一种电容性电场传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种电容性电场传感器，应用于地球物理勘探领域中地电场的测量，主要包括：电极板，使用金属材料制成，用于感应地下电场电势；前置放大器，具有极高的输入阻抗，用于将电极板所接收的电场电荷信号转换为电压信号并进行调理；短导线，用于将电极板所接收到的信号传输至前置放大器输入端；传感器输出线，用于将调理后的传感器信号输出。本发明的电容性电场传感器可以将传感器放置于地面上进行大地电场的测量，避免了传统不极化电极在使用时需要挖坑、掩埋、灌水的环节，同时还可以应用在传统不极化电极所难以发挥作用的沙漠、沙石等地带，具有使用方便的特点，易用性明显提高。
【专利说明】-种电容性电场传感器
【技术领域】
[0001] 本发明设及地球物理勘探中地电场的测量装置，特别设及一种电容性电场传感 器，应用于电法勘探中的电场数据采集。
【背景技术】
[0002] 目前，在电法勘探中为了减小金属电极极化的影响，普遍使用不极化电极进行地 电场的数据采集。如图1所示，不极化电极通常由电极巧1、电解质3、电极保护壳2、底部 装置4和5、顶部装置6及输出线7组成，电极巧通常由某种金属制成，如铅、铜、银等，电解 质由该金属的金属盐与填充物质按一定比例混合制成，电解质的物理形态可W为固体或液 体，电极形状可W为圆柱状或锥状。不极化电极在使用时将电极埋入地下，并视±壤条件诱 灌适量盐水。电解质通过电极底部通孔渗透到大地，与大地中的离子发生氧化还原反应，进 而获取大地的电场电势值。但是该种不极化电极在实际使用中存在诸多不便和困难之处： (1)为改善不极化电极与大地的接触条件，在布设电极时需要将不极化电极埋入地下并灌 水，该在作业时十分不便，在如沙漠、沙石、冻±等地带变得困难甚至不可能；(2)不极化电 极在存放时有严格要求，须将电极放置在相应的溶液之中，电极底部不能长时间裸露在空 气中；（3)不极化电极在使用前需进行配对，W达到较小的极差；(4)不极化电极难W长时 间连续稳定工作，由于诱灌盐水的流失，不极化电极接地条件发生改变，导致测量效果产生 差异。
[0003] 为应对不极化电极的该些缺陷，人们从上世纪70年代开始尝试使用电容性电场 传感器（或称电容性电极），在90年代之后国外多个国家开展电容性电场传感器的相关研 究，并有商业产品面向市�。缑拦鶪eometries公司所推出的Ohm-Mapper。但该些产品中 存在明显的不足；它们均工作在较高的频率，仅能探测地下浅层目标，与不极化电极的性能 有不小差距，无法取代不极化电极。
【发明内容】
[0004] 针对上述技术问题，本发明的主要目的之一在于提供一种电容性电场传感器，W 便能够直接放置于地面上、无需掩埋和灌水即能进行地电场测量，同时该电场传感器具有 很好的低频特性。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种电容性电场传感器，包括：
[0006] 电极板，用于感应地电场电势；
[0007] 短导线，用于将所述电极板接收到的信号传输至前置放大器输入端；
[000引前置放大器，用于将所述电极板接收的电场电荷信号转换为电压信号并进行调 理；化及
[0009] 传感器输出线，用于将所述调理后的电压信号输出；
[0010] 其中，所述电极板使用金属材料制成，与地面不直接接触。
[0011] 其中，所述电极板使用的金属材料选自铜、侣、铁或粗。
[0012] 其中，所述短导线表面覆有由聚四氣己締材料制成的绝缘层。
[0013] 其中，所述前置放大器具有不低于1〇12欧姆的输入阻抗。
[0014] 所述电容性电场传感器，还包括传感器外盒，用于对所述电容性电场传感器进行 保护。
[0015] 其中，所述传感器外盒由高分子聚合物材料制成。
[0016] 其中，所述高分子聚合物材料为酪醒树脂、聚碳酸醋或聚四氣己締。
[0017] 所述电容性电场传感器还包括由聚四氣己締或聚酷胺材料制成的绝缘柱，所述绝 缘柱不仅将所述电极板与所述传感器外盒隔开，避免电极板上电荷泄漏至所述传感器外盒 上，同时起到固定所述电极板的作用。
[001引其中，所述电容性电场传感器的工作带宽为lOmHz?10曲Z。
[0019] 通过上述技术方案可知，本发明具有W下有益效果；电容性传感器直接放置于地 面上进行地电场的测量，无需掩埋，无需灌水，操作便捷；电容性传感器具有较宽的工作频 带，低频可W至10恤Z，高频至10曲Z，满足MT、CSMT、AMT、IP等多种测量方式；电容性传感 器在保证供电的情况下可W长期连续稳定工作；电容性传感器无需特殊的保存环境。不极 化电极在储存时需要放入相应的电解质溶液中，底部禁止干燥，而电容性传感器保存在干 燥的环境下即可。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为现有技术中的不极化电极的结构示意图；
[0021] 图2为本发明的电容性电场传感器的结构示意图；
[0022] 图3为电容性电场传感器在测量时的等效电路图；
[0023] 图4为信号源与传感器输出信号之间传输函数的波特图。
【具体实施方式】
