电场传感器核心指标见表4.1，包括电极极差、极差稳定性、本底噪声水平、工作带宽和源阻抗，另外还包括使用寿命、工作水深、体积、水下重量等。

表4.1　电场传感器核心指标

1）噪声水平

电场传感器在海洋环境中进行水下电场测量时受到多种噪声影响，按照噪声源形式可分为内源噪声和外源噪声两种。外源噪声主要包括电离层辐射产生的感应电场（对于海底大地电磁测深来说是有用信号）、海水运动（如海面波浪、潮汐、内波及湍流等）产生的感应电场、人为因素（近岸工业、周边船舶舰艇）产生的电磁干扰和局部地质噪声（例如矿体自然电位）。内源噪声则主要来自电极自身及放大器等电子部件。内源噪声主要包括热噪声和极差变化，其中热噪声与电极源阻抗有关，极差变化受机电化学电位平衡、电极之间海水温度和盐度变化影响。另外，如果在电极内部安装有放大器的情况下，放大器噪声也认为是电极噪声之一。放大器噪声是放大电路中各元器件（包括三极管、电阻、运放等）内部载流子运动的不规则所造成的，主要是由电路中的电阻热噪声、三极管内部噪声、运放本底噪声所形成，主要包括等效输入电压噪声、等效输入电流噪声。

电阻热噪声是由于导体内构成传导电流的自由电子随机的热运动引起的。理论和实践证明，一个阻值为R的电阻未接入电路时，在频带宽度B内所产生的热噪声电压的均方值Vn为

式中　k——玻尔兹曼（Boltzmann）常数，其值为1.38×10-23 J／K；

T——绝对温度（K）；

B——频带带宽（Hz）。

由式（4.1）可看出，Vn与温度、电阻值和频率带宽乘积的平方根成正比。目前一般采用热噪声电压功率谱密度［单位：n V／rt（Hz）］来评价电阻的热噪声水平：

由式（4.2）可知，为降低电极热噪声，应当尽量降低电极的源阻抗。

前文提到测量电极存在热噪声、电化学噪声等多个噪声源，且受到海水电导率、温度及盐度分布等多种因素影响，很难通过理论公式计算出电极自噪声。因此通过实验室测量获取电极自噪声参数是较为实际的途径。即事先获得测量系统的自噪声水平，再测量电极与测量系统的噪声，即可计算得到电极的自噪声。一种可行的测试方法如下：测量之前，应选择适合的测试地点和时间或采用一定的屏蔽措施来尽可能降低外部电磁干扰。将测量电极两两配对置于一盛有3.5%氯化钠溶液的非金属容器中，然后将测量电极输出端与低噪声放大器和动态信号分析仪相连。选用EM Electronics公司的低噪声斩波放大器A10作为放大单元，其等效噪声电阻为20Ω，本底噪声水平约为0.5 n V／rt（Hz）@1 Hz，无明显的1／f噪声，典型失调电压漂移为1 n V／℃。设备连接图如图4.1所示，放大器输入端通过低热噪声连接器连接一对电极，输出端连接动态信号分析仪。为了降低噪声，采用屏蔽的双绞电缆并尽量缩短电缆长度，同时考虑测试设备的接地，整个测试过程在磁屏蔽筒内进行。为了获得较大的动态范围，采用分频采集（低频、中频和高频）模式进行测量。当测量电极浸泡24 h后，动态信号分析仪开始测量获取全频带噪声水平，重点关注1 Hz频点输出的噪声功率谱密度。动态信号分析仪测量得到噪声功率谱密度曲线，以评价电极的本底噪声水平。传感器自噪声一般也采用1 Hz带宽均方根噪声这个指标，与测量电极不同的是，传感器需要将电极极距归算到单位距离，单位为μV／［m·或另外，如果传感器为三轴矢量测量系统，则需要对x、y、z三轴自噪声分别进行测量。

图4.1　电极噪声测试设备连接示意图

图4.2是某测量电极对的均方根噪声曲线，分别获得了放大器的本底噪声、放大器与电极的噪声叠加结果，由于放大器本底噪声对综合噪声的贡献较小而忽略不计，叠加结果认为就是电极的本底噪声。

图4.2　电极对的噪声功率谱密度

2）电极源阻抗

前述测量电极热噪声与其阻抗密切相关，本部分主要阐述测量电极阻抗的相关理论。电极和海水相接触，其等效电路如图4.3a所示。电极阻抗ZD主要由电极内阻、电极与海水间电容、电感等参数确定，测量电极等效电路如图4.3b所示。其中ZD为电极阻抗，ZW为海水阻抗，其等效阻抗Zt为

图4.3　等效电路示意图

式中　Re——电极电阻（Ω）；

Rw——导线电阻（Ω／m）；

Rr——导线辐射阻抗（Ω／m）；

L——导线电感（H／m）；

C——电极与海水间电容（F／m）。

上述参数的计算公式如下：

式中　S——电极表面积；

K——电极形状常数，球形时，K=0.14Ω／m；

a——导线截面积；

σw——导线电导率；

σ——海水电导率；

ε——导线绝缘层的介电常数；

b、c——导线绝缘层的内半径和外半径。(www.daowen.com)

