CN113063995A - 一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器 - Google Patents

一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器。该碳基导电聚合物膜水下电场传感器由配对的两个电极构成，所述配对电极中每个电极包括：碳基材料、导电聚合物膜、微孔保护套、密封腔以及导线；所述碳基材料的一端与所述导线连接，并形成连接部；所述连接部设置所述密封腔中；所述导电聚合物膜均匀的覆盖在所述碳基材料的表面，构成碳基导电聚合物膜电极；所述碳基导电聚合物膜电极封装置所述密封腔封装以及所述微孔保护套形成的空腔内。相同电位的单个电极配对使用探测水下电场。本发明提高了水下电场传感器的灵敏度以及稳定性，降低了制备成本，能够有效的用于水下低频率微弱电场信号的测量。

Description

一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器
技术领域
本发明涉及水下电场传感器领域，特别是涉及一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器。
背景技术
海洋中不仅蕴藏着丰富的油气和矿产资源，而且还为人类提供了广阔的空间。随着人类对海洋的重视以及海洋地球科学技术的发展，人类对海底资源的开发力度不断加大，海洋电磁法也成为人类勘探和开发海底的重要手段。但由于海洋特殊的环境，海洋中的电磁场以极低频微弱信号为主。因此针对低频微弱信号制备高灵敏度、高稳定性、低噪声的水下电场传感器成为海洋电磁探测的重要研究内容之一。该电场传感器成对使用，通过配对传感器之间的电压变化探测海洋中电场变化。目前水下电场传感器电极通常分为两类，即可逆电极和惰性电极。可逆电极包括Hg/Hg2Cl2、Pb/PbCl2和Ag/AgCl电极等，这类金属难溶盐电极为不极化电极，电极电势与溶液中难溶盐阴离子间有响应关系,符合Nernst电化学方程。目前使用最多的为Ag/AgCl电极，其具有较好的稳定性、较高的精度、较低的自噪声以及良好的响应性能。但Ag/AgCl电极也存在着一些缺点，如高昂的制造成本、较短的服役寿命以及带盐水运输和储存等。
另一类是以碳纤维电极为代表的惰性电极，也包括钛、金、石墨、碳气凝胶电极等。该类电极本身不发生化学反应，主要利用表面双电层的变化将外界电场转化为电信号，通常利用电极的可极化性质，电极电位对表面电荷密度比较敏感。但是该类电极一般稳定性较差，自噪声较高，而且存在较大的低频容抗，降低灵敏度，导致电极较难探测低频微弱信号。
因此，亟需开发出一种新型水下电场传感器，在保持高灵敏度电场响应性能的同时，降低传感器的制备、储存、运输成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器，提高水下电场传感器的灵敏度以及稳定性，降低制备成本，能够有效的用于水下低频率微弱电场信号的测量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器，所述的一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器包括两个配对的电极，每个所述电极包括：碳基材料、导电聚合物膜、微孔保护套、密封腔以及导线；
所述碳基材料的一端与所述导线连接，并形成连接部；所述连接部设置所述密封腔中；
所述导电聚合物膜均匀的覆盖在所述碳基材料的表面，构成碳基导电聚合物膜电极；
所述碳基导电聚合物膜电极封装置所述密封腔封装以及所述微孔保护套形成的空腔内。
所述碳基导电聚合物膜水下电场传感器配对使用，通过测量一对碳基导电聚合物膜电极之间的感应电压反应水下电场变化。
可选的，所述碳基材料为碳棒、碳纤维、碳布、碳毡或泡沫碳。
可选的，所述碳基材料的长度为10cm～20cm。
可选的，所述碳基材料的质量为0.5g。
可选的，所述导电聚合物膜为聚吡咯、聚苯胺或聚噻吩。
可选的，还包括：利用环氧树脂将所述碳基材料的一端与所述导线的连接点密封于所述密封腔。
可选的，还包括：利用电化学聚合的方法在所述碳基材料的表面原位聚合生成所述导电聚合物膜。
可选的，所述电化学聚合的方法包括：恒电流聚合、恒电位聚合或循环伏安法聚合。
