CN100545680C

CN100545680C - 用金属电极进行探测极化率的方法及装置

Info

Publication number: CN100545680C
Application number: CNB2007100026779A
Authority: CN
Inventors: 李志武; 周燕云; 刘永东
Original assignee: BEIJING AODI DETECTOR CORP
Current assignee: BEIJING AODI DETECTOR CORP
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: CN101000379A

Abstract

本发明涉及一种用金属电极进行探测极化率的方法及装置，该探测极化率的方法改变了传统的使用金属电极充电，再转换使用不极化电极进行极化电位探测的方法，将充电和测量极化率使用同一套金属电极，通过顶掉自然电位，来测量出准确的极化率；该极化率探测方法使用的装置中设置了采样保持电路和求和电路，通过设置计算机运行的程序，控制各个探测极化率的步骤。本发明适用于大地电极化率的探测，具有节省设备，减少成本，操作简便，设备维护简便，自动化程度高，探测结果准确的优点。

Description

用金属电极进行探测极化率的方法及装置

技术领域

本发明属于地球物理探测的方法和设备，具体的是一种极化率成像技术的方法及其使用的装置。

背景技术

所谓高密度探测地层极化率，是利用高密度电成像仪连接一条探测线缆，线上设置大量连接电极的电连接点，有60支、120支或更多。诸电极通过该电缆与电成像仪相联接，见附图2。在电成像仪控制下，实行扫描式测量地层极化电位值，然后计算出极化率。

金属电极在某一点打入土壤中，正负电荷就在不同极性的电极上吸附，随着时间推移，逐渐积累以极化电位形式存在于电极上，或是向正向变化或是向负向变化，表现为电极上的直流电位上升或下降。该电位称为极化电位V_J，这就是所谓极化效应，即产生极化电位；在地球表面任意两点都存在电位差，这是大自然各种信号电位叠加之和所表现出来的结果，它是以直流电位的形式存在的，称之为自然电位V_N。上述极化电位V_J与自然电位V_N叠加在一起，统称之为自然电位(V_Z＝V_N+V_J)，其数量级可达数百毫伏。当电极作供电电极使用时，其自然电位与供电电压相比可以忽略；但是当该电极作测量电极时，电极上的自然电位就会对有用信号造成严重影响。因此，在进行电法勘探时，必须消除该电位的影响，以便精确测量地层的极化率。

目前，常规的做法是：作极化率测量时均使用两套电极，一套是金属电极(不锈钢，黄铜电极等)，专门用作供电，而另一套为不极化电极，是一种专门制作的离子导电的，不产生极化效应的电极，专门用作测量信号使用。金属电极只用于供电，当需要进行测量时，此时仪器控制转接在不极化电极上。美国AGI公司生产的AGI高密度电法仪(专利号为US6404203)，称为双模式的两套电极结构；国内重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-5高密度电法仪亦是采用两套电极。

这种仪器结构和相应的探测方法带来的问题，就是使用电极数量多，设备量大，运输、现场埋设电极等的施工量增加，劳动强度也加大；在仪器内部设置方面还要增加控制转接的设备。在野外布极时，金属电极用铁锤打入地下即可，而不极化电极形状为圆柱形，平底，埋设时需用铁铲挖去表层土壤，见到新土要进行整平，如果土壤干燥还要加入适量的水，保持与大地接触良好，费时费力的情况是显而易见的。

除上述情况外，所谓不极化电极也有小的极化效应。一般在数毫伏(mv)的量级，在人工移动电极的常规极化率测量时是使用两只不极化电极，出工前要求电极电位差不大于2mv，测量工作结束时不应大于5mv。然而对于多电极扫描式测量的高密度电测仪来说，处理众多电极的极差问题就是一个很繁琐的事，解决收工后的极差变化问题就更是很难做到的。那么也必然给他们的测量结果带来影响。国家技术规范的要求是对不极化电极精心维护，不能日晒雨淋，保持内阻不大于2KΩ，这些要求也为大量使用不极化电极带来很大的不便。

目前，用不极化电极进行地层极化率探测的方法是：对于某两个探测点A、B来说，先在该两点设置在金属电极上，在单位时间t1中给该电极充电，对M、N二电极测量信号时再转接入两个不极化电极，测出一次场电位值V_P，然后停电并延时Δt后，测出二次场电位值V_S，再计算出该两点的电极化率值η＝(V_S/V_P)×100％。这样进行逐点的测量。由此可见该方法的繁锁。而且，所谓不极化电极的不极化即不产生极化效应，也是相对的，它实际上仍然有极化效应，虽然比金属电极小的多，但对探测的结果仍然会产生不可忽视的影响。

