电法仪的原理与结构.docx
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电法仪的原理与结构
6.1电法勘查的数据采集特点
电法勘查的数据采集特点与其他物探方法既具有相同点，也具有不同点。
其相同点是都具有原始数据的特性，即包含有用信息和环境噪声两大部分，有用信息是指在某一方面反映地下地质情况的信息，环境噪声是指工作地点测量当时的噪声，通常具有随机性。
原始数据是地质环境、工作环境、时间的函数，还与仪器、甚至操作者有关，因为不同型号的仪器的测量精度及抗干扰能力不同，操作者设置的测量仪器参数的不同也会影响测量的结果。
作为正确反映地下地质情况的原始数据，在去除工作环境的噪声干扰和正常日变以后，在相同地点测量应该具有重复性，不同仪器同时测量相同参数应具有可比性。
一、电法勘探方法数据采集的多样性
电法勘查数据采集与其他物探方法的数据采集的不同点在于电法勘查数据采集的多样性，这是与电法勘查方法的多样性分不开的。
它的多样性表现在下列几个方面。
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1、采集形式的多样性
电法勘查方法多，工作方式各不相同，装置不同，场的特点不同，传感器不同，使得采集形式多样。
它既有天然场源的方法，也有人工场源的方法。
既可以采用接地电极测量电场，也可以采用不接地的线圈测量磁场；既可以测量相对量，也可以测量绝对量；既可以测量标量，也可以测量矢量；既可以测量振幅和相位，也可以测量实虚分量；既可以测量总场，也可以测量纯异常场。
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2．采集参数的多样性
电法勘查方法多，不同的电法勘查方法则量不同的参数，使得采集参数多样。
自然电场法测量电位U或电位差ΔU；电阻率法测量电位差ΔU和电流I来换算视电阻率ρs；激发极化法测量一次场电位差ΔU1和二次场电位差ΔU2来计算视极化率ηs；频率测深法测量交变电场E和交变磁场H的各分量来换算视电阻率ρs等。
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3．采集序列的多样性
电法勘查方法可以在不同的采样空间进行采样，可以是空间采样序列，如电剖面法，通过固定装置，改变空间测点位置，来测量地下电场沿空间水平方向上的变化；又如电测深法，固定测点，通过改变供电极距，来测量电场沿空间垂直方向上的变化，研究场的空间变化特性；也可以是频率采样序列．如大地电磁加深法和频谱激电法等，在相同测点上．通过改变测量（和供电）频率，测量电磁场随频率的变化，研究场的频率特性；还可以是时间采样序列，如瞬变电磁法等，在相同测点上，测量电磁场随时间的变化，研究电磁场的时间特性。
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4．采集场所的多样性
由于电法勘查方法可以在空中、地面、并中等不同场所工作，因此，电法勘查的数据采集也可以是在空中（航空电法）、地面（地面电法）、井中（井中电法）进行。
由于测量场所不同，研究的电磁场的侧重点有所不同，因而所使用的仪器的特性和研究方法也会有所不同文档来自于网络搜索
二、电法勘查方法数据采集的复杂性
电法勘查方法由于其测量的场的多样性，造成了其数据采集的复杂性。
1、成分复杂
由于测量采用的装置及传感器的多样性，以及电场或电磁场的特点，使得测量仪器所获得的信号成分比较复杂。
如在地面直流电法勘查中，测量视电阻率时，测到的信号包括大地中电场的信号（地质信号和干扰信号）、电极极化信号（由于电极极化差产生）和仪器本身的噪声信号（由于仪器电路和器件的不稳定和电磁窜扰产生）。
在进行激发极化法工作时，不同的仪器参数（供电时间、测量时刻等）都会影响测量结果。
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2．关系复杂
在各物探方法中，电场和电磁场相对于重力场、磁力场和振动波场来说，更复杂一些。
所测量的信号特性，除与地下地质体的特性和分布有关外，还与场源的性质、位置、方向、频率等有关。
在电磁场中，电场和磁场是相互关联的，它们都是场源性质（电性源、磁性源）、空间、时间的函数。
在进行数据采集和处理之前，必须明确知道这些关系，才能选择正确的数据采集方法和数据处理方法。
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三电法勘查方法数据采集的艰难性
电法勘查方法的数据采集是在艰苦的野外环境下进行的再加上测量场的复杂及仪器制造技木所阻，使得数据采集非常艰难。
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1．干扰大
由于野外条件恶劣，冉加上测量在野外测量时，面临着各种干扰。
包括非目标体的地质噪声、天然电磁噪声及人文干扰。
非目标体的地质噪声主要指地形不平、近地表电性不均匀等；天然电磁噪声主要指非测量对象的天然电磁场；人文干扰包括各种人文电磁干扰（如工用、民用电造成的游散电流等）及各种人工埋没物的干扰等。
在采用接地电极进行测量时还会有电极极化产生的干扰。
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需指出的是，噪声或干扰是相对于我们测量的场而言的。
例如，天然电磁场对于人工源的电磁测深来说是一种干扰，而对于大地电磁法来说它就是我们的场源了。
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2．信号弱
对于采用人工场源的电法勘查方法来说，因为受到场源功率大小的限制，测量信号是有限的，而且在野外工作中，整个工作装置的轻便化对于提高工作效率是非常重要的，在满足一定的信噪比要求条件下，希望尽量减轻电源部分的重量。
一般情况下，传导类电法测量的信号在mV级，感应类电法测量的信号在μV级，在一些方法中，测量信号是nV级（如勘探地下水的核磁共振方法）。
因为测量信导比较弱，在遇到较强干扰的情况下，需采取措施提高调量的信噪比，一是加大场源功率（在进行大面积的激发极化法工作时常常采用大功率发电机进行供电），这样会增加设备的重量；二是采用多次测量进行信号叠加的办法提高信噪比，这样要增加测量时间，影响工作效率。
达都是电法工作不利的方面。
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对于采用天然场源（或被动场源）工作的电法方法来说，因为无法控制场源，只有采取多次测量进行信号叠加的办法来提高信噪比。
因此，在采用天然场源工作的电法方法中（如大地电磁法），为获得一个高质量的测量结果，常常要花费较长的工作时间。
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3变化快
在电法勘查方法中，时间域的激发极化法和瞬变电磁法等方法是测量断电后的随时间变化的纯异常场，它们随时间的变化很快，需在毫秒（ms）甚至微秒（μS）的时间段内进行测量，不是自动化的仪器是无法准确测量的。
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4．动态范围大
由于在测量中随着测量点位的变化或者测量装置的变化，测点离测量对象的距离变化很大，收发距或极距变化很大，使得测量信号的变化很大。
电位差可以在10-2一103mv之间变化，电流可以在10-2一104mA之间变化。
因此，要准确测量出各不同量级的信号，并不是一件容易的事。
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最近几年，国内外的电法仪器发展很快。
从国内生产的电法仪器来看，比较多的有高密度电法仪、时间域与频率域激电仪和瞬变电磁仪。
国外主要的电法仪器公司也相继推出新一代电法仪器，主要有高密度电法仪、电磁法仪、多功能电法仪和通用发送机。
本节在介绍国内外主要电法仪器的基础上，详细介绍三种具有代表性的电法仪器（国内外高密度电法仪各一种、国外多功能电法仪一种），从这三款电法仪器可以看出电法仪器的发展趋势，以及我国电法仪器与国外电法仪器的差距。