可选的，所述两个配对的电极的间距范围为10cm～100cm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器，以成本低的碳材料为导电基体材料，在其表面电化学聚合生成导电聚合物膜构成碳基导电聚合物膜电极，通过导线引出、密封、配对而制备的一种对水下电场信号具有高灵敏度响应的电场传感器。所述碳基导电聚合物膜水下电场传感器通过测量配对的电极之间的感应电压，进而将水下电场变化转变为可测量的电信号。本发明所提供的碳基导电聚合物膜水下电场传感器具有灵敏度高、稳定性好、自噪声低、性能可调控、成本低的特点，能够有效地用于海洋或河流水域中低频微弱电场信号的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器结构示意图；
图2为碳基导电聚合物膜电极备图；
图3为聚苯胺和聚吡咯水下电场传感器在过滤海水中连续记录一周的电位变化曲线示意图；
图4为电场响应测试装置图；
图5为配对后的聚吡咯和聚苯胺水下电场传感器在海水中对0.01Hz，1mV正弦电场信号的响应示意图；
图6为配对后的聚吡咯和聚苯胺水下电场传感器在海水中对0.1Hz，100mV正弦电场信号的响应示意图；
图7为配对碳基导电聚合物膜水下电场传感器与配对Ag/AgCl水下电场传感器在海水中对0.01Hz，1mV正弦电场信号的响应示意图；
图8为配对碳基导电聚合物膜水下电场传感器与配对Ag/AgCl水下电场传感器在海水中对0.1Hz，100mV正弦电场信号的响应示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种碳基导电聚合物膜4水下电场传感器，提高水下电场传感器的灵敏度以及稳定性，降低制备成本，能够有效的用于水下低频率微弱电场信号的测量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种碳基导电聚合物膜4水下电场传感器结构示意图，如图1所示，本发明所提供的一种碳基导电聚合物膜4水下电场传感器，所述的一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器包括两个配对的电极，每个所述电极包括：碳基材料3、导电聚合物膜4、微孔保护套5、密封腔6以及导线1。所述碳基材料3为碳棒、碳纤维、碳布、碳毡或泡沫碳。所述导电聚合物膜4为聚吡咯、聚苯胺或聚噻吩。
所述碳基材料3的一端与所述导线1连接，并形成连接部；所述连接部设置所述密封腔6中。所述碳基材料3的长度为10cm～20cm。所述碳基材料3的质量为0.5g(碳纤维)。具体的若该碳基材料使用碳纤维，则质量约为0.5g，若使用其他碳材料，以相同尺寸的碳棒为例，质量大于0.5g。
具体的，利用环氧树脂将所述碳基材料3的一端与所述导线1的连接点7密封于所述密封腔6。
所述导电聚合物膜4均匀的覆盖在所述碳基材料3的表面，构成碳基导电聚合物膜电极。
利用电化学聚合的方法在所述碳基材料3的表面原位聚合生成所述导电聚合物膜4。
其中，所述电化学聚合的方法包括：恒电流聚合、恒电位聚合或循环伏安法聚合。
所述碳基导电聚合物膜电极封装置所述密封腔6封装以及所述微孔保护套5形成的空腔内。
图4为本发明提供的一种碳基导电聚合物膜4水下电场传感器测量水下电场信号装置示意图。如图4所示，碳基导电聚合物膜4水下电场传感器测量水下电场信号装置包括：配对碳基导电聚合物膜水下电场传感器17，盛在容器中的过滤海水16，电场信号发射器13，发射电极15，数据采集仪14。
所述电场信号发射器13与发射电极15共同作用，用于模拟水下电场信号变化。
所述数据采集仪14用于记录配对碳基导电聚合物膜水下电场传感器17之间的感应电压。
所述配对碳基导电聚合物膜水下电场传感器17设置一定间距。
下面通过多个具体实施案例进一步说明本发明的方案。
实施例1
如图1所示，本发明设计了一种高灵敏度碳基导电聚合物膜4水下电场传感器结构：镀在碳棒表面一定面积的导电聚合物膜4为响应单元，碳棒与导线1连接，连接点7被环氧树脂密封于特制密封腔2内；微孔保护套5螺纹连接到密封腔2底部，完成导碳基电聚合物膜水下电场传感器的制备。
实施例2
如图1所示，本发明设计了一种高灵敏度碳基导电聚合物膜4水下电场传感器结构：镀在碳纤维表面一定面积的导电聚合物膜4为响应单元，碳纤维与导线1连接，连接点7被环氧树脂密封于特制密封腔2内；微孔保护套5连接到密封腔2底部，完成导碳基电聚合物膜水下电场传感器的制备。
实施例3
如图2所示，本发明制备了一种碳基导电聚合物膜电极：将密封好的碳基电极11作为工作电极构建三电极体系(饱和甘汞电极为参比电极9，铂片电极为对电极10，电解液选用0.5mol/L的HCl溶液并引入5％的苯胺单体(导电聚合物单体溶液12)。利用电化学工作站8采用恒电流聚合法，设置电流0.1A，聚合时间10min。为了保证导电聚合物膜4厚度均匀，可采用多个对电极10将工作电极均匀环绕。最后将聚合完成的电极用大量去离子水多次冲洗至溶液呈中性，烘干备用。
