一种电磁法勘探电场测量用的电极极差消除系统及方法

1.本发明涉及地球物理勘探中电磁勘探地面电场精密测量技术领域，特别涉及一种电磁法勘探电场测量用的电极极差消除系统。


背景技术：

2.地电场测量主要观测地电场的地表分量及其时空分布，根据不同的场源，地电场可分为大地电场和自然电场，其中大地电场是由地球外部各种场源在地表面感应产生的分布于整个地表或较大地域的变化电场；自然电场时地下介质由于各种物理化学作用在地表形成的较为稳定的电场。
3.地电场通常利用电极加上低噪声放大电路实现电场信号的拾取，电极极差是电极的固有特性，其稳定性受环境温度、电极离子浓度等因数的影响。电极极差是一个低频的漂移信号，交流耦合是常用的电极极差消除方法，但对于深部超深部介质的有效电场信号低于千秒甚至万秒的超低频，而低频电场信号放大电路通常为低输入阻抗变压器耦合的斩波放大器，导致交流耦合的隔直电容体积大，稳定性差，消除极差效果差。而直流耦合方式中，电极极差过大会导致大增益放大电路的输出饱和，从而限制微弱电场信号的放大处理，因此一般要求限制电极极差小于0.1mv，导致电极加工和使用过程中需要进行配对，对电极输出进行斩波调制，然后对信号进行自动补偿可以极大消除极差的影响，基于斩波运放的电极极差自动补偿方法的极差提取方法采用大时间常数的低通滤波模块，只能对比电场频率低的静态极差具有效果，对于随环境温度与离子浓度变化的极差漂移效果有限，无法彻底消除电极极差的影响。
4.根据现有地电场观测记录，其中记录数据同时包含了大地电场以及电极极差噪声，可见大地电场的频率与电极噪声的频率是严重重合的，无法采用传统的方法来消除。并且针对直流耦合方式电场信号放大采集中点极差可能导致运放器件饱和的问题，交流耦合方式消除效果差，还存在斩波补偿无法消除动态极差问题。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提出一种电磁法勘探电场测量用的电极极差消除系统及方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够通过电路补偿极差电荷的方式，实现电极极差的完全消除，避免了传统电场测量要求电极极差小于0.1mv，以及电极加工和使用过程中需要进行配对的限制。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种电磁法勘探电场测量用的电极极差消除系统，包括：电极模块、电极电荷提取模块、仪表放大模块、电极电荷补偿模块；
7.所述电极模块用于耦合电场信号，伴随形成电极双电层；
8.所述电极电荷提取模块用于提取所述电极双电层转移的电荷；
9.所述仪表放大模块用于基于提取所述电极双电层转移的电荷，获得所述电极双电
层的电荷量；
10.所述电极电荷补偿模块用于根据所述电极双电层的电荷量，通过电容将等量电荷反向补偿到所述电极模块中，完成电极极差消除。
11.优选地，所述电极模块包括电极接地电阻(rp)、电极双电层电容(cp)、电极双电层电容极差信号源(ep)、大地电场信号源(e)；
12.所述大地电场信号源(e)一端分别与所述电极接地电阻(rp)、电极双电层电容极差信号源(ep)相连，另一端接地；所述电极双电层电容极差信号源(ep)与所述电极双电层电容(cp)串联连接；所述电极双电层电容(cp)与所述电极接地电阻(rp)相连；所述电极接地电阻(rp)与所述电极双电层电容(cp)均与所述电极电荷提取模块相连。
13.优选地，所述电极电荷提取模块包括电极电荷提取电容(cc)；所述电极电荷提取电容(cc)与所述仪表放大模块、电极电荷补偿模块、电极模块分别相连。
14.优选地，所述仪表放大模块包括第一放大器(u1)、第二放大器(u2)、第三放大器(u3)、第一电阻(r1)、第二电阻(r2)、第三电阻(r3)、第四电阻(r4)、第五电阻(r5)、第六电阻(r6)、第七电阻(r7)；
15.所述第一放大器(u1)和所述第二放大器(u2)的正向输入端分别与所述电极电荷提取电容(cc)的两端相连；
16.所述第一放大器(u1)的反向输入端与所述第一电阻(r1)、第二电阻(r2)分别相连；所述第一放大器(u1)的输出端与所述第一电阻(r1)、第四电阻(r4)分别相连；
