面向水下微弱电场测量的低噪声复合Ag/AgCl多孔电极制备及性能研究
【摘要】水下微弱电场探测技术可广泛用于海洋资源探测、海洋工业金属防腐保护与检测以及舰船电场探测等领域。海洋电场测量装置包括电场传感器（也称电极）和数字信号接收处理系统，其中性能优异的电极对电场的测量起着至关重要的作用。Ag/AgCl电极作为性能优异的参比电极，在科学实验和工程中应用广泛。本文以研制用于海洋微弱电场测量的低噪声复合Ag/AgCl多孔电极为研究方向，系统地研究了复合Ag/AgCl多孔电极的制备、结构和性能等，对多孔电极极化进行了理论模型建立，讨论了影响多孔电极极化性能和电压噪声的因素及其产生机理，以及与电极电势稳定性的关系，测量了电极的稳定性能并对外加电场下电极的感应进行了模拟实验。由于较差的电极电势稳定性和较高的自噪声会极大地影响电极的测量灵敏度,而电极的性能受到电极组分和结构的直接影响。本文从理论和实验的角度对电极的材料制备和结构控制做了具体研究，成果及创新点如下：首先对组成电极的前驱粉体的物化特性进行了研究优化。针对生成AgCl粉体的反应过快，易产生不均匀性分布的问题，研究改进了各种制备工艺，对获得的各种AgCl粉体的物化特性进行了分析表征，结果发现固相球磨-冷冻干燥法优于其它方法，并对该方法进行了改进优化，得到的超细AgCl粉体粒径分布最窄，约为1μm～2μm，颗粒松散，分散性最好；其次对电极的结构进行了改进。通过对电极成型工艺的探讨及电极微观结构的表征，发现复合Ag/AgCl电极结构不同于常规的膜式Ag/AgCl电极，其结构为均匀多孔结构，其结构参数与工艺条件密切相关。然后对多孔电极的极化规律进行了理论模型建立及实验验证。根据多孔电极的电化学反应历程及多孔电极的等效电路，推导了该类型多孔电极极化公式，并对多孔电极的稳态极化曲线进行了实际测量。多孔结构影响了电极交换电流密度和极化电阻的大小，从而改变了电极的极化性能和电极电势的稳定性。此外对电极的电压噪声性能进行了研究。通过对Ag/AgCl复合多孔电极的电化学反应过程的分析，讨论了电压噪声产生机理以及电压噪声与电极结构的关系，并进行了实验验证。电极的有效孔隙率和比表面积的增大可以降低电极的电压噪声水平，多孔电极局部的不均匀极化会导致电压噪声水平的增高和电极稳定性能的下降，与电极的极化程度测试结果具有一致性。另外经理论分析后优化了工艺，对制成的成品Ag/AgCl多孔电极各项性能进行了分析表征。电极交换电流密度约为85.51mA·cm-2，电压噪声密度为1.74nV/√Hz（1Hz处）；极差电位在24h内平均稳定值为-0.08mV，上下波动不超过0.028mV；浸泡76天后，极差电位基本维持在0.169mV左右，波动范围不超过和短期稳定性水平提高了一个数量级，而电压噪声水平达到了国际先进水平。最后基于虚拟仪器的思想，利用外加模拟电场建立了电场测量系统，对电极对极低频电场的感应进行了测量分析。在测量敏感频段，电极表现出良好的频响特性，可以满足在海水中的电场探测要求。
【作者】卫云鸽；
【导师】曹全喜；
【作者基本信息】西安电子科技大学，物理电子学，2014，博士
【关键词】Ag/AgCl电极；多孔结构；极化性能；电压噪声密度；外场感应；
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