本發(fā)明涉及海洋用電場監(jiān)測領(lǐng)域的一種電場傳感器結(jié)構(gòu)，具體涉及一種監(jiān)測海洋電場的碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，在海洋開發(fā)利用過程中，電場信號的測量越來越得到廣大科學(xué)家的青睞。在艦船的物理電場和海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測中電場信號都得到了應(yīng)用。

由于艦船大多為不同金屬結(jié)構(gòu)組成，不同類型的金屬會產(chǎn)生不同的腐蝕電位，當(dāng)兩種不同金屬靠在一起浸泡在海水中時，就會形成腐蝕回路，產(chǎn)生腐蝕電流。另外，為了艦船防腐，需人工施加陰極保護電流。這些電流最終會由于海水的作用流向螺旋槳，再從螺旋槳返回到艦船殼體，形成回路，由于螺旋槳的運轉(zhuǎn)，引起回路中電阻的周期性變化，從而在海水中形成交變電場信號。另外，海底中不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)對電場信號有不同的電場響應(yīng)。依照此原理，主動向海底發(fā)射一種已知電場信號，觀察其反射后電場信號的變化規(guī)律，即可分析出海底的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。但是電場信號在海水中衰減很快，且較多以低頻為主，對其電場信號的檢測需要較為靈敏、穩(wěn)定性好的電場傳感器。

目前用于電場監(jiān)測的傳感器種類主要有：銅/硫酸銅電場傳感器、鉛/氯化鉛電場傳感器、銀/氯化銀電場傳感器等。這三種電場傳感器的原理相同，主要是依靠不同的可逆化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)周圍的電場信號發(fā)生變化時，可逆反應(yīng)中的帶電離子受到電場的作用會發(fā)生移動，導(dǎo)致可逆反應(yīng)被打破，從而造成電場傳感器電勢發(fā)生變化。通過監(jiān)測這種電場傳感器電勢的變化就可以反推此處電場信號的變化情況。其中銅/硫酸銅電場傳感器、鉛/氯化鉛電場傳感器極差較大，主要用于陸上大地電場的檢測；銀/氯化銀電場傳感器有較好的極差穩(wěn)定性、靈敏性和低頻微弱電場響應(yīng)。由于海洋中信號微弱且以低頻信號為主，信號衰減較快，因此海洋中地層結(jié)構(gòu)的分析主要使用銀/氯化銀電場傳感器。但是銀/氯化銀電場傳感器也有較多不足之處，如使用壽命較短，維護復(fù)雜，需要將其長期放置于海水中浸泡保養(yǎng)，運輸麻煩，進入新的測試環(huán)境后需要長時間穩(wěn)定等。因此制作一種更加優(yōu)化的電場傳感器迫在眉睫。

碳纖維是一種高比表面積的碳材料，其直徑僅為7~10μm左右，因此碳纖維電場傳感器制備的最大難點為碳纖維束與導(dǎo)線之間的連接結(jié)構(gòu)。另外，碳纖維種類不同，對電場的響應(yīng)也各有差別，因此對碳纖維的表面改性處理也尤為重要。經(jīng)處理后的碳纖維電場傳感器不需要長期浸泡于海水中養(yǎng)護，可干燥放置，因此運輸保養(yǎng)方便簡捷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上問題，本發(fā)明設(shè)計了一種用于電場監(jiān)測的碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)及其制備方法，這種碳纖維電場傳感器極差較小且穩(wěn)定，使用壽命長，體積小，便于攜帶，而且頻域響應(yīng)寬，對0.001Hz~1000Hz之間的電場信號有較好響應(yīng)。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其制備方法如下：

將碳纖維束2用環(huán)氧樹脂9固定于固化腔體3底端，固定的同時，防止環(huán)氧樹脂滲漏；將微孔管10螺紋連接到固化腔體底端；固化腔體內(nèi)灌環(huán)氧樹脂，直到與其上截面持平。澆灌過程中要保證環(huán)氧樹脂將碳纖維束完全浸潤。待環(huán)氧樹脂固化后，將固化腔體上端多余碳纖維減掉，進行拋光打磨，露出碳纖維束截面；將該截面進行清洗、活化。完成后，浸泡在蒸餾水中備用。

在固化腔體上截面鍍一層金屬銀。對該截面進行預(yù)鍍鎳、預(yù)浸銀后得到一層稀薄的米黃色銀層，經(jīng)電鍍加厚之后形成光滑且均勻的銀層8。用蒸餾水清洗干凈后，放入烘箱中烘干。