因此，需要提出一种更为简单方便，探测效果好的地层电极化率探测的方法和该方法使用的装置。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种只用金属电极进行探测极化率的方法及装置。该方法和装置设计合理，操作方便，探测效果好，能节省大量设备和人力，降低工作量和劳动强度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种用金属电极进行探测极化率的方法，其特征在于：包括以下步骤：

首先将极化率探测装置的金属电极按照探测需要的距离打入地面，用电缆将每个电极与探测装置连接起来；

每次测量由四个电极参于，比如依次为：A、M、N、B，其中两个电极A、B作供电电极，另两个电极M、N为测量电极；

首先消除M、N电极上的自然电位V_Z，所述的V_Z＝V_N+V_J，其中V_N为电极M、N的自然电位，V_J为电极M、N打入地下后产生的极化电位：通过探测装置将电极M、N上的自然电位测出来，通过探测装置中设置的采样保持电路和求和电路，将其消除；即自然电位送入求和电路中运算放大器的反相输入端，利用差动放大器同相输入端与反相输入端二者电位相减的特性使电路输出为零，实现“顶”掉自然电位的目的。

然后探测极化率：极化率探测的一个周期中，电极A、B的供电过程是：正向供电——停止并延时——反向供电——停止并延时；每个动作时间是相同的，通过测量电极M、N在A、B正向供电时的电位，即测出正向一次场电位值+VP；然后停止供电，并稍做延时Δt后，测量正向二次场电位值+V_S；测完后再对电极A、B反向供电，在此期间测出反向一次场电位值-VP值；然后，同样停止供电稍做延时Δt后测量反向二次场电位值-V_S，所述VP、VS的值均为M、N两接点的电压差；到此完成了一个单位时间t1的一组信号的测量动作；

接下来在第二个单位时间t2控制四个电极向下一起移动一个位置，依次重复相同的测量动作，对于每个电极，上一时刻是供电电极，而下一时刻就可能是测量电极，单位时间t2内完成与单位时间t1内相同的操作，依次是单位时间t3，t4，……直到单位时间tn，整条探测线上电极都测完为止，即完成了一探测线的测量工作；

根据上述测量的结果，计算出极化率值：

(|+VPi|+|-VPi|)/2＝Vpi

(|+Vsi|+|-Vsi|)/2＝Vsi

电极化率：ηi＝(Vsi/VPi)·100％，其中i＝1、2…n；

将数据上传上位计算机，进行图像显示和对数据作进一步处理。

由于本发明的用金属电极进行探测极化率的方法中，每个数据的采集过程都要首先“顶”掉自然电位，从而消除了金属电极的自然电位；在正式测量地层极化率过程中，都要经过正反两次供电，进行两次测量，在此过程中仍然有自然电位V_Z产生，在正向供电测V_P时或断电测V_S时都有V_Z加入。而在正向供电探测和反向供电探测过程中，V_Z可以看成一个相对确定的电位值，它在正向供电时若是为正值扩大了一次场电位值V_P和二次场电位值V_S，那么在反向供电探测时则会以相同的值减少了V_P、V_S值。故V_Z在正向和反向两次供电探测时，实际是起到了一加一减的作用，即正向供电测量时|+VP|+V_Z及|+VS|+V_Z；反向供电时测量时则|-VP|-V_Z及|-VS|-V_Z。这样将正反向供电两次测量的绝对值相加求平均值，即可消除了V_Z的影响，求出正确的一次场电位值V_P及二次场电位值V_S值，进而求出正确的极化率值η。

本发明的用金属电极进行探测极化率的方法操作简便，所需设备少，成本低，探测效果好，完全能达到有关探测精度的标准。

一种实现独立权利要求1所述的用金属电极进行探测极化率的装置，主要包括：由阻抗变换电路构成的输入电路、由低通滤波及陷波滤波电路构成的滤波电路、由浮点放大器构成的放大器、A/D模数转换器、微机控制器、电源、探测线和电缆、金属电极，其特征在于：所述滤波电路与一个求和电路、一个采样保持电路和一个转换开关相连接；所述金属电极等距连接在所述探测线上，该金属电极通过电缆与所述输入电路连接，该输入电路的输出端与所述滤波电路的输入端连接，该滤波电路的一个输出端与所述采样保持电路连接，其另一个输出端和所述求和电路的输入端连接，所述采样保持电路的输出端与所述转换开关的输入端连接，该转换开关的输出端与所述求和电路的另一个输入端连接；所述求和电路的输出端与放大器的输入端连接；放大器的输出端与一个所述A/D模数转换器的输入端连接；所述输入电路、滤波电路、采样保持电路、转换开关、求和电路、放大器、模数转换器均与所述微机控制器进行控制连接；即微机控制器从这些部件输入所需数据，微机控制器将数据处理后，再向相关部件发出控制信号；在该微机控制器中设有存储部件、输入输出部件、并设有CPU和存有CPU可执行的计算机程序。微机控制器还与具有通讯功能、极化率成像功能的上位计算机15连接。