实施例4
如图2所示，本发明制备了一种碳基导电聚合物膜电极：将密封好的碳基电极11作为工作电极构建三电极体系(饱和甘汞电极为参比电极9，铂片电极为对电极10，电解液选用0.5mol/L的HCl溶液并引入5％的苯胺单体。利用电化学工作站8采用恒电位聚合法，设置电位0.7V，聚合电量50C。为了保证导电聚合物膜4厚度均匀，可采用多个对电极10将工作电极均匀环绕。最后将聚合完成的电极用大量去离子水多次冲洗至溶液呈中性，烘干备用。
实施例5
如图3所示，本发明制备了一种碳基导电聚合物膜电极：将密封好的碳基电极11作为工作电极构建三电极体系(饱和甘汞电极为参比电极9，铂片电极为对电极10，电解液选用0.5mol/L的HCl溶液并引入5％的苯胺单体。利用电化学工作站8采用循环伏安法聚合，设置电位0.2V～1.0V，扫速10mV/s，循环20圈。为了保证导电聚合物膜4厚度均匀，可采用多个对电极10将工作电极均匀环绕。最后将聚合完成的电极用大量去离子水多次冲洗至溶液呈中性，烘干备用。
实施例6
如图2所示，本发明制备了一种碳基导电聚合物膜电极：将密封好的碳基电极11作为工作电极构建三电极体系(饱和甘汞电极为参比电极9，铂片电极为对电极10，电解液选用0.5mol/L的HCl溶液并引入5％的吡咯单体。利用电化学工作站8采用恒电流聚合法，设置电流0.1A，聚合时间5min。为了保证导电聚合物膜4厚度均匀，可采用多个对电极10将工作电极均匀环绕。最后将聚合完成的电极用大量去离子水多次冲洗至溶液呈中性，烘干备用。
实施例7
如图2所示，本发明制备了一种碳基导电聚合物膜电极：将密封好的碳基电极11作为工作电极构建三电极体系(饱和甘汞电极为参比电极9，铂片电极为对电极10，电解液选用0.5mol/L的HCl溶液并引入5％的吡咯单体。利用电化学工作站8采用恒电位聚合法，设置电位0.8V，聚合电量50C。为了保证导电聚合物膜4厚度均匀，可采用多个对电极10将工作电极均匀环绕。最后将聚合完成的电极用大量去离子水多次冲洗至溶液呈中性，烘干备用。
实施例8
如图2所示，本发明制备了一种碳基导电聚合物膜电极：将密封好的碳基电极11作为工作电极构建三电极体系(饱和甘汞电极为参比电极9，铂片电极为对电极10，电解液选用0.5mol/L的HCl溶液并引入5％的吡咯单体。利用电化学工作站8采用循环伏安法聚合，设置电位0.4V～1.2V，扫速10mV/s，循环25圈。为了保证导电聚合物膜4厚度均匀，可采用多个对电极10将工作电极均匀环绕。最后将聚合完成的电极用大量去离子水多次冲洗至溶液呈中性，烘干备用。
实施例9
如图3所示，将单个碳基导电聚合物膜4水下电场传感器完全浸入盛有过滤海水16的容器中，使用数据采集仪14连续记录导电聚合物电极一周内的电位变化，所制备的碳基导电聚合物膜4水下电场传感器具有较好的电位稳定性(电位漂移小于90μV/24h)
实施例10
如图4和图5所示，将配对碳基导电聚合物膜水下电场传感器17(电极间距10cm)，完全浸入盛有过滤海水16的容器中，将电场信号发射器13与发射电极15相连，使用数据采集仪14记录一对碳基导电聚合物膜4水下电场传感器之间的电压信号变化；将电场信号发射器13的输出信号设置为0.01Hz，1mV的正弦电场信号。所制备的导电聚合物水下电场传感器能较好的还原电场信号发射器13所发射的低频微弱电场信号规律，具有较高灵敏度。
实施例11
如图4和图6所示，将配对碳基导电聚合物膜水下电场传感器17(电极间距10cm)，完全浸入盛有过滤海水16的容器中，将电场信号发射器13与发射电极15相连，使用数据采集仪14记录一对碳基导电聚合物膜4水下电场传感器之间的电压信号变化；将电场信号发射器13的输出信号设置为0.1Hz，100mV的正弦电场信号。所制备的碳基导电聚合物膜4水下电场传感器能较好的还原电场信号发射器13所发射的电场信号规律，具有较宽幅频范围。
实施例12
如图4和图7所示，将配对碳基导电聚合物膜水下电场传感器17(电极间距10cm)与配对Ag/AgCl水下电场传感器(电极间距10cm)，完全浸入盛有过滤海水16的容器中，将电场信号发射器13与发射电极15相连，使用数据采集仪14记录一对水下电场传感器之间的电压信号变化；将电场信号发射器13的输出信号设置为0.01Hz，1mV的正弦电场信号。在低频电场信号响应中，所制备的碳基导电聚合物膜4水下电场传感器比Ag/AgCl水下电场传感器更稳定地还原电场信号发射器13所发射的电场信号规律。