將導(dǎo)線6焊接到銀層上。焊接時防止過熱，導(dǎo)致銀層脫落。銀層與導(dǎo)線之間的焊點4采用二次密封方法，即先用環(huán)氧樹脂將焊點固定密封；再用環(huán)氧樹脂，涂抹于水密罩5內(nèi)壁，將水密罩螺紋連接到固化腔體上，螺紋擰緊后，將水密接頭7安裝到水密罩上端。

將微孔管與固化腔體之間螺紋擰緊，然后添加填料11，填滿后，將多余碳纖維束剪斷，安裝底蓋1之后碳纖維電場傳感器制備完成，在底蓋上設(shè)計一個固定安裝孔12，實際使用時用于固定電場傳感器。將一對碳纖維電場傳感器浸入到天然海水中，連接實驗儀器即可對周圍環(huán)境電場進行測量。

本發(fā)明內(nèi)容中以鍍銀為例描述了其制備工藝，但是本發(fā)明并不僅限于鍍銀工藝，鍍其它金屬層的制備方法也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明涉及一種用來監(jiān)測海洋電場的碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)和制備方法。碳纖維電場傳感器成對使用，極差小且有較高的穩(wěn)定性，對外界電場變化能夠做出靈敏反應(yīng)。

2、本發(fā)明設(shè)計的碳纖維電場傳感器，頻域響應(yīng)寬，對0.001Hz~1000Hz范圍的交頻電場都有較好的響應(yīng)?？稍谄渌嗪Ｑ笱芯款I(lǐng)域得到應(yīng)用。

3、碳纖維物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此這種電場傳感器使用壽命較長。

4、本發(fā)明設(shè)計的碳纖維電場傳感器只要浸泡在海水中即可使用，取出后亦可干燥放置，不需要長期浸泡在海水中養(yǎng)護，因此儲藏、運輸過程簡單方便。

5、本發(fā)明提出了一種合理的碳纖維與導(dǎo)線之間的連接方法，即先用環(huán)氧樹脂固化碳纖維束一端，通過打磨、拋光將碳纖維截面磨平，然后經(jīng)過電化學(xué)方法或化學(xué)方法在固化腔體上截面鍍一層金屬，將導(dǎo)線焊接到金屬層上面，實現(xiàn)導(dǎo)線與碳纖維之間的連接。

6、海水中使用的電場傳感器必須有良好的水密性，碳纖維電場傳感器內(nèi)部導(dǎo)線與金屬層之間的焊點不能與海水接觸，否則會發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生腐蝕電位，影響測量結(jié)果。因此本發(fā)明中的焊點采用二次環(huán)氧密封的方法，即先將焊點用環(huán)氧樹脂固化密封，防止焊點受力脫落；然后將水密罩填充環(huán)氧樹脂螺紋連接到固化腔體上，對焊點進行二次密封，并在水密罩上端加裝水密接頭。

7、本發(fā)明中，在碳纖維周圍安裝微孔管，既可以實現(xiàn)電場傳感器內(nèi)外之間的海水交換，又可以阻止微生物在碳纖維上附著。孔徑大小還可以根據(jù)實際使用條件進行調(diào)整。

8、本發(fā)明中，在碳纖維與微孔管之間添加填料，固定碳纖維束，使其在使用過程中不會受到海流運動的影響。

9、本發(fā)明中，在碳纖維電場傳感器的底蓋部位設(shè)計加工了固定安裝孔，實際使用時用于固定傳感器。

10、碳纖維種類繁多，且對電場響應(yīng)能力各有差別，因此要對碳纖維進行表面改性處理，提高其性能，同時有利于開發(fā)系列產(chǎn)品。

附圖說明

圖1為碳纖維電場傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

其中：1、底蓋 2、碳纖維束 3、固化腔體 4、焊點 5、水密罩 6、導(dǎo)線 7、水密接頭、環(huán)氧樹脂8、金屬層 9、環(huán)氧樹脂 10、微孔管 11、填料 12、固定安裝孔

圖2為信號響應(yīng)測試結(jié)構(gòu)圖

其中：1、信號發(fā)生器 2、發(fā)射電極（正/負） 3、碳纖維電場傳感器（一對） 4、數(shù)據(jù)采集儀電壓通道 5、數(shù)據(jù)采集儀 6、天然海水 7、玻璃容器