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6.2电法勘探仪器中的传感器
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：
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6.2.1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。
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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。
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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√Hz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ΔF/F。
如果选择ΔF=F，F1：
F=F：
F2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。
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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文档来自于网络搜索
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：
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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。
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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。
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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。
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它们的噪声太大，在0.01Hz时,电极布放0.5～１小时之后的噪声约为１０μV,在24小时以后,仍达到4μV,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。
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所以在电阻率测量中，供电为低频的交流电场
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13μV.文档来自于网络搜索
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。
100
10
1
0.010.1110100
不极化电极可分为下列几种：
铜-硫酸铜（Cu-CuSO4）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3μV,获得较小噪声的稳定时间大约为1小时.文档来自于网络搜索
镉-氯化镉（Cd-CdCl2）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。
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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.文档来自于网络搜索
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1.5μV,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。
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铅-氯化铅（Pb-PbCl2）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1.2μV,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。
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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0.1～１Ｖ）。
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。
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三、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＝Ｅ０＋（ＲＴ／nＦ）Ln{M+n}
式中：
Ｅ０为标准电位（２５０Ｃ，{M+n}＝１），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；n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}eq，这样，便有：
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Ｅ＝Ｏ＝Ｅ０＋（ＲＴ／nＦ）Ln{M+n}eq
由此，Ｅ０＝－（ＲＴ／nＦ）Ln{M+n}eq
从而电极电位便成为：
Ｅ＝（ＲＴ／nＦ）Ln｛{M+n}／{M+n}eq｝（１．４．４）
这里，平衡浓度可写成下面表达式：
{M+n}eq＝e-nFE0/RT
为了求得温度系数，必须在（１．４．４）式中对温度进行微分，然而{M+n}和{M+n}eq是温度的函数，所以，可得到：
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dE/dT=E/T+（RT/nF）[（{M+n}’/{M+n}）-（{M+n}eq／/{M+n}eq）]（1.4.5）文档来自于网络搜索
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（ＭＸn），则离子浓度Ｍ＋n可由下式来定义：
{M+n}＝ＫＳ／{Ｘ－}n
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：
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dE/dT=E/T+（RT/nF）[Ｋ’Ｓ/ＫＳ-（n{X-}’/{X-}）-（{M+n}eq／/{M+n}eq）]文档来自于网络搜索
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。
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四、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。
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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。
