野外电磁勘探仪器中的电场传感器和磁场传感器

电法勘探中的传感器电法勘探分成传导类电法勘探和感应类电法勘探两类。对于传导类电法勘探只需进行电场测量就可以了，对于感应类电法勘探则要进行电场和磁场两种测量，下面介绍两种测量的传感器：4.1电场接收器电场接收器,简称测量电极。相对其它地学传感器而言，测量电极的构造很简单。人们经常使用的测量电极主要有三类:金属电极式电场接收器；石墨电极式电场接收器；金属-金属盐溶液式电场接收器。在电法勘探中，电场接收器的接收质量主要由三个特性来衡量：电场接收器的噪声频谱范围、温度系数和极化程度的长时间稳定性。一、电场接收器的噪声电场接收器的用途是给出其布极地点介质电位差。这样，它就必须将这点的大地中所含离子导体的电位传送给电子导体，即金属测量线。然后，被送去测量系统进行各种信号处理。在应用电场接收器对大地电场进行测量时，金属和电解质之间的接触面上会产生一种附加电位。如果这种附加电位保持常数，它们就不会对两个电极之间的电位差变化（即大地电位差变化）产生干扰。如果它们是一个不稳定的常数值，则这种附加电位（又称接触电位）的变化可能与信号混淆，从而形成对测量信号的干扰，这就是电场接收器的噪声。一般说来，噪声的大小可以用噪声密度来衡量，噪声密度可以用VHz的形式来表示。但是，这种方式不能直接给出噪声对测量的影响。为了对两个器件的噪声进行比较，比较合理的方法是利用一个带宽常数厶F/F。如果选择厶F=F,F1：F=F：F?和F2-F1=F，便由此可得F1=0.62F和F2=1.62F。在我们的讨论中，噪声值都以峰-峰电压值表示，而带宽都是取值为F。二、电场接收器噪声的测试由仪器测量到的噪声为装置的总体噪声。为此，必须尽量排除记录装置中每个噪声源的影响，其它的噪声源有：1、 放大器的噪声因为一个好的电极的噪声是很低的，一般约几MV左右，所以，应该利用优良的低噪声放大器，它应有差分的输入形式，以及高的输入电阻，放大器的第一级要采用低噪声器件2、 高频噪声的滤除：在信号输入之前，就需要将测频带以外的各种频率滤除干净，如广播电视和大气层中的高频噪声。3、 测量线干扰的滤除如果测量线是松散地放在大地上，空气对流产生的风就会使它们发生运动，测量线切割磁力线而产生感应电动势，这种感应电动势一般约为10微伏左右。除此之外，还可在实验室进行电极的噪声测试，方法是：两个电极都放在一个盛满泥土的箱子中，其间距为10――20厘米，这样测量出的噪声为其它的噪声源。电极噪声随时间增长而减小，但规律随电极不同而不同。在地球物理测量中，人们应用了许多类型的电场接收器（电极），经常使用的有三类：A：金属电极，B、石墨电极；C、不极化电极。在电极布好之后，其噪声随时间增长而减小。而对所有电极来说，其噪声都是随频率上升而减小。在高于10Hz时，和电极噪声相比，放大器的噪声则占更重要的地位。见下图。1．金属电极式电场接收器：铁测量电极（铁棒）、铜测量电极（铜棒）是这类测量电极度中的典型代表。这类测量电极的主要特点是简单、牢固、使用和携带都方便。但是，它接收电场的质量较差，不适用于进行高精度的电场测量。它们的噪声太大，在0.01Hz时，电极度布放0.5〜1小时之后的噪声约为10pV,在24小时以后,仍达到4pV,这些电极需要很长时间才能达到稳定状态。如果将这些电极用水或硫酸铜溶液润湿后再布放，可使接触电阻大大降低，但却使噪声增加。对于高于10Hz的信号频率来说，放大器的噪声已占主要地位，因此，在应用于高于10Hz的测量频段时，这种电极和其它电极相比，在噪声方面无多大差别。但是，它简单方便，因此，在高频测量时可以应用这种电极。2．石墨电极式电场接收器这类电场接收器适用于海洋中进行大地电场的测量，它是一种非金属电子导体。它的噪声也很大，即使在稳定24小时以后，噪声仍很大，在0.01Hz时达13pV.3.金属-金属盐溶液式电场接收器这类电场接收器应用比较广泛,俗称不极化电极。不极化电极可分为下列几种：铜-硫酸铜（Cu-CuSO?电极:

这种电极是首先应用于电法勘探中的一种电极其硫酸铜溶液是装在素烧瓷罐中，以此和大地接触。这种电极的噪声不大，在0.01Hz时为3pV,获得较小噪声的稳定时间大约为1小时.镉-氯化镉(Cd-CdJ)电极：镉棒和镉盐溶液(氯化物或硫化物),和铜-硫酸铜电极结构相同,是装在素烧瓷罐中,其底部是多孔的无釉瓷,以保证和大地接触。对于上述两种不极化电极来说,在有些情况下,可观察到一些异常情况,会发现一些大噪声变化,这些现象一般与电解液有关.其原因是由于金属电极上有气泡放出,当罐未完全充满液体时,会出现三重接触:电解质-空气-金属;或是因在素烧(多孔)瓷中的流体突然发生变化(当过滤电位因某种情况而改变时)引起的.银-氯化银(Ag-AgCl)电极：这种电极经常用作参考电极，其电极噪声很低，在0.01Hz时，仅为1.5pV,且稳定时间很短。这种电极的制作是：在银棒上镀上一层氯化银，然后，将其放在饱和的氯化钠冻粉胶(或粘泥)中，这样保证其成为导电介质，因为氯化银是一种难溶于水的盐。最后，将冻胶粉(或粘泥土)装入一个布袋或一侧开口的木箱中，这样既保证了电极箱的牢固而又不妨碍和大地的接触。这种电极装置，从中心到边缘其盐浓度是逐渐降低的。氯化钠可用氯化钾来代替，以便降低其渗透电位。铅-氯化铅(Pb-PbCl?)电极：铅-氯化铅(Pb-PbCl2)电极在低频时噪声很低，甚至比银■氯化银(Ag-AgCl)电极还低，在0.01Hz时,为1.2pV,且稳定时间也很短，约为0.5〜1小时。这种电极的制作方法是将铅丝放在装有灰泥的容器中。灰泥是由饱和的PbCl2(15g/kg)和NaCl(360g/kg)混合而成的。就低于10Hz的电场接收器的噪声和稳定时间来说，上述的实测结果显示了不极化电极的优点。事实上，对于这些电极来说，金属和土壤间的接触可分为两个独立的步骤。第一步接触是金属材料和电解质间的接触，这种接触将产生很大的接触电位(约为0.1〜IV)。但是，这种电极的金属材料是位于电极装置的中心，其溶液浓度是固定的，且受到某种保护作用的影响，所以，这种接触电位是很稳定的。第二步接触是土壤电解质和金属电解质间的接触，这种接触电位不起关键作用因其接触电位值要小得多，仅有几个毫伏左右。但这种电位却是一种不稳定因素，就电极噪声来说，它却起着重要的作用。一般说来这种电位是由扩散电位引起的。二、电场接收器的温度系数不极化电极式电场接收器的电极电位可由Nernst公式给出：E=E+(RT/nF)Ln{M+n}0式中：Eo为标准电位(25oC,{M+n}=i)，其值勤可由化学表中查出；R为理想气体常数。T为绝对温度。F为法位第常数；口为金属化合价。RT/F=0.0257{M+n}表示金属离子活动性，为简单起见，在下述讨论中,我们以其浓度代替。这种金属棒电极电位自身可和溶液中的离子浓度相抵消。我们称这个浓度为平平稳衡浓度，记为{M+n}，这样，便有：度，eq/nF)Ln{M+n}eq/nF)Ln{M+n/nF)Ln{M+n}eq/nF)Ln{M+n}eqo由此，E=—(RT从而电极电位便成为:E=(RT/nF)Ln{{M+n}/{M+n}}(].4.eq这里，平衡浓度可写成下面表达式：{M+n} =e-nFE0/RTeq为了求得温度系数，必须在(1．4．4)式中对温度进行微分是温度的函数，所以，可得到：dE/dT=E/T+(RT/nF)[({M+n}'/{M+n})-({M+n}／/{M+n})](1.4.5)eqeq这里，{M+n}'=(d/dT){M+n}如果电极的盐是一种难溶盐，盐的分子式记为(MX),则离子浓度M+n可由下式来定n义：{M+n}=K/{X-}nS这里Ks是溶解度常数，而{X-}是这种金属盐或具有共同离子盐溶液离子X-的总浓度。结果，温度系数则变为：dE/dT=E/T+(RT/nF)[K'/K-(n{X-}'/{X-})-({M+n}//{M+n})]SS eq eq由温度系数表示式中可知，温度系数和盐的溶解度及离子活动性随温度的变化而变化(如果溶液是饱和的)。