圖3為碳纖維電場傳感器對0.01 Hz，100 mV電場信號響應(yīng)示意圖

圖4為碳纖維電場傳感器對0.001Hz，200mV電場信號響應(yīng)示意圖

圖5 為碳纖維電場傳感器對50Hz高頻電場的響應(yīng)示意圖

具體實施方式：

下面根據(jù)說明書附圖和實施例對本發(fā)明進行進一步描述，以下實施例僅用于更加清楚的說明本發(fā)明的設(shè)計方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

如圖1所示，本發(fā)明涉及了一種碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法，碳纖維束2有效長度為220mm，碳纖維束端頭用環(huán)氧樹脂9固化于固化腔體3內(nèi)部；經(jīng)拋光機打磨之后，分別用NaOH溶液、HCl溶液、蒸餾水超聲清洗；之后在固化腔體上截面鍍一層金屬銀8，將導(dǎo)線6焊接于銀層之上，后用水密罩5灌以環(huán)氧樹脂密封焊點4；將微孔管10螺紋連接到固化腔體底部，內(nèi)部碳纖維周圍用填料11固定，擰上底蓋1，碳纖維電場傳感器即制備成功。這種碳纖維電場傳感器不需要長期用海水養(yǎng)護，使用壽命長，運輸簡單，極差穩(wěn)定，對0.001Hz~1000Hz頻率范圍的電場信號有良好響應(yīng)。

實施例2

如圖1所示，本發(fā)明涉及了一種碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法，碳纖維束2有效長度為220mm，碳纖維束端頭用環(huán)氧樹脂9固化于固化腔體3內(nèi)部；經(jīng)拋光機打磨之后，分別用NaOH溶液、HCl溶液、蒸餾水超聲清洗；之后在固化腔體上截面鍍一層金屬銅8，將導(dǎo)線6焊接于銅層之上，后用水密罩5灌以環(huán)氧樹脂密封焊點4；將微孔管10螺紋連接到固化腔體底部，內(nèi)部碳纖維周圍用填料11固定，擰上底蓋1，碳纖維電場傳感器即制備成功。這種碳纖維電場傳感器不需要長期用海水養(yǎng)護，使用壽命長，運輸簡單，極差穩(wěn)定，對0.001Hz~1000Hz頻率范圍的電場信號有良好響應(yīng)。

實施例3

如圖1所示，本發(fā)明涉及了一種碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法，該電場傳感器結(jié)構(gòu)主要包括碳纖維束2、碳纖維固化腔體3、水密罩5、微孔管10、底蓋1五部分。其中碳纖維固化腔體、水密罩、底蓋為有機玻璃材料。碳纖維束一端用環(huán)氧樹脂9在固化腔體內(nèi)部固化，經(jīng)打磨處理后，在碳纖維束截面鍍一層金屬8，然后將導(dǎo)線6焊接到金屬層表面，焊點4部位通過水密罩密封，導(dǎo)線引出部位安裝水密接頭7，微孔管10通過螺紋連接于固化腔體底部，內(nèi)用填料11填充，固定碳纖維束。

實施例4

如圖1所示，本發(fā)明涉及了一種碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法，該電場傳感器結(jié)構(gòu)主要包括碳纖維束2、碳纖維固化腔體3、水密罩5、微孔管10、底蓋1五部分。其中碳纖維固化腔體、水密罩、底蓋為尼龍材料。碳纖維束一端用環(huán)氧樹脂9在固化腔體內(nèi)部固化，經(jīng)打磨處理后，在碳纖維束截面鍍一層金屬8，然后將導(dǎo)線6焊接到金屬層表面，焊點4部位通過水密罩密封，導(dǎo)線引出部位安裝水密接頭7，微孔管10通過螺紋連接于固化腔體底部，內(nèi)用填料11填充，固定碳纖維束。

實施例5

如圖1所示，本發(fā)明涉及了一種碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法，該電場傳感器結(jié)構(gòu)主要包括碳纖維束2、碳纖維固化腔體3、水密罩5、微孔管10、底蓋1五部分。其中碳纖維為黏膠基碳纖維。碳纖維束一端用環(huán)氧樹脂9在固化腔體內(nèi)部固化，經(jīng)打磨處理后，在碳纖維束截面鍍一層金屬8，然后將導(dǎo)線6焊接到金屬層表面，焊點4部位通過水密罩密封，導(dǎo)線引出部位安裝水密接頭7，微孔管10通過螺紋連接于固化腔體底部，內(nèi)用填料11填充，固定碳纖維束。

