一种新型地球物理电容性电场传感器研究.pdf

第3 7 卷第1 2 期 2 0 1 6 年1 2 月 仪器仪表学报 C h in e s eJ o u r n a lo fS cie n t if icI n s t r u m e n t V 0 1 3 7N o 1 2 D e c2 0 1 6 一种新型地球物理电容性电场传感器研究术 王志宇1 ，一，王顺1 一，张群英1 ，方广有1 ，3 ( 1 中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室北京1 0 0 1 9 0 ； 2 中国科学院大学北京1 0 0 0 4 9 ；3 中国科学院电子学研究所北京1 0 0 1 9 0 ) 摘要：当前在地球物理勘探中使用的电场传感器探头一不极化电极存在一些不足，如要求电极具有较低的接地阻抗，这使其 在沙漠、冻土、戈壁等高阻区应用较为困难。分析了电场传感器系统的等效电路，指出低频电容性电场传感器应用在地球物理 电法勘探中的可能性，并设计出一种低频电容性电场传感器，该电场传感器可直接放置于地面，进行地电场的测量。为提高电 场传感器测量的准确性，采用输入电容中和技术以抑制耦合电容变化所带来的测量误差。该电场传感器工作频率为0 1 lk H z 。外场测试表明，该电场传感器具备准确测量地电场信号的能力，在工作频率范围内获得与不极化电极相似的测量结果， 幅值差异小于5 。该电场传感器在高阻区的地球物理勘探领域具有较好的应用前景。 关键词：地球物理勘探；不极化电极；电容性电场传感器；输入电容中和技术 中图分类号：T H 7 6 3 1文献标识码：A国家标准学科分类代码：5 1 0 1 0 R e s e a r cho nan o v e l ca p a cit iv ee le ct r ic f ie lds e n s o rf o rg e o p h y s ica l p r o s p e ct in g W a n gZ h iy u l”，W a n gS h u n l ，Z h a n gQ u n y in 9 1 ，F a n gG u a n g y o u l 3 ( J K e yL a b o r a t o r yo fE le ct r o m a g n e t ic R a d ia t io na n dS e n s in gT e ch n o lo g y ，C h in e s eA ca d e m yo fS cie n ce s ，B e ij in g1 0 0 1 9 0 ，C h in a ； 2 U n iv e r s it yo fC h in e s eA ca d e m yo fS cie n ce s ，B e r in g1 0 0 0 4 9 ，C h in a ；3 I n s t it u t eo fE le ct r o n ics ，C h in e s eA ca d e m yo f S cie n ce s ，B e ij in g1 0 0 1 9 0 ，C h in a ) A b s t r a ct ：N o n p o la r iz a b le e le ct r o d e a ne le ct r icf ie lds e n s o rcu r r e n t lyu s e ding e o p h y s ica l p r o s p e ct in gh a st w om a j o rd e f icie n cie s ：t h e s y s t e m a t ic e r r o r sca u s e db yp o o re le ct r ica lco n t a ctinh ig hr e s is t iv et e r r a in s ，s u cha sd e s e r t ，f r o z e ns o il，g o b ia n de t c，t h ee n v ir o n m e n t a l d a m a g ea s s o cia t e dw it hu s in gn o n p o la r iz a b le e le ct r o d e s T h isp a p e ra n a ly z e st h ee q u iv a le n tcir cu ito ft h ee le ct r ic f ie lds e n s o rs y s t e m ， a n dp o in t so u tt h ep o s s ib ilit yo fa p p ly in gt h elo w f r e q u e n cy ca p a cit iv ee le ct r ic f ie lds e n s o ring e o p h y s ica lp r o s p e ct in g An e wca p a cit iv e e le ct r icf ie lds e n s o risd e s ig n e d ，w h ichca nb