其中，含{M+n}'的项很重要，该项是由金属的性质决定的，E/T项也是重要的，因为可以通过改变金属离子的浓度来改变，用此方法，可使电极温度系数为零。一、电场接收器的极化电位差测量大地电场变化时，在大地中流动的部分电流，在这种电流的作用下，离子平衡被破坏，因而引起电极电位的变化，这种现象称为电极极化。电极的极化电位差会给测量带来严重的干扰。对于金属电极和石墨电极来说，电极极化是相当不稳的，变化幅度约为10〜20mV，而不极化电极(例如铜、镉、银、汞和铅组成的不极化电极)的极化电位为十分之一到几mV之间。四、电极应用的选择综上所述，对于高于10Hz的电场信号测量来说，仪器的放大倍数噪声仍占主要地位，在这样的频段，就可以简单地利用金属棒插入地中作为测量电极。对于低于10Hz的频率而言(直到几分钟为周期的信号)，可以利用Ag-AgCl、Pb-PbCl2、、Cu-CuS04电极。1.5.2磁场接收器磁场接收器主要有三类:磁感应式、磁饱和式和超导式。目前，在电法勘探中最广泛应用的是磁感应式磁场接收器，下面仅对磁感应式磁场接收器进行讨论，其它二类磁场接收器可以参考有关资料。一、 磁感应式磁场接收器的组成：图1.4.1示出了一种磁感应式磁场接收器的基本组成，图中，除线路成分之外，还示出了其噪声源的分布情况。磁感应式磁场接收器通常都由线圈和放大器两部分组成。线圈中包括绕组和磁心两部分。磁心通常是由高导磁率的玻莫合金做成。线圈部分的电参数有三种：自感(L)、电阻(R)和分布电容(C0)。所以，基本上是一个振荡电路的形式。除了基本的线圈和放大器以外，为了排除广播效应的干扰，还需要加静电屏蔽。二、 磁感应式磁场接收器的信号和噪声1．信号和噪声源信号是以感应电动势的形式在线圈中出现。其电动势是由所检测的磁场的变化引起的。对于噪声来说，其来源是多方面的，可分述如下：、线圈的热噪声：由绕组的电阻(rl)引起。、磁心损耗噪声：此种噪声由磁心的损耗(如磁心涡流等)引起。我们可以用一个等效电阻(R)来等效，并把它归到线圈电路中去。N、屏蔽噪声：屏蔽材料中的涡流也会引起噪声，同样，我们也可以用一个等效电阻(RB)来等效，归到线圈电路中去。、绕组中的附加损耗噪声和绝缘物中的或然损耗噪声：由于在某一给定的时刻，线圈绕组中并不是处处都有相同的数值，会使绕组存在有额外损耗噪声，同时绝缘物中也存在或然额外损耗噪声，我们以等效电阻(RC)来代之。、放大器噪声：它可能由两种独立的噪声源引起，一种是电压噪声源e,另一种是b电流噪声源I。b2．所测信号，感应电动势的计算：和在输入端的信号源阻抗相比，放大器的输入阻抗可以认为是很大的，但输入端AB间还存在有分布电容，我们将此种分布电容归并到co中去。根据电磁感应定律，感应电动势(e)的表达式可写成：e=-npSPh (1.4.2)式中：n—线圈绕组圈数；|J—磁心的导磁率；S—线圈绕截面积；P—运算子符号；h—外磁场强度。设G(P)为线圈振荡电路的传输函数，则AB间的电位差V=e*G(P)=e*(1/(1+RcP+LcP2))AB 0 0而AB间的阻抗可表示为：Z=(R+LP)/(1+RcP+LcP2)003．噪声值的理论估算：根据热力学定律，电阻R的热噪声瞬时值电压(e)可以写成：Re二丁4KTRAFR式中：K—波尔兹曼常数，为1.38X10-23j/rad(绝对温度)；T—绝对温度；△F—噪声等效频带。在输入电路中，有源成分(L和C°)不产生噪声，但是它形成的振荡电路却能把噪声变成和信号相似的形式。它在放大器输入端便形成一个电位差(V,瞬时值)RV=eRG(P)=eR*(1/(1+RCP+LCP2))RR R 0 0从而，在放大器的输入端，它和放大器的噪声进行能量相加，形成磁场接收器的总噪声。放大器的电流噪声源在AB端之间形成一个噪声电位差iZ。因此，连同电压源噪声，其b