1）电场测量原理

图4.22　接触式电场测量原理示意图

舰船电场测量传感器按测量方式可分为接触式和非接触式两种类型。其中接触式传感器由于原理简单、结构简易而广泛用于舰船水下电场测量工作中。接触式电场传感器的工作原理如图4.22所示。海水媒质中间距为L的两点A和B，在外部电场的作用下会存在电势差U。将两只测量电极分别布置于A和B两点，则测量电极对、导线及电压表便组成一个简易的电场测量系统，测量电极之间电势差经过匹配线路，被送到电压表的输入端。通常测量电极的尺寸d要远远小于电极极距L，则电极之间相互作用可以忽略，每个电极的电势与所在测点上的电势一致，即L＞＞d时，

式中　EL——电场强度矢量E在测量方向上的投影。

2）电场测量系统基本结构

水下电场测量系统一般由测量电极、信号调理和采集模块、电子舱（密封承压舱）和电源模块等几部分构成。测量电极是电场测量系统的关键元件之一，其性能优劣直接影响到系统的测量精度和稳定性。Ag／AgCl电极在海洋高压环境下极差小、稳定性高，对海生物生长具有一定的抑制作用，并且技术相对成熟，因此成为最常用的测量电极。Ag／AgCl电极一般采用圆柱状、球状两种外形结构。

水下电场测量系统结构设计与其用途密切相关。水下电场传感器密封承压舱采用高强度工程塑料（如聚四氟材料等）制作，用于保证承压舱在具有一定的耐压能力同时，自身不会产生附加电场。传感器中测量电极个数一般为6个，测量电极两两配对，以一定间距分别固定在承压舱外壳上相互正交的三对圆孔中，组成三轴正交测量系统。当然，通过一些优化措施，利用5个和4个测量电极也可测量水下电场强度的三个正交分量，如图4.23所示。

图4.23　不同结构的水下电场传感器系统

3）电场传感器的等效电路分析

图4.24　电极二端元等效模型

任意的电场传感器都可以用二端元形式的等效电路来置换，也就是采用电动势源和带有一定内阻的电流源来等效（图4.24）。电路有三个参数：电动势源的空载电压Ux、电流源的短路电流Ix和输出阻抗Zf。其中两个参数未知，而第三个可以由以下关系得到：

传感器的输出阻抗由它的结构（几何尺寸、材料）和周围介质（化学组成、电导率）的参数来决定。二端元的电压或者电流和所研究的电场是单值对应的。传感器的工作状态近似于空载，因此对于它们的分析更方便的是研究图4.24的等效电路图。等效电路的参数值也成为最主要的传感器特性，进一步把它们用于得到传感器的灵敏度和转换系数。(www.daowen.com)

传感器测量基阵的等效长度为

这个等效长度lε对于带有点状电极的传感器来说等于电极之间的距离（几何尺度）。基于等效长度、介质电导率和等效电路可以得到传感器的主要参数。阻抗为Zf及其相应传感器输出阻抗的传感器基阵有效长度为

式中　Ri——输出电压的实部；

ZH——负载的总电阻。

传感器的转换系数等于输出值和输入值的比率关系。得到比率关系之后可以得到电场强度E0，导体介质中的电流密度J=σE0（σ为介质的电导率）。

传感器截面的等效面积sε或者电流的传递系数（转换系数）等于短路电流与实际电导电流密度的比值：

传感器的等效体积Vε的特点是相当于电场传感器具备相应负载（Zn=Z′n）工作时引出的分布能量范围：

这些能量的一半在传感器的内阻中消耗了，而另一半传递给负载。式（4.39）更体现了传感器作为有用信息转换器的特点。式（4.35）～式（4.39）对传感器体积、截面积和几何长度之间的比率关系说明了长度、面积和体积的利用率，它们表明在给定传感器体积尺寸的情况下如何使结构更加有效。

4）电场传感器的匹配设计

为了保障电场传感器有很高的灵敏度，必须要有很灵敏的电极和低噪声前放。但是即便是很好的电极和前放的简单连接也完全不能够保证整个通道的高灵敏度。因为电极和前放应该在噪声方面匹配，对于给定的传感器-前放系统要求保障在前放的输出端有最大的信噪比，应尽量考虑噪声的匹配。对于给定的传感器去设计最佳的前放，或者对于给定的前放去挑选电极，不总是能得到最佳结果，因为也许是这些元件中的一个（或两个）没有处于最佳状态，也许是对于好的前放却没有良好的传感器或者是相反。更合理及更显著的方法是电极和前放噪声参数的独立优化，然后结合噪声方面要求进行匹配。对于给定条件，可以将电极和前放设计成最大灵敏度，然后确定它们的噪声和电学参数，结合这些实现噪声的最优化匹配。当计算匹配时无论是对于传感器和前放还是对于实际匹配装置都必须考虑噪声源。

为了达到测量通道的高灵敏度，必须按顺序解决三个最优化任务：高信噪比电极的研制；低噪声前放的设计；保障整个传感器-匹配装置-前放系统噪声系数最小化装置的最优化匹配。低噪声放大器理论见诸各专业文献。设计者的注意力应集中在传感器和前放的最佳匹配问题上。低水平的自噪声和高灵敏度是必需的，但是这对于保障高的有效灵敏度还远远不够，它取决于外部干扰的水平。干扰不可能完全消除。为此必须确定什么是干扰源，测量通道的哪些元件能够感知它，以及怎样和接收器产生联系。在此之后可以有根据地选择更有效的干扰补偿或抵消的方法。

水下电场传感器主要用于微弱电场信号测量，以Ag／AgCl电极组成的电场传感器成熟度最高，具有低噪声、低漂移、宽带的优势，应用最为广泛。碳纤维、Ti电极等具有皮实耐用的优势，但是低频1／f噪声较大，适用于长期观测。实际应用中，具体根据应用需求选择合适的电极，同时还可关注不断发展中的新材质电极。