ep la ce do nt h eg r o u n dd ir e ct lya n dca r r yo u tg r o u n de le ct r icf ie ldm e a s u r e m e n tt h r o u g h w e a kca p a cit iv eco u p lin g I no r d e rt oim p r o v et h em e a s u r e m e n ta ccu r a cyo ft h ee le ct r ic f ie lds e n s o r ，t h ein p u tca p a cit a n cen e u t r a liz a t io n t e ch n iq u eisa d o p t e dt os u p p r e s st h em e a s u r e m e n te r r o rb r o u g h tb yt h eco u p lin gca p a cit a n cech a n g eint h ed e t e ct io ncir cu it W it ht h e ca p a cit a n cen e u t r a liz a t io nt e ch n iq u e ，t h e t r a n s m is s io nco e f f icie n to ft h e ca p a cit iv ee le ct r ic f ie lds e n s o risr e m a in e ds t a b lew h e n e n v ir o n m e n t a lco n d it io n sch a n g e T h eo p e r a t in gf r e q u e n cyb a n dr a n g eo ft h ee le ct r ic f ie lds e n s o ris0 1H zt o1k H z ；s im u la t io na n df ie ld t e s tr e s u lt sin d ica t et h a tt h e ca p a cit iv ee le ct r ic f ie lds e n s o r sco u ldm e a s u r et h eg e o e le ct r icf ie lds ig n a l a ccu r a t e ly I nt h eo p e r a t io n f r e q u e n cyr a n g e ，t h eo b t a in e dm e a s u r e m e n tr e s u hiss im ila rt ot h a to b t a in e du s in gn o n p o la r iz a b lee le ct r o d e ，t h ea m p lit u d ed if f e r e n ce b e t w e e nt h er e s u lt su s in gn o n - p o la r iz a b lee le ct r o d ea n dca p a cit iv ee le ct r icf ie lds e n s o risle s st h a n5 T h ep r o p o s e dca p a cit iv ee le ct r ic f ie lds e n s o r sa r ew e lls u it e df o rcu r r e n tg e o p h y s ica l p r o s p e ct in gs y s t e m s ，s u cha sm u lt i ch a n n e l t r a n s ie n te le ct r o m a g n e t ic s y s t e m T h e p r o p o s e dca p a cit iv ee le ct r ic f ie lds e n s o r sh a v eag o o da p p lica t io np r o s p e cting e o p h y s ica lp r o s p e ct in ginh ig hr e s is t iv et e r r a in s K e y w o r d s ：g e o p h y s ica lp r o s p e ct in g ；n o n p o la r iz a b le e le ct r o d e ；ca p a cit iv e e le ct r icf ie ld s e n s o r ；in p u tca p a cit a n cen e u t r a liz a t io n t e ch n iq u e 收稿日期：2 0 1 6 - 0 5 R e ce iv e dD a t e ：2 0 1 6 - 0 5 * 基金项目：国家重大科研装备研制项目( Z D Y Z 2 0 1 2 1 0 5 ) 、国家自然科学基金( 4 1 3 7 4 1 8 6 ) 项目资助 第1 2 期 王志宇等：一种新型地球物理电容性电场传感器研究 2 6 7 9 1 引言 电法勘探是寻找煤田、油气藏、地下水、金属和非金 属矿产的重要而有效的方法，是勘探地球物理学的重要 分支 。