全固态低噪声电场传感器研究

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海洋电场信号作为水下最重要的特征之一,广泛应用于海洋资源及海底地形勘探、船舶侦查、潜艇定位等领域。然而,由于海水的高导电性,海洋电场信号以低频弱信号为主。因此,电场传感器,尤其是作为传感器核心的电极,其噪声水平直接决定测量结果的准确性。本文针对海洋电场信号频率和幅值低的问题,采用电喷(electrospray)法制备了一种新型固态Ag/Ag Cl电极。电极表面的Ag Cl微粒在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)体系中生成,PVP是一种高分子聚合物,不仅可以用于形成电喷的前驱体溶液,还可以控制化学反应的速度和产物形貌,使Ag Cl粒径小且形状规则。首先,在高电压的作用下,聚合物溶液雾化喷射到用盐酸清洗过的干净银棒上。然后,通过高温煅烧去除PVP,降低电极阻抗,形成了表面多孔的电极芯。最后,设计了带有二氧化硅保护层的多孔电极壳,降低由海水流动造成的噪声,减缓Ag Cl的分解,增加电极寿命。该制备方法增加了电极反应层的比表面积,缩短了反应平衡建立的时间,降低了反应异常单元的数量,使其作为海洋电场传感器具有高稳定性和低噪声的特点。通过微观表征和电化学测试来分析传感器的性能。扫描电子显微镜(SEM)测量结果显示,Ag Cl粒径范围在1.2~1.7μm,平均粒径为1.43μm。通过测量电极的阻抗、有源响应、自噪声和稳定性来研究电极的电化学性能。电极的阻抗为7.9Ω,具有电阻特性,可以很好地接收微弱的海洋电场信号,信号失真度低。有源实验结果表明,该电极能很好地还原1Hz(10m V)的正弦电场信号。同时,电极电位漂移小于5μV/100h,自电位在-51~56μV之间,自噪声为2.48n V/√Hz@1Hz。最后,设计了斩波放大器以消除海洋电场信号的1/f噪声,并通过实验室水下实验进一步验证电极的有效性。所有实验结果表明,电极具有低自噪声的特点,能够很好响应水下低频微弱电场信号。该电极作为海洋电场传感器,对海洋资源的开发具有重要意义。
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