本发明的微机控制器中计算机程序运行流程为：

该计算机程序运行流程为：采自然电位——“顶”自然电位——正向供电——测一次场电位——停止供电——延时——测二次场电位——反向供电——测反向一次场电位——停止供电——延时——测反向二次场电位——计算一次场值Vp——计算二次场值V_S——计算极化率值——上传上位机；本发明的微机控制器还与具有通讯功能、极化率成像功能的上位计算机连接。

本发明的用金属电极进行探测极化率的装置，由于设置了采样保持电路和求和电路，所以可以方便地将金属电极的自然电位消除；由于设置了CPU和可执行的计算机程序，从消除自然电位到计算出电极化率的探测过程都可以实现自动控制。可以在不设置不极化电极，只使用一套金属电极的条件下，方便快捷地探测出地层的极化率，而且该极化率中消除了金属电极产生的极化电位，具有较高的准确性和精度。本发明的探测极化率装置具有结构简单、操作方便、探测效率高、探测准确、精度高，特别是设备少，维护简便，成本低的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意框图；

图2是本发明的探测装置的探测线和电缆与金属电极连接以及测量单位时间与电极位置关系示意图；

图3是本发明的探测过程中一个单位时间的分段示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：实施例：由阻抗变换电路构成的输入电路4、由低通滤波及陷波滤波电路构成的滤波电路6、由浮点放大器构成的放大器9、A/D模数转换器10、微机控制器12、电源11、探测线和电缆3、60个黄铜金属电极1，所述滤波电路与一个求和电路8、一个采样保持电路5和一个转换开关7相连接；所述金属电极等距设置，通过所述探测线和电缆3与所述输入电路连接，该输入电路的输出端与所述滤波电路的输入端连接，该滤波电路的一个输出端与所述采样保持电路连接，其另一个输出端和所述求和电路的输入端连接，所述采样保持电路的输出端与所述转换开关的输入端连接，该转换开关的输出端与所述求和电路的另一个输入端连接；所述求和电路的输出端与放大器9的输入端连接；放大器的输出端与一个所述A/D模数转换器10的输入端连接；所述输入电路、滤波电路、采样保持电路、转换开关、求和电路、放大器、模数转换器均与所述微机控制器进行控制连接；即微机控制器从这些部件输入所需数据，微机控制器将数据处理后，再向相关部件发出控制信号；在该微机控制器中设有存储部件、输入输出部件、并设有CPU和存有CPU可执行的计算机程序，该计算机程序运行流程为：采自然电位——“顶”自然电位——正向供电——测一次场电位——停止供电——延时——测二次场电位——反向供电——测反向一次场电位——停止供电——延时——测反向二次场电位——计算一次场值Vp——计算二次场值V_S——计算极化率值η——上传上位机；本发明的微机控制器还与具有通讯功能、电极化率成像功能的上位计算机13连接。

用金属电极进行探测极化率的方法(使用上述实施例中的探测装置)：在第一个单位时间t1，取一组四个电极如：A、M、N、B，采集的过程是：先在电极A、B上通电，将M，N二金属电极上的自然电位V_Z(V_Z＝V_N+V_J)送入输入电路4，该电路是阻抗变换电路，然后进入滤波电路6，经过低通滤波及陷波滤波滤除了各种交流电磁干扰信号及50HZ工业电干扰信号，只存在自然电位V_Z，滤波电路6分两路向下面送入采样保持电路5，在微机控制器12控制下对自然电位V_Z进行采样，并保持在电容C_H上；另一路由滤波电路6将自然电位送入求和电路8，求和电路利用OP27运算放大器做成的差动输入放大器9，其同相输入端接受由滤波电路6送入的自然电位，差动放大器的反相输入端通过转换开关7将采样保持电路5的C_H上保持的自然电位送入求和电路8中运算放大器的反相输入端，利用差动放大器同相输入端与反相输入端二者电位相减的特性使电路输出为零，实现了“顶”掉自然电位的目的。上述过程就是计算机程序运行流程中的“采自然电位”及“顶自然电位”的过程。接着展开数据采集周期，它由四段组成，参见图3，即正向供电——停止供电并延时——反向供电——停止供电并延时，四个阶段完成数据采集。测量周期开始时，首先是从开始正向供电，在此期间测量正向一次场值V_P；停止供电，作Δt延时，测量正向二次场电位V_S；然后反向供电，在此期间测量反向一次场-VP；停止反向供电，作Δt延时，测量反向二次场电位-V_S；计算一次场电位值VP，该计算是取两次数值的绝对值相加后被2除得到较精确的一次场值。该过程还可以去除在测量周期内产生的极化电位值V_Z，如果V_Z为一正电位，则在正向测量V_P时就叠加了一个V_Z，接着反向供电在读取反向V_P时就要减去一个V_Z值，这样两次读数相加的过程是一个+V_Z和一个-V_Z，自然抵消为0，得出的V_P值即为真实精确的值；计算二次场值V_S，其计算过程和计算V_P相同，这样也可以取到精确的V_S值；计算极化率值η＝(Vs/Vp)·100％。这样测量完一个单位时t1的，也即一个探测位置的测量过程，依同样方法，在第二个单位时间t2，取下一组四个电极进行测量，一直到最后一个单位时间tn和最后一个测量位置。本实施例中n为60，单位时间为8S，充电和停电加延时各为2S。对上述过程用低频交流电进行供电，对去除以直流电位表现出来的干扰信号是有效的。