电场传感器作为导电媒质中电场的测量设备， 是电法勘探的关键仪器之一。 电场传感器通常测量分开一定距离的一对电极的电 势差，将电势差除以电极对的有效极距，进而获得该方向 分量上的电场值。不极化电极在无电流流过时不产生极 化干扰，能准确地测定媒质中的电场电位，故而在电法勘 探中得到应用。然而，在沙漠、冻土、戈壁等地带，不极化 电极较难获得良好的接地阻抗，这将会带来测量错 误。2 。另一个问题是，由于电极埋点附近的电阻率随着 浇灌盐水的流失而增大，电极与大地之问的接触阻抗难 以保持恒定，这将影响电势测量的准确性和一致性。为 此人们开始尝试新的测量方案。 2 0 世纪7 0 年代，T im o f e e vV M 等人1 4o 出于冻土区 测绘的目的，使用线缆作为接收和发射天线，通过发射线 天线将一定频率的电流供入地下，同时利用接收线天线 测量地表电位一。由于线缆表面绝缘，线缆和大地之间 不存在电流路径，而以电容耦合的方式测量地表电位，因 而这种方法称之为非接触式电容耦合电阻率法( n o n co n t a ct in gca p a cit iv e lyco u p le dr e s is t iv it y ，C C R ) 或电容电 阻率法( ca p a cit iv e lyr e s is t iv it y ，C R ) ，这种传感器被称之为 电容性电场传感器或电容性电极。 自2 0 世纪9 0 年代开始电容电阻率法获得了广泛的 关注，众多的理论、技术和实践经验被总结和提出。6o ，如 地表层测量系统和多通道容性电极系统等。K u r a s0 。6 o 对电容电阻率法的基础理论进行了深入的研究，其认为 电容电阻率法存在最优的参数设置，工作频率范围在1 2 5k H z 时可保证有最小的电流流入发射电路中。商业应 用上，美国G e o M e t r ics 公司和法国I R I SI n s t r u m e n t 公司分 别推出各自的商业产品一O h m M a p p e r 和C O R I M 。 O h m M a p p e r 使用同轴线缆作为发射和接收电极，工作频 率为1 6 5k H z ；C O R I M 则使用平板一线电极的工作形式， 工作频率为1 2k H z 。两个系统均可由人或车辆牵引着进 行探测。 与不极化电极相比，线电极或平板一线电极的使用加 快了测量的速度，并在高阻地区显示了良好的应用效果。 然而，它们也有一些缺陷。首先，工作频率限制了可探测 的深度。5 1 。如O h m M a p p e r 的工作频率固定，通过改变极 距的长度和收发之问的距离来获得不同的探测深度。极 距有1 、2 5 、5 和1 0n 34 种可选，收发之间的实际距离则 取决于探测区域大地的电阻率。通常情况下，探测深度 在1 0 2 0I T I 。其次，C R 方法的几何因子可使用典型的 四电极双偶极结构的几何因子近似，然而由于线电极并 不满足直流电阻率法的点源假设，在使用直流电阻率法 反演工具时会存在误差。为得到与直流电阻率法一致的 测量结果，需要开发C R 模型来对几何因子和测量偏差 进行校正7 引。 针对低频段、大深度勘探需求，以及满足部分高阻区 的勘探作业要求，人们希望电场传感器能够工作于低频 频段，传感器探头为非埋入式。而上述多种电容性电场 传感器或系统主要目的在于提供一种对近地表目标体的 快速测量方式，适用于考古、管道或道路检测等范围。对 于深部探测，这些电容式电场传感器或系统依然无能为 力。 2 0 0 5 年以来，美国G r o u n d M e t r ics 公司和Q U A S A R 公 司开始研究一种命名为e Q u b e 的电容性电场传感 器。1 “。与电容电阻率法所使用容性电极相似，e Q u b e 同样为电荷感应方式测量电场。e Q u b e 可以工作在电阻 率高达1M I ) 的高阻地区，测量频率可以低至0 1H z 。 然而，在实际应用中的测试结果几乎没有被公布。 在国内，杨云见等人2 ”o 对电容性电场传感器的原 理进行了介绍，并对O h m M a p p e r 在涵洞、隧道、道路等检 测上给出应用实例；于生宝等人。1 4 。5 。对电容性电场传感 器的探测方法和仪器作了深入研究，将复电阻率测量方 法引入到电容电阻率法中，并验证了可行性；胡友强等 人。1 钊研究了用于电能传输的高频电容耦合系统，杨斌等 人。1 刊研究了用于心电信号获取的电容耦合非接触电极。 但是，对于适用于地球物理勘探应用的低频电容性电场 传感器，国内研究极少。 因此，提供一种具有和不极化电极相当或相近的频 率范围、能不依赖于电化学反应而进行低频电场测量的 电容性电场传感器是十分必要的。在分析了低频电容性 电场传感器在地球物理电法勘探应用上的可行性的基础 上，提出了一种低频电容性电场传感器( 下文简称为电场 传感器) 的设计方法，该传感器不依赖于电化学反应而进 行低频电场测量，可直接放置于地面上进行地电场测量。 