一種電容性電場傳感器的製造方法

2023-04-28 07:58:06 1

一種電容性電場傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種電容性電場傳感器，應用於地球物理勘探領域中地電場的測量，主要包括：電極板，使用金屬材料製成，用於感應地下電場電勢；前置放大器，具有極高的輸入阻抗，用於將電極板所接收的電場電荷信號轉換為電壓信號並進行調理；短導線，用於將電極板所接收到的信號傳輸至前置放大器輸入端；傳感器輸出線，用於將調理後的傳感器信號輸出。本發明的電容性電場傳感器可以將傳感器放置於地面上進行大地電場的測量，避免了傳統不極化電極在使用時需要挖坑、掩埋、灌水的環節，同時還可以應用在傳統不極化電極所難以發揮作用的沙漠、沙石等地帶，具有使用方便的特點，易用性明顯提高。
【專利說明】-種電容性電場傳感器

【技術領域】
[0001] 本發明設及地球物理勘探中地電場的測量裝置，特別設及一種電容性電場傳感 器，應用於電法勘探中的電場數據採集。

【背景技術】
[0002] 目前，在電法勘探中為了減小金屬電極極化的影響，普遍使用不極化電極進行地 電場的數據採集。如圖1所示，不極化電極通常由電極巧1、電解質3、電極保護殼2、底部 裝置4和5、頂部裝置6及輸出線7組成，電極巧通常由某種金屬製成，如鉛、銅、銀等，電解 質由該金屬的金屬鹽與填充物質按一定比例混合製成，電解質的物理形態可W為固體或液 體，電極形狀可W為圓柱狀或錐狀。不極化電極在使用時將電極埋入地下，並視±壤條件誘 灌適量鹽水。電解質通過電極底部通孔滲透到大地，與大地中的離子發生氧化還原反應，進 而獲取大地的電場電勢值。但是該種不極化電極在實際使用中存在諸多不便和困難之處： (1)為改善不極化電極與大地的接觸條件，在布設電極時需要將不極化電極埋入地下並灌 水，該在作業時十分不便，在如沙漠、沙石、凍±等地帶變得困難甚至不可能；(2)不極化電 極在存放時有嚴格要求，須將電極放置在相應的溶液之中，電極底部不能長時間裸露在空 氣中；（3)不極化電極在使用前需進行配對，W達到較小的極差；(4)不極化電極難W長時 間連續穩定工作，由於誘灌鹽水的流失，不極化電極接地條件發生改變，導致測量效果產生 差異。
[0003] 為應對不極化電極的該些缺陷，人們從上世紀70年代開始嘗試使用電容性電場 傳感器（或稱電容性電極），在90年代之後國外多個國家開展電容性電場傳感器的相關研 究，並有商業產品面向市場，如美國Geometries公司所推出的Ohm-Mapper。但該些產品中 存在明顯的不足；它們均工作在較高的頻率，僅能探測地下淺層目標，與不極化電極的性能 有不小差距，無法取代不極化電極。