本实施例探测的结果，与使用不极化电极在相同测量条件下测量的效果进行比较，基本相同，仅存在误差极小，如果以不极化电极测量的结果为准，其误差远远低于国家标准对极化率测量的误差要求。参见下表：

《表一》、《表二》是以常规方式(人工布上4个电极，2个供电电极A，B；2个测量电极M，N)，用不极化电极测量(表一)和黄铜电极测量(表二)进行对比，每次测量以供电2秒脉宽(正向供电2S——停止供电2S——反向供电2S——停止供电2S)，测量6个极化率值，该值是递减的。如下表：

表一：不极化电极

结果序号	η1	η2	η3	η4	η5	η6
结果序号	η1	η2	η3	η4	η5	η6	1	2.603	1.866	1.506	1.282	1.038	0.825
2	2.614	1.867	1.496	1.264	1.028	0.820	1	2.603	1.866	1.506	1.282	1.038	0.825
2	2.614	1.867	1.496	1.264	1.028	0.820	3	2.609	1.866	1.498	1.266	1.04	0.83
4	2.593	1.851	1.494	1.276	1.036	0.819	3	2.609	1.866	1.498	1.266	1.04	0.83
4	2.593	1.851	1.494	1.276	1.036	0.819	5	2.604	1.867	1.497	1.263	1.031	0.817
6	2.603	1.851	1.501	1.268	1.025	0.816	5	2.604	1.867	1.497	1.263	1.031	0.817
6	2.603	1.851	1.501	1.268	1.025	0.816	7	2.606	1.854	1.495	1.262	1.031	0.829

表二：(黄铜电极)

结果序号	η1	η2	η3	η4	η5	η6
结果序号	η1	η2	η3	η4	η5	η6	1	2.518	1.774	1.424	1.178	0.964	0.781
2	2.516	1.757	1.41	1.17	0.958	0.776	1	2.518	1.774	1.424	1.178	0.964	0.781
2	2.516	1.757	1.41	1.17	0.958	0.776	3	2.503	1.77	1.427	1.179	0.963	0.786
4	2.552	1.792	1.443	1.208	0.998	0.801	3	2.503	1.77	1.427	1.179	0.963	0.786
4	2.552	1.792	1.443	1.208	0.998	0.801	5	2.516	1.768	1.409	1.189	0.973	0.791
6	2.502	1.744	1.387	1.141	0.936	0.751	5	2.516	1.768	1.409	1.189	0.973	0.791
6	2.502	1.744	1.387	1.141	0.936	0.751	7	2.517	1.78	1.421	1.189	0.972	0.787

从表中可以看出，所测数值虽略有误差，但远低于国家标准误差许可范围。使用不极化电极进行测量，因其实际仍有极化电位而未消除，其本身与实际也有误差；本发明的测量方法中，虽使用的是存在较大极化电位的金属电极，但因方法中对极化电位做了较好的去除，所以实际上，本发明的测量方法所测量的结果比使用不极化电极更接近实际。