为提高电场传感器测量的准确性，采用输入电容中和技 术以抑制耦合电容变化所带来的测量误差。并利用仿真 和外场实验验证了该电场传感器测量地电场的准确性。 该电场传感器在沙漠、冻土、戈壁等高阻区的地球物理勘 探领域具有较好的应用前景。 2 传感器原理 通用的电场测量模型如图1 所示，z ，。和z 。分别为 分开一定距离的两支电极的接触阻抗，z 。为地阻抗。 对于不极化电极而言，电极与电解质问存在真实的电流 路径，可以将电极电解质界面等效为电阻，记为R ，。电 2 6 8 0仪器仪表学报第37 卷 场传感器通过电容耦合方式测量地电场，可以将电极等 效为电容，记为cP 。 记两支电极所在点电势分别为9 。和9 ：，检测电路 的输入阻抗为Z 。则当电极为阻性电极时，检测电路输 入端电压为： 7 2i赢( p t 嘞) ( 1 ) 当电极为电容性电极时，检测电路输入端电压为： V c=_ ( ”妒：) ( 2 ) 志+ 志“。H 一” 一 式中：为角频率。当Z 。 1 j a ，C P 且Z 。 R P 满足 时，A V ，主，即在满足一定条件下电容性电极可以获 得和不极化电极相同的数据结果。同时式( 2 ) 也表明， 在数值上与角频率相关，随着角频率下降，电容性 电极阻抗增大，而检测电路的输入阻抗为有限值，因而电 容性电极存在低频截止频率的限制。 彤。 驴 ( a ) 通用接收系统模型 ( a ) T h em o d e lo fag e n e r icr e ce iv e rs y s t e m R p 2 ( 二， 妒2 妒 ( b ) 不极化电极模型( c) 电容性电极模型 ( b ) T b em o d e lo fn o n p o la r iz a b lee le ct r o d e ( c) T h em o d e lo fca p a cit iv ee le ct r o d e 图1接收系统等效电路模型 F ig 1 R e ce iv e rs y s t e me q u iv a le n te le ct r ica lcir cu itm o d e ls 电容性电极有两种实现方式：线电极型和平板一线电 极型。1 。线电极型使用电缆线充当电极以耦合地电场， 如图2 ( a ) 所示。在后一种形式中，不仅线缆可以耦合地 电场，金属板也可以与大地之间形成电容( 见图2 ( b ) ) 。 总的电容值等于线缆与大地耦合电容和金属板与大地耦 合电容的并联。然而，这些形式的电容性电极的有效极 距与阻性电极的有效极距并不一致，进而导致得到的数 据结果会有一定差异，需要对数据模型作进一步的校 正0 I 。 低频电场传感器采用的结构形式如图2 ( C ) 所示。 一j L - 一 丰c。丰c。 上上 t 、? 么譬黟乙 T - JL 广 1 登军y T - 3 - c出。丰cC , , | ir o 丰( p la t 。丰 上上毒上 鼍少 rL 岬 一p la t e “ | 。p la t eT 毒善 图2电容性电极基本模型 F ig 2 T h eco n ce p t u a lm o d e lso fca p a cit iv ee le ct r o d e s 使用金属敏感板作为电极板，电极板通过感应方式积累 电荷，检测电路内置于电场传感器内部，用于将电荷转换 为电压，随后电压信号通过电缆传输，最终接收机进行数 据采集。前置检测电路如图3 所示，假设K 为地表电 势，C p la t e 为电极板与大地之间的耦合电容，R 。、C 。分别为 运放O P l的输入电阻和输入电容，c。为电极板至检测电 路输入端的分布电容。那么O P l输出电压为： 圪= 雨1 高C C 蚝 ( 3 ) + s (p la t e + C 。+ 。) R 。 u 一7 式中：s 表示j 。当满足不等式s c幽。 R 1 ，式( 3 ) 简 化为： V o 圭F 鼍哥 K ( 4 ) C 姗+ C 。+ C 。 5 7 电极板可以有多种几何形状，以矩形极板为例，对于 离地高度为h 、厚度有限的矩形电极板，耦合电极C p la t e 近 似为： C 。l。I 。2 占。占， 1 1 5 丝 + 1 4 0 ( t h ) 。2 ( 2 w + 复) + 4 - 1 2 ( t h ) 。2 h l L nJ ( 5 ) 式中：f 、W 、t 分别为电极板的长、宽和厚度，s 。为绝对介电 常数，8 ，为电极板与地面之间介质的相对介电常数8 。 图3 前置检测电路等效模型 F ig 3 T h ee q u iv a le n tm o d e lo ff r o n td e t e ct io ncir cu it 口 第1 2 期 王志宇等：一种新型地球物理电容性电场传感器研究 2 6 8 1 当C 山。 C 。+ c。，输出电压圪近似等于K 。若 检测电路输入阻抗满足不等式Z ，。1 j w C 。，那么检 测电路输入端电压与两电极间的真实电势差一致。