【發明內容】

[0004] 針對上述技術問題，本發明的主要目的之一在於提供一種電容性電場傳感器，W 便能夠直接放置於地面上、無需掩埋和灌水即能進行地電場測量，同時該電場傳感器具有 很好的低頻特性。
[0005] 為了實現上述目的，本發明提供了一種電容性電場傳感器，包括：
[0006] 電極板，用於感應地電場電勢；
[0007] 短導線，用於將所述電極板接收到的信號傳輸至前置放大器輸入端；
[000引前置放大器，用於將所述電極板接收的電場電荷信號轉換為電壓信號並進行調 理；化及
[0009] 傳感器輸出線，用於將所述調理後的電壓信號輸出；
[0010] 其中，所述電極板使用金屬材料製成，與地面不直接接觸。
[0011] 其中，所述電極板使用的金屬材料選自銅、侶、鐵或粗。
[0012] 其中，所述短導線表面覆有由聚四氣己締材料製成的絕緣層。
[0013] 其中，所述前置放大器具有不低於1〇12歐姆的輸入阻抗。
[0014] 所述電容性電場傳感器，還包括傳感器外盒，用於對所述電容性電場傳感器進行 保護。
[0015] 其中，所述傳感器外盒由高分子聚合物材料製成。
[0016] 其中，所述高分子聚合物材料為酪醒樹脂、聚碳酸醋或聚四氣己締。
[0017] 所述電容性電場傳感器還包括由聚四氣己締或聚酷胺材料製成的絕緣柱，所述絕 緣柱不僅將所述電極板與所述傳感器外盒隔開，避免電極板上電荷洩漏至所述傳感器外盒 上，同時起到固定所述電極板的作用。
[001引其中，所述電容性電場傳感器的工作帶寬為lOmHz?10曲Z。
[0019] 通過上述技術方案可知，本發明具有W下有益效果；電容性傳感器直接放置於地 面上進行地電場的測量，無需掩埋，無需灌水，操作便捷；電容性傳感器具有較寬的工作頻 帶，低頻可W至10恤Z，高頻至10曲Z，滿足MT、CSMT、AMT、IP等多種測量方式；電容性傳感 器在保證供電的情況下可W長期連續穩定工作；電容性傳感器無需特殊的保存環境。不極 化電極在儲存時需要放入相應的電解質溶液中，底部禁止乾燥，而電容性傳感器保存在幹 燥的環境下即可。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為現有技術中的不極化電極的結構示意圖；
[0021] 圖2為本發明的電容性電場傳感器的結構示意圖；
[0022] 圖3為電容性電場傳感器在測量時的等效電路圖；
[0023] 圖4為信號源與傳感器輸出信號之間傳輸函數的波特圖。

【具體實施方式】
[0024] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，W下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部 分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員 所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示範，但應了解，參數無需確切等 於相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似於相應的值。實施例中提到的 方向用語，例如"上V嚇"、"前"、"後"、"左"、"右"等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的 方向用語是用來說明並非用來限制本發明的保護範圍。
[0025] 本發明的電容性電場傳感器使用電荷感應的方式，而非不極化電極使用離子交換 的方式來獲取地下電場電勢，該種工作方式決定了電容性電場傳感器可W置於地面上進行 地電場的測量，並避免了電極對接地條件的要求。本發明的電容性電場傳感器主要包括；電 極板，使用金屬材料製成，用於感應地下電場；前置放大器，具有不低於1〇12歐姆的輸入阻 抗，用於將電極板接收的電場電荷信號轉換為電壓信號並進行放大；短導線，用於連接電極 板和前置放大器；傳感器輸出線，用於將傳感器信號輸出；可選的傳感器外盒，使用非金屬 材料製成，用於對傳感器進行保護；W及可選的絕緣柱，使用不低於1〇1 2歐姆?釐米體電阻 率的絕緣材料製成，用於防止電極板上的電荷向傳感器外盒洩露。
[0026] 通過增大電容性電場傳感器中電極板與大地之間的禪合電容並提高前置放大器 的輸入阻抗值，進而擴寬電容性電場傳感器的工作帶寬，可W使之工作至10恤Z的低頻環 境。
[0027] 下面通過具體實施例對本發明做進一步的闡述。
[002引在本發明的一個實施例中，提供了一種置於地面上便可W進行地下電場測量的電 容性電場傳感器。參考圖2,本發明的電容性電場傳感器包括；由金屬材料製成的電極板 10,用於接收大地電場信號，金屬材料可W是銅、侶等化學性質較為活潑的金屬，也可W是 鐵、粗等化學性質惰性的金屬；具有超高的輸入阻抗的前置放大器8,用於將接收到的大地 電場信號轉換為電壓信號，並進行適當的放大；用於連接電極板10和前置放大器8的導體 12,導體12表面覆有由聚四氣己締材料製成的絕緣層；用於傳感器輸出的輸出同軸線14， 輸出線14和前置放大器8的輸出相連接；由非金屬材料製成的傳感器外盒9,非金屬材料 可W是酪醒樹脂、聚碳酸醋、聚四氣己締等高分子材料，用於對傳感器進行保護；由聚四氣 己締或聚酷胺材料製成的絕緣柱11，絕緣柱11不僅可W將電極板10和傳感器外盒9隔開， 保證兩者之間有足夠高的阻抗，同時起到固定電極板10的作用。此外，電容性電場傳感器 還包括用於給傳感器供電的接口 15和用於開啟或關停傳感器的開關13。
[0029] 電極板10與大地16之間由於使用低電導率高分子材料製成的傳感器外盒及絕緣 柱11隔開，兩者之間不存在電氣連接，可W將電極板與大地和其中的絕緣體等效為一個電 容器Ccouple，如圖3所示，大地的電場電勢通過電容器禪合至電極板，故稱該電場傳感器 為電容性電場傳感器。該與傳統的不極化電極不同，不極化電極通過電極中的電解質與大 地中的離子進行氧化還原反應，進而在電極上產生與大地電場電勢等值的電勢值。不極化 電極與大地之間存在真實的電流路徑，而電容性電場傳感器卻是通過電容禪合來獲得大地 的電場電勢，傳感器與大地之間並不存在真實的電流路徑。但又與早期的電容性電場傳感 器不同，本發明的電容性電場傳感器的最低工作頻率可W達lOmHz，而早期的電容性電場傳 感器多在音頻頻率段。
[0030] 記大地電場電勢為Vs，前置放大器8的輸入電阻為化n、輸入電容為Cin，那麼前置 放大電路8的輸入端電壓Vin為；
[0031]

