计专门用于针对低频微弱信号的检测，其原理如图7所示，先将低频微弱信号调制成几kHz的高频信号，再对调制后的信号进行低噪声放大，因调制后的信号频段较高，将放大器自身1/f噪声的影响降到最低，几乎可以忽略；然后被放大的调制信号再经过解调被还原成低频信号，此时信号的信噪比得到很大的改善，因此斩波放大器可以获得良好的低频、低噪声特性。实验中可选择前置斩波放大器，尽量避免给信号带来噪声干扰。

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海洋传感器一般包括多对电极，信号调理电路需要对多路电压信号进行采集。这就需要一个多路复用器对多组数据进行选择、组合和传输；同时也要求其具有电容特性和超低电荷注入特性，以满足低突波和快速建立时间数据采集与采样保持应用的需求。

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滤波器的作用是过滤掉一些频率来获取需要的特定频率。海洋电场具有低频的特性，通常采用低通滤波器来过滤高频信号，从而允许低频信号通过。

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经过信号调理电路的处理，得到连续的模拟信号，但计算机进行算法处理及存储的信号是离散的数字信号，因此，还需要加入一个模数转换器来完成信号的转变。

六、未来展望

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强大的海洋科学技术是建设海洋强国的基础，在保护海洋生态环境、维护国家海洋权益、开发海洋资源和发展海洋经济等诸多领域都发挥着至关重要的作用，是实施海洋强国战略、实现海洋强国奋斗目标的先决条件。

目前，国外海洋电场传感器技术的发展较为成熟，在实际测量中效果也很好。国内科研机构初步理清了水下电场检测电极的信号产生机理，研制出部分Ag/AgCl电极和碳纤维电极，并且使电极噪声大幅度降低；不足之处在于，对电极微结构与电极性能之间关系的研究有所欠缺，无法做到对电极性能的精准调控，同时大部分研究还停留在实验室制备与测试阶段，真正的海洋实测研究仍然有所欠缺，与发达国家之间存在较大差距。

未来需要从电极、电路和信号处理等多个环节进行系统研究，以获得高精度、高稳定性的海洋电场装置。其中，电极的性能决定了海洋电场传感器的总体性能水平，因此，应进一步立足于海洋传感器电极材料的研发，建立材料微纳结构和传感性能之间的关系，并通过理论计算，建立海洋电场机制模型。前端电路对传感器性能也会产生很大的影响，可以考虑采用多放大器并联模式，来减小输入等效噪声，并联多组即可产生减少一半噪声的效果。在实海测量中，还需考虑材料的抗生物附着，海洋环境中温度等因素的影响，需要对所有元件进行自适应现场标定和验证或计算补偿提高检测精度。

另外，目前国内在海洋传感器领域的研究仍然处于较为混乱的状态，各课题组自成体系，缺乏统一规范的标准。其中，对如何构建一个标准的测试环境，国内尚无明确的合理化方案。推动标准测试环境的构建，将有利于建设一个统一的评估体系，能进一步推进传感器性能的优化。水下电场特征普遍具备三维场分布，各课题组都在独立推动对轻量化立体采集技术的构建及实测数据的垂直投影计算，尚无规范化工作。未来需进一步完善海洋传感器体系的不足，我国海洋电场检测研究才能得到大的发展。

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【作者简介】文/陶登虎 沈超超 奚馨 钱良 郭小军 刘瑞丽 苏跃增，来自上海交通大学电子信息与电气工程学院。第一作者陶登虎，1998年出生，男，硕士研究生；通信作者苏跃增，1964年出生，男，研究员，博士生导师，主要研究方向为多孔碳基材料制备及其在海洋传感、能源领域的应用。本文为基金项目，国家自然科学基金面上项目（52271347）。文章来自《南通大学学报(自然科学版)》（2023年第2期），参考文章略，版权归出版单位与作者所有，用于学习与交流，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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