17.所述第二放大器(u2)的反向输入端与所述第二电阻(r2)、第三电阻(r3)分别相连；所述第二放大器(u2)的输出端与所述第三电阻(r3)、第六电阻(r6)分别相连；
18.所述第三放大器(u3)的反向输入端与所述第四电阻(r4)、第五电阻(r5)分别相连；所述第三放大器(u3)的正向输入端与所述第六电阻(r6)、第七电阻(r7)分别相连；所述第三放大器(u3)的输出端分别与所述第五电阻(r5)、电极电荷补偿模块相连；
19.所述第七电阻(r7)接地。
20.优选地，所述仪表放大模块采用低噪声放大器。
21.优选地，所述电极电荷补偿模块包括第四放大器(u4)、第八电阻(rpi)、电容(cpi)；
22.所述第四放大器(u4)的反向输入端与所述第八电阻(rpi)、电容(cpi)分别相连；所述第四放大器(u4)的输出端与所述电容(cpi)和所述电极电荷提取电容(cc)相连；所述第四放大器(u4)的正向输入端接地；
23.所述第八电阻(rpi)与所述第三放大器(u3)的输出端相连。
24.优选地，所述电极电荷补偿模块采用低噪声运放模式。
25.一种电磁法勘探电场测量用的电极极差消除方法，包括以下步骤：
26.s1.通过电极耦合电场信号，伴随形成电极双电层；
27.s2.转移所述电极双电层的电荷；
28.s3.基于所述电极双电层电荷的转移获得电极双电层电荷量；
29.s4.根据所述电极双电层电荷量对电极双电层进行反向补偿，完成电极极差消除。
30.优选地，所述反向补偿具体为：获取所述电极双电层电荷量相同的等量电荷，通过所述等量电荷对电极双电层进行反向补偿。
31.本发明公开了以下技术效果：
32.本发明从电极极差的产生原理出发，通过电路补偿极差电荷的方式，实现电极极差的完全消除，避免了传统电场测量要求电极极差小于0.1mv，以及电极加工和使用过程中需要进行配对的限制，能够适用于任何极化电极和不极化电极的接触式电极极差消除，并且不需要考虑电极极差的大小，也不需要进行电极配对，大大降低了电极的加工成本。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明的系统模块图；
35.图2为本发明实施例中电极极差消除原理图；
36.图3为本发明实施例中的电极电路电荷补偿示意图；
37.图4为本发明实施例中的电极极差消除电路结构示意图。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
40.参照图1
‑
2所示，本实施例提供一种电磁法勘探电场测量用的电极极差消除系统，包括：电极模块、电极电荷提取模块、仪表放大模块、电极电荷补偿模块。
41.电极模块用于耦合电场信号，获得电极双电层；电极电荷提取模块用于提取所述电极双电层转移的电荷；仪表放大模块用于基于所述电极双电层转移的电荷，获得所述电极双电层的电荷量；电极电荷补偿模块用于根据电极双电层的电荷量，通过电容将等量电荷反向补偿到电极模块中，完成电极极差消除。
42.本发明从电极极差的产生原理出发，通过电路补偿极差电荷的方式，实现电极极差的完全消除，避免了传统电场测量要求电极极差小于0.1mv，以及电极加工和使用过程中需要进行配对的限制。
43.电极的极差就是由于在电极界面处产生双电层的结果。单位面积电极界面双电层电荷量对温度非常敏感，随着温度的升高，而迅速降低。主要有两个方面的原因，第一是温度升高，电场力减弱，电极表面对离子的吸附能力降低；第二是温度升高后，溶液粘度下降，电极表面对离子的吸附能力减小。另外，电极界面双电层电荷量随溶液物质量浓度的增大而增大，但由于电荷量与离子的物质量平方根成正比，电荷量在高浓度时增加很少，因此电吸附优势在原水含盐量很高时逐渐减弱。因此，只要通过一定的手段抵消电极界面的双电层电荷即可消除电极极差的影响。
44.电荷提取和电荷补偿通过电容耦合来实现，当电极双电层存在电荷的时候，通过一个理想导线连接到另一个无电荷的电容极板的时候，必然产生电荷转移，直到电势相等为止。随着电荷转移到电荷提取电容，提取电容的电压升高，测量提取电荷电压的升高量即可知道电荷的转移量，通过电荷补偿，令提取电容电压为零，那么就相当于消除了电极双电层的电荷，从而达到消除极差的目的。