【權利要求】
1. 一種電容性電場傳感器，包括： 電極板，用於感應地電場電勢； 短導線，用於將所述電極板接收到的信號傳輸至前置放大器輸入端； 前置放大器，用於將所述電極板接收的電場電荷信號轉換為電壓信號並進行調理；以 及 傳感器輸出線，用於將所述調理後的電壓信號輸出。
2. 根據權利要求1所述的電容性電場傳感器，其中所述電極板使用金屬材料製成，與 地面不直接接觸。
3. 根據權利要求2所述的電容性電場傳感器，其中所述電極板使用的金屬材料選自 銅、錯、鈦或鉭。
4. 根據權利要求1所述的電容性電場傳感器，其中所述短導線表面覆有由聚四氟乙烯 材料製成的絕緣層。
5. 根據權利要求1所述的電容性電場傳感器，其中所述前置放大器具有不低於10 12歐 姆的輸入阻抗。
6. 根據權利要求1所述的電容性電場傳感器，還包括傳感器外盒，用於對所述電容性 電場傳感器進行保護。
7. 根據權利要求6所述的電容性電場傳感器，其中所述傳感器外盒由高分子聚合物材 料製成。
8. 根據權利要求7所述的電容性電場傳感器，其中所述高分子聚合物材料為酚醛樹 月旨、聚碳酸酯或聚四氟乙烯。
9. 根據權利要求1所述的電容性電場傳感器，還包括由聚四氟乙烯或聚醯胺材料製成 的絕緣柱，所述絕緣柱不僅將所述電極板與所述傳感器外盒隔開，避免電極板上電荷洩漏 至所述傳感器外盒上，同時起到固定所述電極板的作用。
10. 根據權利要求1所述的電容性電場傳感器，所述電容性電場傳感器的工作帶寬為 10mHz ?10kHz。
【文檔編號】G01V3/08GK104502734SQ201410840734
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月30日 優先權日:2014年12月30日
【發明者】王順, 王志宇, 方廣有 申請人:中國科學院電子學研究所