由于 放大器输出已为电压信号，在短距离的传送过程中输出 线缆的耦合电容几乎不对该电压信号造成影响，极板之 问的几何距离即为真实极距。且由于传感器输出为低 阻，可直接接人现有的接收机系统。 3 传感器设计 3 1 传感器结构设计 传感器结构示意图所图4 所示，主要包括：1 ) 用于聚 集电荷的金属敏感板，可使用常见金属材料制成；2 ) 用于 将电荷信号转换为电压信号并进行滤波、放大的检测电 路；3 ) 由绝缘性能好、硬度高的工程塑料制成的电极主 体。绝缘性的电极主体具有良好密封，一方面保证电极 板与大地之间不存在实际电流路径，传感器以电荷感应 方式测量电场电势；另一方面避免高输入阻抗检测电路 受外界污染，导致检测电路性能下降。 检测申路屯极主体电极板绝缘柱 图4 传感器结构 F ig 4 S e n s o rs t r u ct u r es ch e m a t ic d ia g r a m 传感器由外部电池通过电源接口供电，由于检测电 路功耗低于3 0m w ，即使使用普通锂电池供电，也可实现 长达一周的不间断测量。传感器输出信号经N 型接头后 由同轴线缆传输，输出线缆包含信号线和地线。在实际 应用中，两支传感器组成一对，实现对电场的测量。 3 2 检测电路设计 由于实际中传感器尺寸限制，耦合电容并不能满足 C C 。+ c。这样当耦合电容值变化时将导致测量 结果出现误差。为此，需要对检测电路特别设计。检测 电路如图5 所示，其包含超高输入阻抗放大器O P l和通 用放大器O P 2 。放大器O P l具有高达1 0 ”n 的输入阻抗 和低至0 1f A 、H z 的电流噪声，非常适合超高源阻抗 时的应用场景。将放大器O P l接成跟随器形式，用于将 电极板上积累的电荷转换为电压。输出电压经放大器 O P 2 、中和电容C 。反馈至放大器O P l输入端。电阻尺。和 R ：用于为O P l的偏置电流提供泄放路径。图中其他标 识如表1 所示。 图5 实用前置检测电路 F ig 5 P r a ct ica lf r o n td e t e ct io ncir cu it 表1 前置检测电路参数表 T a b le1P a r a m e t e r so ft h ef r o n td e t e ct io ncir cu it 参数 含义 数值参数 含义 数值 R l电阻 2 0G n R 。O P l输入电阻1 0 1 4n 尺2电阻 1 0e n C i。O P l输入电容 1 p F C 1电容 5 0n F C g 分布电容4p F cr反馈电阻 1 0 心 C 。中和电容 5p F w 电极板宽度2 0cin f 电极板长度 2 0cm t 电极板厚度0 1C B A O P 2 增益 2 容易得到源信号至输出信号的传输函数为： T F ( 。) = = ! 堡! ! 兰! ! ! ! ：墨! ! ! ! ! ! ! ： R m + 尺1 + R 2 + s Z 。+ s R 。凡d 。+ s 2 R 。m d 。 ( 6 ) 式中：m 。m = ( C 1 + C ，) C p la t e R lR 2 ，m d 。= ( cl+ c，) C 。l。+ c。+ C 。+ ( 1 一A ) C 。 R 1 R 2 ，凡 = C 。l。( R 1 + R 2 ) ，n d 。= C 。l。+ c。+ C i。+ ( 1 一A ) C 。 ( R 1 + R 2 ) ，Z x = C 1 R 2 ( R i。+ 尺2 ) + C ，R 1 R 2 。 当R i。 R 1 ，R ，。 R 2 ，且C 。+ C i。= 一( 1 一A ) C 。 时，有m = m ，凡。= 儿胁。此时式( 6 ) 简化为： m ：1 ，、S n 十5m 叫5 卜再币万五赫沥慕蕞瓦 ( 7 ) 该传输函数可以视为标准的二阶高通滤波器( H P F ) 和二阶带通滤波器( B P F ) 的混合形式。通过对输入电容 和分布电容的中和，分子和分母的二次项系数相等，在通 带内增益为单位1 。 在式( 6 ) 中，二次项系数与输入电容C i。和分布电容 C 。相关，当不等式C p la t e C 。+ c。无法满足时，二次项 。拶 2 6 8 2仪器仪表学报第37 卷 系数比值极易受输入电容和分布电容的影响，进而导致 数据错误。设置c。+ C 。= 一( 1 一A ) C 。那么m 妇= m 。，与C 。和C 。不再相关，输入电容和分布电容被中 和。此时即使不等式C 岫 C 。+ c。不再满足，通带内 的传输系数依然为单位1 。这在应对耦合电容变化时发 挥实际作用。 3 3 传感器系统仿真 假设电极板距离地平面的高度分别为0 2 5 、1 、2 5 、 5 、1 0cm ，未中和的输入电容和分布电容之和( C 。+ C 。) 分另0 为o ( ci。+ C 。) 、1 0 ( c。+ C 。) 、2 0 ( C 。+ c，) ，可以得到在不同离地高度和未中和电容情况下传 输系数的变化情况，如表2 所示。在未中和电容为 1 0 ( C 。+ C ，) 情况下，电极板离地高度不超过1 0ci n 时，传输系数误差均小于1 0 ；在未中和电容为 2 0 ( c。