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五、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-CuSO4电极。
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6.2.2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。
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一、磁感应式磁场接收器的组成
下图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。
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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、感应式磁场接收器的测磁原理
在地球物理勘探中，普遍利用天然场源或人工场源来激励地下导体产生的二次磁场等有关信息研究地质问题的。
但是由于场源特点不同，接收到的信号均是十分微弱的，故要求磁场接收器须有足够高的灵敏度（一般在10μV／mnT以上）。
这点对设计制造及使用感应式磁场接收器时，应予充分考虑。
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根据应用场合不同，可制成不同类型的磁场接收器。
目前，磁场接收器一般分为有磁芯和无磁芯柱状感应式两种。
现以大地电磁测深使用的有磁芯柱状感应式磁场接收器为例来说明。
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大地电磁测深作业的场源特点是缓慢变化的天然交变电磁场，其记录图形如图1.74所示。
图1.74大地电磁场的野外记录图
应该指出：
这种电磁信号的振幅和相位特性，与地球的电性结构密切相关，因此，人们通过它来研究地壳和上地馒的结构特征。
天然脉动的电磁场，在性质上是稳定的随机变量，信号十分微弱。
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三、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：
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（1）、线圈的热噪声：
由绕组的电阻（RL）引起。
（2）、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（RN）来等效，并把它归到线圈电路中去。
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（3）、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。
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（4）、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。
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（5）、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eb，另一种是电流噪声源Ib。
2．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C0中去。
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根据电磁感应定律，感应电动势（e）的表达式可写成：
e=-nμSPh（1.4.2）
式中：
n—线圈绕组圈数；μ—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
VAB=e*G（P）=e*（1/（1+RC0P+LC0P2））
而AB间的阻抗可表示为：
Z=（R+LP）/（1+RC0P+LC0P2）
3．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（eR）可以写成：
eR=√4KTRΔF
式中：
K—波尔兹曼常数，为1.38×10-23J/rad（绝对温度）;T—绝对温度；ΔF—噪声等效频带。
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在输入电路中，有源成分（L和C0）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（VR，瞬时值）文档来自于网络搜索
VR=eRG（P）=eR*（1/（1+RC0P+LC0P2））
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ibZ。
因此，连同电压源噪声，其总噪声可写为均方和形式：
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Vb2=VR2+e2b+Z2i2b.
4、磁感应式磁场接收器的信噪比
整个磁感应式磁场接收器（包括前置放大器）的信噪比，从上述的计算出发，可写为：
S/N=VE2/V2B
如果仅考虑磁传感线圈部分，则信噪比可写为：
（S/N）P=e2/eR2=（n2μ2P2H2S2/e2R）
由式可知，电路的共振并不能改善信噪比，因为，共振对信号和噪声的作用是相同的。
根据感应定律，人们很容易理解，信号是和外磁场的变化速度成正比的。
但噪声却基本保证不变。
因此，随着频率的提高，信噪比可以和频率的平方成正比地得到改善。
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四.磁感应式磁场接收器的组成：
根据大地电磁测深的场源特点和工作要求，选用高导磁率坡莫合金材料作磁芯，做成长螺旋管式磁场接收器（如图1.75所示）。
这种接收器的优点是：
电感线圈测量的不是磁场幅度，而是磁场的变化率；对高频磁场的感应电动势大，弥补了由于高频磁场变化幅度小而难于接收到的困难；便于运输和安置。
但另一方面这种接收器随着频率降低，其感应电动势迅速衰减，似乎是对接收低频很不利的。
但是，随频率的降低，脉动磁场的变化幅度，使每倍频程增加8～10db，这就远远弥补了接收低频不利的缺点。
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图1.75长螺旋管式磁场接收器构成示意图
设脉动磁场的水平分量为：
H（t）=H0Cosωt，则平行于螺旋管轴向方向的感应电动势为：
e=-dΦ/dt=－cd/dtH=－10-92πfSWμeH0Sinωt（1.108）
式中：
f—脉动磁场的变化频率；
H0—脉动磁场的最大振幅；
S—螺旋管的截面积；
W—线圈匝数；
μe—有效导磁率。
磁场接收器的结构参数为：
磁芯长2米，由40片坡莫合金箔迭成，长径比为80，磁芯材料为Ni8Mo6，螺旋管半径22毫米，匝数W=4×104匝。
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当频率为1Hz,幅度变化为lnT时，磁场接收器的电动势约为220μV/nT／Hz。
但实际上变化幅度仅为（0.1％～l％）nT，最小感应电势有0．5μV。
故要求放大器噪声不大于0．LμV。
如果增加线圈匝数，加大磁芯的长径比（使μe增大），均可增高磁场接收器的灵敏度，前者使磁场接收器的内阻加大、重量加大，后者使磁场接收器的长度加长，不便移动。
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线圈的热噪音平均功率为：
e’=4RKT（1.109）
式中：
R—线圈内阻；K=1.38×10-23，J/0C；
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