实施例13
如图4和图8所示，将配对碳基导电聚合物膜水下电场传感器17(电极间距10cm)与配对Ag/AgCl水下电场传感器(电极间距10cm)，完全浸入盛有过滤海水16的容器中，将电场信号发射器13与发射电极15相连，使用数据采集仪14记录一对水下电场传感器之间的电压信号变化；将电场信号发射器13的输出信号设置为0.1Hz，100mV的正弦电场信号。所制备的碳基导电聚合物膜4水下电场传感器比Ag/AgCl水下电场传感器响应幅值更高。
本发明所得到的水下电场传感器是从获得低成本、易储存、高性能的新型水下电场传感器入手，采用廉价的碳材料为导电基体材料，在其表面生成导电聚合物膜4，目的在于提供一种用于水下低频微弱电场信号测量的低成本、高性能电场传感器；有益效果如下：
1、材料多样，碳基材料3有碳棒、碳纤维、碳布、碳毡、泡沫碳，导电聚合物有聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩。
2、性能可调控，通过调节聚合电流和聚合电压实现对导电聚合物膜4的厚度、形貌调控。
3、成本低，本发明的水下电场传感器基体材料为碳材料，功能材料为导电聚合物，上述材料来源广泛、成本低廉，工业化生产已经十分成熟。
4、该水下电场传感器储存、运输方便，可保存在海水16、自来水或直接干燥存放，且无需避光处理。
5、碳基材料3与导电聚合物功能材料物理化学性质稳定，使用无消耗，使用寿命长。
6、所制备水下电场传感器密封性好，在深压环境可正常工作。
7、该水下电场传感器具有较高的稳定性，24小时电位漂移量≤90μV。
8、该水下电场传感器配对后使用，具有高灵敏度响应和宽幅频响应，对于0.001Hz，1mV以上电场信号具有较好的响应。
9、该水下电场传感器配对后使用，具有低自噪声，在1Hz频点处自噪声≤5nV/rtHz@1Hz。
10、该水下电场传感器应用范围广，用于海洋或河流中电场探测。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器，其特征在于，所述的一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器包括两个配对的电极，每个所述电极包括：碳基材料、导电聚合物膜、微孔保护套、密封腔以及导线；
所述碳基材料的一端与所述导线连接，并形成连接部；所述连接部设置所述密封腔中；
所述导电聚合物膜均匀的覆盖在所述碳基材料的表面，构成碳基导电聚合物膜电极；
所述碳基导电聚合物膜电极封装置所述密封腔封装以及所述微孔保护套形成的空腔内。
2.根据权利要求1所述的一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器，其特征在于，所述碳基材料为碳棒、碳纤维、碳布、碳毡或泡沫碳。
3.根据权利要求1所述的一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器，其特征在于，所述碳基材料的长度为10cm～20cm。
4.根据权利要求1所述的一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器，其特征在于，所述碳基材料的质量为0.5g。
5.根据权利要求1所述的一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器，其特征在于，所述导电聚合物膜为聚吡咯、聚苯胺或聚噻吩。
6.根据权利要求1所述的一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器，其特征在于，还包括：利用环氧树脂将所述碳基材料的一端与所述导线的连接点密封于所述密封腔。
7.根据权利要求1所述的一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器，其特征在于，还包括：利用电化学聚合的方法在所述碳基材料的表面原位聚合生成所述导电聚合物膜。
8.根据权利要求7所述的一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器，其特征在于，所述电化学聚合的方法包括：恒电流聚合、恒电位聚合或循环伏安法聚合。
9.根据权利要求1所述的一种碳基导电聚合物膜水下电场传感器，其特征在于，所述两个配对的电极的间距范围为10cm～100cm。
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