06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。 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。 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。 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。 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 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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：

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。 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√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。 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：