+ C ，) 情况下，电极板离地高度不超过5cm 时，传输系数误差均小于1 0 。进一步，图6 为在电极板 离地高度为5e m 的极端情况下，电场传感器在不同未中 和电容时的频率响应曲线。随着未中和电容的增大，通带 内的传输系数逐渐下降，但在未中和电容为2 0 ( C 。+ C ，) 情况下，传输系数依然高于0 9 。在未中和电容变化 时，相位曲线基本不变。 在实际应用情形中，即使在丘陵、戈壁等地平面覆盖 一层砂砾环境下，电极板离地高度控制在5cm 以内也并 非难事。因此，将未中和电容控制在2 0 ( C 。+ c。) 以 内即能满足传输误差低于1 0 的精度要求。 10 景0 9 未 三O8 e O 7 0 ”1 0 l】0 频率H z ( a ) 幅何值 a ) T h em n p lit u d ev a lu e 0 “1 0 11 0 二 蜘率H z ( b 1 【位值 图6 不同未中和电容时的频率响应曲线 F ig 6 T h ef r e q u e n e yr e s p o n s ecu r v e sf o rd if f e r e n t u n n e u t r a liz e dca p a cit a n ce 4 外场测试 实验组于2 0 1 5 年5 月前往河北张北地区进行低频 电容性电场传感器与不极化电极的外场验证实验。实验 所用的不极化电极均为P b P b C l：电极。 4 1 外场实验布置 外场实验与多通道瞬变电磁法( m u lt i ch a n n e l t r a n s ie n te le ct r o m a g n e t ic，M T E M ) 项目验证实验同时进 行，故而直接采用M T E M 的发射源，电场传感器( E s ) 和 不极化电极( N P E ) 的接收线则平行布置在M T E M 测线 的附近，如图7 所示。M T E M 测线共1 2 个测点，每个测 点包含5 支电极和1 支磁场传感器，测点中心距为 2 4 0m 。接收线中心点距发射源27 8 0m ，也即位于测线 远端。电极极距为6 0m 。 图7 外场实验布置示意图 F ig 7 T h es ch e m a t ic d ia g r a mo ff ie ld e x p e r im e n ta r r a n g e m e n t 将一对电场传感器与不极化电极相邻平行放置，间 距为1m 。不极化电极埋入地面下约2 0cm ，并浇灌盐 水。在实验过程中不极化电极接地阻抗未超过5 0 0Q 。 电场传感器则直接放置于地面上，如图8 所示。数据采 集则使用M T E M 接收机。 表2 不同耦合电容变化时的传输系数 T a b le2T r a n s m is s io nco e f f icie n tch a n g e sw it h co u p lin gca p a cit a n ce 高度 传输系数 翥F 丽可F 瓦瓦F 丽 o ( C i。+ C g ) 1 0 ( C i。+ C g ) 2 0 ( C 。+ q ) O 2 51 7 1 0 6 1 0 0 0 ( 0 ) 0 9 9 7 ( 0 3 ) 0 9 9 4 ( 0 6 ) 1 4 6 7 5 1 0 0 0 ( O ) 0 9 8 9 ( 1 1 ) 0 9 7 9 ( 2 1 ) 2 52 1 2 3 1 0 0 0 ( O ) 0 9 7 7 ( 2 3 ) 0 9 5 5 ( 4 5 ) 51 2 4 l 1 0 0 0 ( O ) 0 9 6 1 ( 3 9 ) 0 9 2 5 ( 7 5 ) 1 07 7 7 0 9 9 9 ( 0 1 ) 0 9 3 9 ( 6 1 ) 0 8 8 5 ( 1 1 5 ) 图8 实验场景 F ig 8 T h ee x p e r im e n ts e t u p 第1 2 期 王志宇等：一种新型地球物理电容性电场传感器研究 2 6 8 3 4 2 外场测试结果与分析 发射源为5H z 方波时电场传感器和不极化电极所 接收信号的时域和频域波形如图9 所示，图中已通过自 适应滤波滤除5 0H z 工频干扰。时域上电场传感器与不 极化电极波形基本一致，频域上在信号基频及其谐波处 幅值一致。 圣：r ，_ ，_ - 一- - 一一 耋一： oooo 一0ooo 豪1 0s 一些幽 图9电场传感器和不极化电极时域波形与 频域功率谱密度 F ig 9 T h et im ed o m a in 、 a v e lm I lla n df i e q u e n e yd o m a in p o w m s p e ct r a ld e n s it yI P U I v e so fe le ct r ic：f ie ld s e n s o ra lld n o ll p o lm iz a b le e le ct r o d e 电场传感器和不极化电极的背景噪声，包括电极和 接收机的固有噪声以及天然电场噪声。在0 5H z 以下 频率范围，电场传感器噪声略大于不极化电极噪声。