實施例6

如圖1所示，本發(fā)明涉及了一種碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法，該電場傳感器結(jié)構(gòu)主要包括碳纖維束2、碳纖維固化腔體3、水密罩5、微孔管10、底蓋1五部分。其中碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維。碳纖維束一端用環(huán)氧樹脂9在固化腔體內(nèi)部固化，經(jīng)打磨處理后，在碳纖維束截面鍍一層金屬8，然后將導(dǎo)線6焊接到金屬層表面，焊點4部位通過水密罩密封，導(dǎo)線引出部位安裝水密接頭7，微孔管10通過螺紋連接于固化腔體底部，內(nèi)用填料11填充，固定碳纖維束。

實施例7

如圖1所示，本發(fā)明涉及了一種碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法，其中碳纖維束2有效長度為220mm，碳纖維束端頭用環(huán)氧樹脂9固化于固化腔體內(nèi)部；經(jīng)拋光機打磨、清洗之后，在固化腔體上截面鍍一層金屬8，將導(dǎo)線6焊接于金屬層之上，后用水密罩5灌以環(huán)氧樹脂密封焊點4；將微孔管10螺紋連接到固化腔體3底部，內(nèi)部碳纖維束周圍用石英砂固定，防止其由于水流的影響來回擺動，對測量到的電場信號產(chǎn)生影響，增加其電化學(xué)噪聲。填滿后，將多余碳纖維束剪斷，擰上底蓋1。碳纖維電場傳感器制備完成后，將其放入天海水中浸泡。

實施例8

如圖1所示，本發(fā)明涉及了一種碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法，其中碳纖維束2有效長度為220mm，碳纖維束端頭用環(huán)氧樹脂9固化于固化腔體內(nèi)部；經(jīng)拋光機打磨、清洗之后，在固化腔體上截面鍍一層金屬8，將導(dǎo)線6焊接于金屬層之上，后用水密罩5灌以環(huán)氧樹脂密封焊點4；將微孔管10螺紋連接到固化腔體3底部，內(nèi)部碳纖維束周圍用硅藻土固定，防止其由于水流的影響來回擺動，對測量到的電場信號產(chǎn)生影響，增加其電化學(xué)噪聲。填滿后，將多余碳纖維束剪斷，擰上底蓋1。碳纖維電場傳感器制備完成后，將其放入天海水中浸泡。

實施例9

如圖1所示，本發(fā)明涉及了一種碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法，其中碳纖維束2有效長度為220mm，碳纖維束端頭用環(huán)氧樹脂9固化于固化腔體3內(nèi)部；經(jīng)拋光機打磨、清洗之后，在固化腔體上截面鍍一層金屬8，將導(dǎo)線6焊接于金屬層之上，后用水密罩5灌以環(huán)氧樹脂密封焊點4；碳纖維電場傳感器使用過程中碳纖維必須與海水接觸，而且長期使用過程中，碳纖維束會產(chǎn)生微生物附著。因此本發(fā)明中在碳纖維周圍安裝孔徑為150μm的聚乙烯微孔管10，既可以實現(xiàn)電場傳感器內(nèi)外之間的海水交換，又可以阻止微生物在碳纖維上附著。將微孔管螺紋連接到固化腔體底部，內(nèi)部碳纖維束周圍用填料11固定。這種碳纖維電場傳感器不需要長期用海水養(yǎng)護，使用壽命長，運輸簡單，極差穩(wěn)定，對1mHz頻率以上的電場信號有良好響應(yīng)。

實施例10

如圖1所示，本發(fā)明涉及了一種碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法，其中碳纖維束2有效長度為220mm，碳纖維束端頭用環(huán)氧樹脂9固化于固化腔體內(nèi)部；經(jīng)拋光機打磨、清洗之后，在固化腔體上截面鍍一層金屬8，將導(dǎo)線6焊接于金屬層之上，后用水密罩5灌以環(huán)氧樹脂密封焊點4；碳纖維電場傳感器使用過程中碳纖維必須與海水接觸，而且長期使用過程中，碳纖維束會產(chǎn)生微生物附著。因此本發(fā)明中在碳纖維周圍安裝孔徑為150μm的陶瓷微孔管10，既可以實現(xiàn)電場傳感器內(nèi)外之間的海水交換，又可以阻止微生物在碳纖維上附著。將微孔管螺紋連接到固化腔體底部，內(nèi)部碳纖維束周圍用填料11固定。這種碳纖維電場傳感器不需要長期用海水養(yǎng)護，使用壽命長，運輸簡單，極差穩(wěn)定，對0.001Hz~1000Hz頻率范圍的電場信號有良好響應(yīng)。