[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，W下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部 分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员 所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等 于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的 方向用语，例如"上V吓"、"前"、"后"、"左"、"右"等，仅是参考附图的方向。因此，使用的 方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
[0025] 本发明的电容性电场传感器使用电荷感应的方式，而非不极化电极使用离子交换 的方式来获取地下电场电势，该种工作方式决定了电容性电场传感器可W置于地面上进行 地电场的测量，并避免了电极对接地条件的要求。本发明的电容性电场传感器主要包括；电 极板，使用金属材料制成，用于感应地下电场；前置放大器，具有不低于1〇12欧姆的输入阻 抗，用于将电极板接收的电场电荷信号转换为电压信号并进行放大；短导线，用于连接电极 板和前置放大器；传感器输出线，用于将传感器信号输出；可选的传感器外盒，使用非金属 材料制成，用于对传感器进行保护；W及可选的绝缘柱，使用不低于1〇1 2欧姆?厘米体电阻 率的绝缘材料制成，用于防止电极板上的电荷向传感器外盒泄露。
[0026] 通过增大电容性电场传感器中电极板与大地之间的禪合电容并提高前置放大器 的输入阻抗值，进而扩宽电容性电场传感器的工作带宽，可W使之工作至10恤Z的低频环 境。
[0027] 下面通过具体实施例对本发明做进一步的阐述。
[002引在本发明的一个实施例中，提供了一种置于地面上便可W进行地下电场测量的电 容性电场传感器。参考图2,本发明的电容性电场传感器包括；由金属材料制成的电极板 10,用于接收大地电场信号，金属材料可W是铜、侣等化学性质较为活泼的金属，也可W是 铁、粗等化学性质惰性的金属；具有超高的输入阻抗的前置放大器8,用于将接收到的大地 电场信号转换为电压信号，并进行适当的放大；用于连接电极板10和前置放大器8的导体 12,导体12表面覆有由聚四氣己締材料制成的绝缘层；用于传感器输出的输出同轴线14， 输出线14和前置放大器8的输出相连接；由非金属材料制成的传感器外盒9,非金属材料 可W是酪醒树脂、聚碳酸醋、聚四氣己締等高分子材料，用于对传感器进行保护；由聚四氣 己締或聚酷胺材料制成的绝缘柱11，绝缘柱11不仅可W将电极板10和传感器外盒9隔开， 保证两者之间有足够高的阻抗，同时起到固定电极板10的作用。此外，电容性电场传感器 还包括用于给传感器供电的接口 15和用于开启或关停传感器的开关13。
[0029] 电极板10与大地16之间由于使用低电导率高分子材料制成的传感器外盒及绝缘 柱11隔开，两者之间不存在电气连接，可W将电极板与大地和其中的绝缘体等效为一个电 容器Ccouple，如图3所示，大地的电场电势通过电容器禪合至电极板，故称该电场传感器 为电容性电场传感器。该与传统的不极化电极不同，不极化电极通过电极中的电解质与大 地中的离子进行氧化还原反应，进而在电极上产生与大地电场电势等值的电势值。不极化 电极与大地之间存在真实的电流路径，而电容性电场传感器却是通过电容禪合来获得大地 的电场电势，传感器与大地之间并不存在真实的电流路径。但又与早期的电容性电场传感 器不同，本发明的电容性电场传感器的最低工作频率可W达lOmHz，而早期的电容性电场传 感器多在音频频率段。
[0030] 记大地电场电势为Vs，前置放大器8的输入电阻为化n、输入电容为Cin，那么前置 放大电路8的输入端电压Vin为；
[0031]
【权利要求】
1. 一种电容性电场传感器，包括： 电极板，用于感应地电场电势； 短导线，用于将所述电极板接收到的信号传输至前置放大器输入端； 前置放大器，用于将所述电极板接收的电场电荷信号转换为电压信号并进行调理；以 及 传感器输出线，用于将所述调理后的电压信号输出。
2. 根据权利要求1所述的电容性电场传感器，其中所述电极板使用金属材料制成，与 地面不直接接触。
3. 根据权利要求2所述的电容性电场传感器，其中所述电极板使用的金属材料选自 铜、错、钛或钽。
4. 根据权利要求1所述的电容性电场传感器，其中所述短导线表面覆有由聚四氟乙烯 材料制成的绝缘层。
5. 根据权利要求1所述的电容性电场传感器，其中所述前置放大器具有不低于10 12欧 姆的输入阻抗。
6. 根据权利要求1所述的电容性电场传感器，还包括传感器外盒，用于对所述电容性 电场传感器进行保护。
7. 根据权利要求6所述的电容性电场传感器，其中所述传感器外盒由高分子聚合物材 料制成。
8. 根据权利要求7所述的电容性电场传感器，其中所述高分子聚合物材料为酚醛树 月旨、聚碳酸酯或聚四氟乙烯。
9. 根据权利要求1所述的电容性电场传感器，还包括由聚四氟乙烯或聚酰胺材料制成 的绝缘柱，所述绝缘柱不仅将所述电极板与所述传感器外盒隔开，避免电极板上电荷泄漏 至所述传感器外盒上，同时起到固定所述电极板的作用。
10. 根据权利要求1所述的电容性电场传感器，所述电容性电场传感器的工作带宽为 10mHz ?10kHz。
【文档编号】G01V3/08GK104502734SQ201410840734
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月30日 优先权日:2014年12月30日
【发明者】王顺, 王志宇, 方广有 申请人:中国科学院电子学研究所
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