在 同一时刻，可认为两支电极所测量的接收机的固有噪声 和天然电场噪声一致，因此两支所测量背景噪声的差异 在于电极自身的固有噪声，故而电场传感器的固有噪声 为1 0 。4V r m s 、H z 0 1H z 。在0 5H z 以上频率范围， 电场传感器和不极化电极所测量的背景噪声基本一致， 在5 0H z 以上频率范围电场传感器噪声比不极化电极噪 声略低。 图1 0 对比了电场传感器和不极化电极在0 0 3H z 1k H z 频率段幅度比值和相位差异。在0 1H z 1k H z 频 率段电场传感器和不极化电极的幅值比为0 9 6 l，相 位差异小于2 0 0 。在截止频率0 0 3H z 处，幅值比为 0 7 5 ，略高于仿真结果。 从图9 和1 0 及分析结果可知，该电场传感器能够准 确测量地电场信号，在0 1H z 1 k H z 范围内能获得与不 极化电极相似的测量结果，幅值差异小于5 。在M T E M 测量中，电场传感器即使位于测线远端，依然能获得足够 的信噪比。 该电场传感器结合了线电极和不极化电极的有点。 与线电极相比，电场传感器可精确测量低至0 1H z 的地 电场信号，也即意味着使用电场传感器的系统将具备更 大的探测深度。相比于不极化电极，电场传感器不依赖 于电极与环境中离子的氧化还原反应而进行地电场的测 量，这使其在难以获得良好接地电阻的高阻区具有极大 的优势。而电场传感器在相同极距情况下可以获得和不 极化电极相同的测量结果，也即意味着电场传感器在不 对测量偏差进行校准的情况下适合现有的地球物理勘探 系统，如多通道瞬变电磁法、音频大地电磁法等。 频率H z ( a ) 幅度比值 ( a ) T h ea m p lit u d er a t io 频率H z ( b ) 相位差 ( b ) T h ep h a s ed if f e r e n ce 图1 0电场传感器和不极化电极的幅度比值与相位差 F ig 1 0 T h ea m p lit u d er a t ioa n dp h a s ed if f e r e n ceo f e le ct r ic f ie lds e n s o ra n dn o n p o la r iz a b lee le ct r o d e 5 结论 研究了电容性电场传感器在地球物理勘探中的应用 问题。根据对电场测量系统等效电路的分析，指出电容 性电场传感器测量地电场的可能性。鉴于通常电容性电 场传感器难以应用至低频的问题，提出了一种低频电容 性电场传感器的结构，并设计了相应的检测电路。检测 电路采用电容中和技术以抑制输入电容和杂散电容对耦 合电容的影响，提高了传感器的检测精度，并通过仿真验 证了电容中和技术的可行性。外场测试结果表明，该电 2 6 8 4仪器仪表学报 第37 卷 场传感器可以实现对地下电场的有效测量，在0 1H z 1k H z 范围内获得与不极化电极相似的测量结果，二者幅 值差异小于5 。 低频电容性电场传感器作为一种新型的地电场测量 仪器，在一定程度上弥补了不极化电极在应用上的不足， 在沙漠、冻土、戈壁等高阻地区的地球物理勘探应用上具 有良好的应用前景。 参考文献 1 何继善电法勘探的发展和展望 J 地球物理学报， 1 9 9 7 ( 增刊1 ) ：3 0 8 3 1 6 H EJ S H D e v e lo p m e n t a n d p r o s p e ct o fe le ct r ica l p r o s p e ct in gm e t h o d J A ct aG e o p h y s icas in ica ，1 9 9 7 ( S u p p l1 ) ：3 0 8 3 1 6 2 S A M O U L I A NA ，C O U S I NI ，T A B B A G HA ，e ta 1 E le ct r ica l r e s is t iv it ys u r v e yins o ils cie n ce ：Ar e v ie w J S o ila n dT illa g er e s e a r ch ，2 0 0 5 ，8 3 ( 2 ) ：1 7 3 1 9 3 3 王辉，叶高峰，魏文博，等大地电磁测深中大地电场 的高精度采集技术 J 地球物理学进展，2 0 1 3 ， 2 8 ( 3 ) ：1 1 9 9 1 2 0 7 W A N GH ，Y EGF ，W E IW B ，e ta t H ig h p r e cis io n a cq u is it io nt e ch n o lo g yo ft e llu r icf ie ldo nm a g n e t o t e llu r ics J P r o g r e s sinG e o p h y s ics ，2 0 1 3 ，2 8 ( 3 ) ：1 1 9 9 1 2 0 7 4 T I M O F E E VVM ，R O G O Z I N S K IAW ，H U N T E RJA ， e ta t An e wg r o u n dr e s is t iv it ym e