对于低频电场测量的情况（当f＜10 Hz）：

则式（4.4）可简化为

由此可见，测量电极的接触阻抗与电极形状、工作频率、海水电导率等参数之间存在密切关系。常用电极材料特性参数试验结果见表4.2和表4.3。

表4.2　测量电极的等效电阻抗（Dearth，1978）单位：Ω

表4.3　不同材料不同工作频率相对阻抗（Dearth，1978）

过大的源阻抗势必增大电极噪声，通常用于评价电极生产过程中的一致性。可借助LCR表测试电极对分别在1 Hz、10 Hz、100 Hz、1 000 Hz频点处的源阻抗。

3）电极极差

极差电位是指无外加电场作用环境下，测量电极对之间存在的固有电势差。极差电位来源于测量电极对之间的不一致性。测量电极在海水环境中工作时，电极表面会与海水之间发生电化学反应，最终达到动态平衡，电极与海水之间会形成电势差，一般称为电极电位（参比电极一般为标准氢电极）。因此当两个测量电极配对进行电场测量时，每个电极都会存在一个电极电位。如果两个电极完全一致，且电极附近海水盐度、温度、流速等参数也完全相同，则两个电极电位相等，即不存在极差电位。但是由于制作工艺的限制，每个电极体的材料及其纯度、配置比例和粉压过程很难做到完全相同，并且海洋环境变化复杂，测量电极之间的不一致性很难消除，因此极差电位是测量电极对的固有特性之一。

测量电极对极差电位的存在会限制传感器的动态范围，降低传感器的分辨率，降低传感器识别微弱电场信号的能力，因此极差电位是反映电场传感器性能指标的一个重要性能参数。通过对所有测量电极两两配对，选择出极差电位最小的电极对作为传感器灵敏元件，可以在一定程度上提高水下电场传感器灵敏度。

图4.4　电极极差测试示意图

借助多路数据采集单元Agilent 34972A（图4.4）进行多路电极极差测量，该单元内置六位半数字万用表及多路开关模块。单个开关模块可以多达40通道，并同时记录温度的变化情况，仪器内置Bench Link Data Logger软件，可通过不同配置来控制测试、显示结果及存储数据。

由于溶液浓度、温度等因素的变化，电极极差总是随外界环境温度的变化而变化。在环境昼夜温差变化较小的条件下，连续观测并记录极差变化情况，从而评价电场传感器的极差稳定性。测试前，应将待测电极放入溶液中浸泡48 h，建立稳定的电化学过程，并尽量降低测试环境的温度变化，有条件的话同时记录溶液温度。

4）极差稳定性

极差稳定性是指电极在长期使用过程中，其极差电位绝对变化的性能。当环境温度不变时，极差电位随时间变化的现象称为时漂。目前一般采用24 h极差漂移指标来评价极差的时间稳定性。由外界环境（海水）温度变化引起的极差变化现象称为温漂，也是影响极差稳定性的一个重要因素。

极差稳定性对传感器测量结果的处理和分析会产生一定影响，极差电位漂移会叠加在舰船自身电场信号上，使舰船电场信号产生扰动现象，由于极差电位漂移具有长周期缓变特点，其频率范围与舰船稳恒电场频段基本重合，采用传统的数字滤波方法很难消除这部分噪声。开展测量电极对极差稳定性测试，选取时漂、温漂小的测量电极对具有十分重要的意义。图4.5是某批次电极对极差漂移曲线。

5）频率响应范围

频率响应范围也指工作带宽，是电场传感器测量频率范围。由于海洋电场信号的频率范围较宽，为DC-1 k Hz，而且不同频段信号幅值差异也较大（有可能达40 dB以上），所以一般采用分频带采集技术（图4.6），对不同频段的信号采用不同增益，来提高测量传感器的分辨率。

图4.5　电极对极差漂移曲线

图4.6　电场传感器分频段采集原理图

频率响应范围反映了电场传感器识别不同频率电场信号的能力。海洋电场信号频率较为丰富，这要求电场传感器对各频点信号都有较好的识别能力。借助动态信号分析仪，获取电极对的频率响应。图4.7为测试电极频响所采取的测试方案，动态信号分析仪的源输出接至功率放大器输入端，功放驱动激励电极，测量电极信号输出连接至放大器输入端，放大器输出端连接至动态信号分析仪的输入端。动态信号分析仪切换不同频率获取电极对的全频段频率响应。需要说明的是，对于同一装置，本方法只能对比不同电极对的频响，受限于装置几何参数，尚不能给出准确的灵敏度系数。图4.8是某测量电极对的频率响应曲线。

6）耐压性能

传感器耐压性能是指传感器整体抗海水压力能力，由测量电极、承压舱及水密性等多种因素决定。海洋电场测量是将测量电极置于海水中接触测量，海水每加深100 m，水压会增加1 MPa，这需要电极具有较强的耐压能力。因此为了保证测量电极在海水中工作正常，需要保证测量电极的耐压能力。

7）量程

量程是指电场传感器能够测量最大电场强度之间的范围，例如-10～10 m V／m。过大的电位梯度可能导致电极极化，而不能恢复。

图4.7　电极频率响应测试示意图

图4.8　某测量电极对的频域响应曲线

8）校准系数

校准系数用于消除电路、电极设计生产工艺带来的电位偏移、增益误差，以及电场传感器非金属壳体存在对水下电场产生的畸变等。