表三本实施例不极化电极和黄铜电极在相同条件下5次读数平均对比表：

表三为各电极都用5次叠加读数求平均值作对比，即在每个测量时间段期间连续测量5次，得出5个值相加取平均数作对比。

表三：

从上表中可以看出，所测数值基本相同，虽略有误差，但远低于国家标准的允许误差。

国家标准PZ002.1∽0020.3-9激电仪通用技术条件中关于极化率误差规定，第14.1.5.2视极化率测量误差：

η＞3％时相对测量误差：A级为-2％±1个字∽+2％±1个字；B级为-4％±1个字∽+4％±1个字。

η≤3％时绝对测量误差：A级为读数-0.3％±1个字∽+0.3％±1个字；B级为-0.5％±1个字∽+0.5％±1个字。

如果以表三的数据在极化率小于3％条件下，就A级而言可在读数上加0.3％±1个字或者在读数上减0.3％±1个字。就意味着该读数(以平均数来说)2.8∽2.2之间的读数都应该在误差范围内。如果按B级要求允许误差范围就更大了。

Claims

1、一种用金属电极进行探测极化率的方法，其特征在于：包括以下步骤：

首先将探测极化率装置的金属电极按照探测需要的距离打入探测区域的地面，用电缆将每个电极与探测装置连接起来；

每个单位时间测量由四个电极参与，比如依次为：A、M、N、B，其中两个电极A、B作供电电极，另两个电极M、N为测量电极；

首先消除M、N电极上的自然电位V_Z，所述的V_Z＝V_N+V_J，其中V_N为电极M、N的自然电位，V_J为电极M、N打入地下后产生的极化电位：通过探测装置将电极M、N上的自然电位测出来，通过探测装置中设置的采样保持电路和求和电路，将其消除，即自然电位送入求和电路中运算放大器的反相输入端，利用差动放大器同相输入端与反相输入端二者电位相减的特性使电路输出为零，实现“顶”掉自然电位的目的。

开始探测极化率：极化率探测的一个周期中，电极A、B的供电过程是：正向供电T1——停止并延时T2——反向供电T3——停止并延时T4；每个动作时间T1、T2、T3、T4是相同的，通过测量电极M、N在A、B正向供电时的电位，测出正向一次场电位值+VP；然后停止供电，并稍做延时Δt后，测量正向二次场电位值+Vs；测完后再对电极A、B反向供电，在此期间测出反向一次场电位值-VP值；然后，同样停止供电稍做延时Δt后测量反向二次场电位值-Vs，所述VP、VS的值均为M、N两接点的电压差；到此完成了一个单位时间t1的一组信号的测量动作；

接下来在第二个单位时间t2控制四个电极向下一起移动一个位置，依次重复相同的测量动作，对于每个电极，上一时刻是供电电极，而下一时刻就可能是测量电极，单位时间t2内完成与单位时间t1内相同的操作，依次是单位时间t3，t4，……直到单位时间tm，整条探测线上电极都测完为止，即完成了一探测线的测量工作；

根据上述测量的结果，计算出极化率值：

(|+VPi|+|-VPi|)/2＝Vpi

(|+Vsi|+|-Vsi|)/2＝Vsi

极化率：ηi＝(Vsi/VPi)·100％，其中i＝1、2…n；

2、一种实现独立权利要求1所述的用金属电极进行探测极化率的装置，包括：由阻抗变换电路构成的输入电路(4)、由低通滤波及陷波滤波电路构成的滤波电路(6)、由浮点放大器构成的放大器(9)、A/D模数转换器(10)、微机控制器(12)、电源(11)、探测线和电缆(3)、金属电极(1)，其特征在于：所述滤波电路与一个求和电路(8)、一个采样保持电路(5)和一个转换开关(7)相连接；所述金属电极等距连接在所述探测线上，该金属电极通过电缆与所述输入电路连接，该输入电路的输出端与所述滤波电路的输入端连接，该滤波电路的一个输出端与所述采样保持电路连接，其另一个输出端和所述求和电路的输入端连接，所述采样保持电路的输出端与所述转换开关的输入端连接，该转换开关的输出端与所述求和电路的另一个输入端连接；所述求和电路的输出端与放大器的输入端连接；放大器的输出端与所述A/D模数转换器的输入端连接；所述输入电路、滤波电路、采样保持电路、转换开关、求和电路、放大器、模数转换器均与所述微机控制器进行控制连接，即微机控制器从这些部件输入所需数据，微机控制器将数据处理后，再向相关部件发出控制信号；在该微机控制器中设有存储部件、输入输出部件、并设有CPU和存有CPU可执行的计算机程序，该计算机程序运行流程为：采自然电位——“顶”自然电位——正向供电——测一次场电位——停止供电——延时——测二次场电位——反向供电——测反向一次场电位——停止供电——延时——测反向二次场电位——计算一次场值Vp——计算二次场值Vs——计算极化率值η——上传上位机；本发明的微机控制器还与具有通讯功能、极化率成像功能的上位计算机(13)连接。