t h o df o re n g in e e r in g a n de n v ir o n m e n t a l g e o p h y s ics C S y m p o s iu mo nt h e A p p lica t io n o f G e o p h y s ics t o E n g in e e r in g a n d E n v ir o n m e n t a l P r o b le m s ，E n v ir o n m e n ta n dE n g in e e r in g G e o p h y s ica lS o cie t y ，1 9 9 4 ：7 0 1 - 7 1 5 5 N E U K I R C HM ，K L I T Z S C HN I n v e r t in gca p a cit iv e r e s is t iv it y ( 1 in ee le ct r o d e ) m e a s u r e m e n t sw it hd ir e ct cu r r e n tin v e r s io np r o g r a m s J V a d o s eZ o n eJ o u r n a l， 2 0 1 0 ，9 ( 4 ) ：8 8 2 8 9 2 6 K U R A SO T h eca p a cit iv er e s is t iv it yt e ch n iq u ef o r e le ct r ica l im a g in g o ft h es h a llo w s u b s u r f a ce D N o t t in g h a m ：U n iv e r s it yo fN o t t in g h a m ，2 0 0 2 7 O L D E N B O R G E RGA ，L E B L A N CAM C a p a cit iv e r e s is t iv it yin v e r s io nu s in ge f f e ct iv ed ip o lele n g t h sf o rlin e a n t e n n a s J J o u r n a l o fA p p lie dG e o p h y s ics ，2 0 1 3 ， 9 8 ( 9 8 ) ：2 2 9 - 2 3 6 8 N I UQ ，W A N GYH T h e o r e t ica la n d e x p e r im e n t a l e x a m in a t io n so ft h eca p a cit iv e lyco u p le dr e s is t iv it y ( 1 in e a n t e n n a ) m e t h o d J G e o p h y s ics ，2 0 1 3 ，7 8 ( 4 ) ： E 1 8 9 E 1 9 9 9 N I UQ ，W A N GYH ，Z H A OK E v a lu a t io no ft h e ca p a cit iv e lyco u p le dr e s is t iv it y ( 1 in ea n t e n n a ) m e t h o df o r 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 t h ech a r a ct e r iz a t io no fv a d o s ez o n ed y n a m ics J J o u r n a l o fA p p lie dG e o p h y s ics ，2 0 1 4 ，1 0 6 ( 7 ) ：11 9 1 2 7 H I B B SA ，P E T R O VT ，P E N D L E T O NJ ，e ta t N e w e le ct r o m a g n e t ic s e n s o r sf o rm a g n e t o t e llu r ica n din d u ce d p o la r iz a t io ng e o p h y s ica ls u r v e y s c S E GT e ch n ica l P r o g r a mE x p a n d e dA b s t r a ct s 2 0 1 2 ：1 5 M A R S A L AAF ，H I B B SAD ，P E T R O VTR ，e ta 1 S ix co m p o n e n tt e n s o ro f t h es u r f a ce e le ct r o m a g n e t ic f ie ld p r o d u ce db y ab o r e h o les o u r cer e co r d e db yin n o v a t iv e ca p a cit iv es e n s o r s c S E GT e ch n ica l P r o g r a m