實施例11

如圖1所示，本發(fā)明涉及了一種碳纖維電場傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法，其中碳纖維束2有效長度為220mm，碳纖維束端頭用環(huán)氧樹脂9固化于固化腔體3內(nèi)部；經(jīng)拋光機打磨、清洗之后，在固化腔體上截面鍍一層金屬8，將導(dǎo)線6焊接于金屬層之上，后用水密罩5灌以環(huán)氧樹脂密封焊點4；碳纖維電場傳感器使用過程中碳纖維必須與海水接觸，而且長期使用過程中，碳纖維束會產(chǎn)生微生物附著。因此本發(fā)明在碳纖維周圍安裝孔徑為50μm的聚乙烯微孔管10，既可以實現(xiàn)電場傳感器內(nèi)外之間的海水交換，又可以阻止微生物在碳纖維上附著。將微孔管螺紋連接到固化腔體底部，內(nèi)部碳纖維束周圍用填料11固定。這種碳纖維電場傳感器不需要長期用海水養(yǎng)護，使用壽命長，運輸簡單，極差穩(wěn)定，對0.001Hz~1000Hz頻率范圍的電場信號有良好響應(yīng)。

實施例12

如圖2所示，將碳纖維電場傳感器3放進玻璃容器7內(nèi)部并固定，向其中加入天然海水6，使碳纖維電場傳感器完全浸入海水中；放入發(fā)射電極2，并與信號發(fā)生器1相連，用數(shù)據(jù)采集儀5的兩個電壓通道4分別記錄發(fā)射電極和碳纖維電場傳感器兩端的電壓變化。將信號發(fā)生器的輸出信號設(shè)置為：0.01Hz、100mV。數(shù)據(jù)記錄儀采集到的電壓信號如圖3所示。碳纖維電場傳感器較好的監(jiān)測到了信號發(fā)生器發(fā)射的電場信號。

實施例13

如圖2所示，將碳纖維電場傳感器3放進玻璃容器7內(nèi)部并固定，向其中加入天然海水6，使碳纖維電場傳感器完全浸入海水中；放入發(fā)射電極2，并與信號發(fā)生器1相連，用數(shù)據(jù)采集儀5的兩個電壓通道4分別記錄發(fā)射電極和碳纖維電場傳感器兩端的電壓變化。將信號發(fā)生器的輸出信號設(shè)置為：0.001Hz、200mV。數(shù)據(jù)記錄儀采集到的電壓信號如圖4所示。碳纖維電場傳感器較好的監(jiān)測到了信號發(fā)生器發(fā)射的電場信號，但是在其波峰位置略有瑕疵。

實施例14

在長方體試驗水槽中進行頻率響應(yīng)測試。水槽用一對板狀電極作為發(fā)射電極分別固定在水池兩個斷面上，浸入氯化鈉溶液中，發(fā)射電極通過導(dǎo)線與高精度穩(wěn)流電源相連。碳纖維電場傳感器布置于水池中央?yún)^(qū)域，極距為0.5m，傳感器通過導(dǎo)線與多通道數(shù)據(jù)采集器相連。電場傳感器在水池中的氯化鈉溶液中浸泡一定時間，待測量電極穩(wěn)定后，穩(wěn)流電源輸出一定幅度電流，通過發(fā)射電極在溶液中激勵一交變電場，頻率為50Hz條件下碳纖維電場傳感器的響應(yīng)情況如圖5所示。

實施例15

將碳纖維電場傳感器，放入盛有氯化鈉溶液的塑料容器中。將電場傳感器與低噪聲放大器和數(shù)據(jù)采集器相連并放入屏蔽室內(nèi)。當(dāng)電場傳感器浸泡24h后，采集儀開始測量一對電場傳感器的開路電壓，采樣頻率為2kHz，測量范圍為-10mV～+10mV。最后對信號進行功率譜分析，得到測量電場傳感器與測量系統(tǒng)總噪聲，減去測量系統(tǒng)固有噪聲，可求出此電場傳感器在1Hz頻點功率譜均方根噪聲。經(jīng)計算，自噪聲數(shù)值分布于1.5~3.5 之間。