45.参照图3所示，cp为电极的寄生电容，由电极双电层决定，e为双电层电势，由电极双电层电荷决定，rp为电极接地电阻。由于双电层的电荷受温度，离子浓度等因数影响而不可能保持恒定，因此产生的极差波动信号，影响电场的测量。本发明的目的是通过对双电层电荷的实时提取以及实施电荷补偿，从而消除双电层的影响，迫使电极的电路模型相等一个简单的接地电阻，从而实现精确的电场测量。
46.参照图4所示，本实施例提供一种电极极差消除电路结构；其中，一个导体有电荷，另一个导体没有电荷，当两个导体接触后，电荷必然从有电荷的导体向没有电荷的导体转移，直到两个导体的电势相等为止，这是本发明专利的理论依据。为此，在电极输出引线连接一个电极电荷提取电容，电极电荷的一部分转移到了提取电容中，提取电容两端并产生了电压，如果控制提取电容两端电压为零，也就是没有电荷，相当于间接地消除电极的电荷，那么电极的双电层也就消失，从而消除了电极极差，此时，电极的电路模型就等效一个接地电阻。
47.具体连接方式如下：
48.电极模块的等效电路包括电极接地电阻rp、电极双电层电容cp、电极双电层电容极差信号源ep、大地电场信号源e；电极电荷提取模块包括电极电荷提取电容cc；仪表放大模块包括第一放大器u1、第二放大器u2、第三放大器u3、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7；电极电荷补偿模块包括第四放大器u4、第八电阻rpi、电容cpi。
49.大地电场信号源e一端分别与电极接地电阻rp、电极双电层电容极差信号源ep相连，另一端接地；电极双电层电容极差信号源ep与电极双电层电容cp串联连接；电极双电层电容cp与电极接地电阻rp相连；电极接地电阻rp与电极双电层电容cp均与电极电荷提取模块相连。
50.电极电荷提取电容cc与仪表放大模块、电极电荷补偿模块、电极模块分别相连。
51.第一放大器u1和第二放大器u2的正向输入端分别与电极电荷提取电容cc的两端相连；第一放大器u1的反向输入端与第一电阻r1、第二电阻r2分别相连；第一放大器u1的输出端与第一电阻r1、第四电阻r4分别相连；第二放大器u2的反向输入端与第二电阻r2、第三电阻r3分别相连；第二放大器u2的输出端与第三电阻r3、第六电阻r6分别相连；第三放大器u3的反向输入端与第四电阻r4、第五电阻r5分别相连；第三放大器u3的正向输入端与第六电阻r6、第七电阻r7分别相连；第三放大器u3的输出端分别与第五电阻r5电极电荷补偿模块相连；第七电阻r7接地。
52.第四放大器u4的反向输入端与第八电阻rpi、电容cpi分别相连；第四放大器u4的输出端与电容cpi和电极电荷提取电容cc相连；所述第四放大器u4的正向输入端接地；第八电阻rpi与第三放大器u3的输出端相连。
53.具体电极极差消除方法如下：
54.s1.通过电极耦合电场信号，伴随形成电极双电层；
55.s2.转移所述电极双电层的电荷；
56.s3.基于所述电极双电层电荷的转移获得电极双电层电荷量；
57.s4.根据所述电极双电层电荷量对电极双电层进行反向补偿，完成电极极差消除。
58.所述反向补偿具体为：电极电荷提取模块与电极模块连接后，提取电极双电层产生的电荷，电极电荷提取电容cc两端电压发生变化，通过低噪声仪表放大电路，可得电极双电层转移到电极电荷提取电容cc的电荷量，再用一个pi补偿电路给电容反向充电，迫使电荷反向流到电极上，从而双电层被补偿电荷抵消掉，最终实现电极等效一个接地电阻的目的。
59.其中提取电荷放大电路可以是任意的满足测量带宽需求的低噪声仪表放大器，电极补偿电路中的运放也必须是低噪声，确保电极电荷获得精确补偿。
60.本发明公开了以下技术效果：
61.本发明从电极极差的产生原理出发，通过电路补偿极差电荷的方式，提取电容获得完全补偿，实现电极极差的完全消除，避免了传统电场测量要求电极极差小于0.1mv，以及电极加工和使用过程中需要进行配对的限制，能够适用于任何极化电极和不极化电极的接触式电极极差消除，并且不需要考虑电极极差的大小，也不需要进行电极配对，大大降低了电极的加工成本。
62.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
63.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。