CN101819281B - 环阵列组合固体不极化电极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环阵列组合固体不极化电极。是由n个等角度环形分布的电极针穿过固定板与阵列组合电极盖连接，在阵列组合电极盖的中部装有转换电路，转换电路通过电极信号引出线与电法仪连接，固体不极化电极是由电极针的“哑铃”形主支架中部凹槽段镀有金属的测量电极和外部涂敷固体电解质构成。把固体不极化电极与金属棒相结合制成电极针，测量精度高，施工效率高。尤其是采用环阵列电极针结构，电极针保证电极侧面与周围大地紧密耦合，阵列结构提高了电极电场信号幅度，改善了信噪比，从而实现了高精度电场测量的性能。该电极野外施工方便，用捶击打入，维护简单，便于检测，制作工艺简单，成本低廉。

Description

环阵列组合固体不极化电极

技术领域：

本发明涉及一种用于地球物理勘探的电场传感器，尤其环阵列组合固体不极化电极。

背景技术：

现有的电场传感器电极一般包括以下两种电极：金属电极和不极化电极。金属电极直接以金属接触大地接收电场信号，电极上产生的极化电位主要与周围环境温度、湿度和浓度等参数有关，由于金属直接接触大地，电极极化电位对这些参数的变化非常敏感，造成金属电极的不稳定性，不适用于微弱或长期信号的采集。但由于采用比较坚硬的金属如铜、铁、铅等材料，野外施工方便，直接锤击即可，另外，该类电极不易受损也不需维护。不极化电极顾名思义是指该类电极极化电位不易受周围环境的影响。具体的方法是把金属电极置于相应的液体电解质中，由于液体电解质相对稳定，从而减少或避免了电极的不稳定性。但是液体电解质的存在导致施工时需小心维护，勘测前需挖坑埋设，另外，电解质的稳定决定电极的稳定，因此不使用时电解质需浸泡，使用一段时间后随着电解质的渗透需重新填充，综上所述该类电极增加了施工和维护难度，降低了施工效率提高了维护成本。CN200620146892.7公开了一种“固体不极化电极”，由电极输出线、热缩套管、铅棒及PVC管体组成，所述PVC管体上端设一盖帽，盖帽上穿过一电极输出线并接入PVC管体中，电极输出线的下端连接一铅棒，电极输出线外部套装一热缩套管，电极输出线与铅棒的连接处套装一热缩绝缘管；所述PVC管体中装有固体状电解质，PVC管体下部设一内塞，内塞中部留一通道，内塞下端设一外塞，内塞和外塞之间留有空隙。采用固体电解质代替原有的液体电解质，在保证测量精度的同时降低了维护成本，提高了使用寿命并且携带较方便；但是和液体不极化电极一样存在施工不便的问题，该类电极同样需要挖坑埋设。CN200420012688.7公开了一种“杆状不极化电极”，骨架的下部外侧固定粘接固体不极化电极体，测量电极一端固结在该固体不极化电极体中。使用时电极下部的固体不极化电极体能与大地更为密切地接触。该电极采用金属铁棒作为骨架，在骨架的下部外侧粘贴固体不极化电极，使用时固体不极化电极的下部与大地接触，从而提高施工效率与测量精度。该电极在一定程度上改善了原有电极存在的缺陷，但为了真正保证电极与大地紧密接触，施工前需要先对地面环境进行处理，如除草和杂乱碎石等，另外虽然采用了固体不极化电极，但测量电极的无法抱着被周围电解质均匀包裹，在一定程度上影响电极的精度和使用寿命。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种环阵列组合固体不极化电极。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

环阵列组合固体不极化电极是由4、6或8个等角度环形分布的电极针6穿过固定板9，通过电极针6上端的连接螺纹4与阵列组合电极盖5连接，在阵列组合电极盖5的中部装有转换电路7，转换电路7的Ui₁ Ui₂……Ui_N与电极针6一一对应，即固体不极化电极设几个电极针6，转换电路7就设几个Ui₁Ui₂……Ui_N连接口，分别通过导线连接，转换电路7通过电极信号引出线8与电法仪连接构成。

本发明的目的还可以通过以下技术方案实现：

固体不极化电极是由电极针6的“哑铃”形主支架1中部凹槽段通过电解的方法镀Pb或Cu形成测量电极10，测量电极10的外部涂敷固体电解质2构成。

“哑铃”形主支架1的上端设有连接螺纹4，底端为锥形，电极针信号连接线3设在连接螺纹4下端，电极针信号连接线3的上端与转换电路7连接，下端与测量电极10连接。

固体电解质2是由PbCl或CuSO₄按体积1∶8的比例分散于聚乙烯醇缩丁醛溶液中，搅拌均匀后敷在测量电极10的外部，与“哑铃”形主支架1构成圆柱体，自然干燥后修整光滑。

有益效果：把固体不极化电极与金属棒相结合制成电极针，测量精度高，容易打入土层，施工效率高。尤其是采用环阵列电极针结构，一方面，电极针保证电极侧面与周围大地紧密耦合；另一方面，阵列结构提高了电极电场信号幅度，改善了信噪比，从而实现了高精度电场测量的性能。该电极野外施工方便，用捶击打入，维护简单，便于检测，制作工艺简单，成本低廉。

附图说明：

附图1：环阵列组合固体不极化电极结构图

附图2：附图1中电极针6的结构图

附图3：附图2中电极针6的A-A′剖面结构图

附图4：环阵列组合固体不极化电极转换电路7多路同相加法电路图

1“哑铃”形主支架，2固体不极化电极，3电极针信号连线，4连接螺纹，5阵列组合电极盖，6电极针，7转换电路，8电极信号引出线，9固定板，10测量电极。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

环阵列组合固体不极化电极是由4、6或8个等角度环形分布的电极针6穿过固定板9，通过电极针6上端的连接螺纹4与阵列组合电极盖5连接，在阵列组合电极盖5的中部装有转换电路7，转换电路7的Ui₁ Ui₂……Ui_N与电极针6一一对应，即固体不极化电极设几个电极针6，转换电路7就设几个Ui₁Ui₂……Ui_N连接口，分别通过导线连接，转换电路7通过电极信号引出线8与电法仪连接构成。固体不极化电极是由电极针6的“哑铃”形主支架1中部凹槽段通过电解的方法镀Pb或Cu形成测量电极10，测量电极10的外部涂敷固体电解质2构成。“哑铃”形主支架1的上端设有连接螺纹4，底端为锥形，电极针信号连接线3设在连接螺纹4下端，电极针信号连接线3的上端与转换电路7连接，下端与测量电极10连接。固体电解质2是由PbCl或CuSO₄按体积1∶8的比例分散于聚乙烯醇缩丁醛溶液中，搅拌均匀后敷在测量电极10的外部，与“哑铃”形主支架1构成圆柱体，自然干燥后修整光滑。

环阵列组合固体不极化电极是由4、6或8个等角度环形分布的电极针6以环阵列的形式排列，与阵列组合电极盖5螺纹连接，通过转换电路7把4、6或8个电场信号进行叠加压噪转换为一个信号，然后从电极信号引出线8输出，固定板9位于电极针的上部靠近阵列组合电极盖5。电极针6是由“哑铃”形主支架1，固体不极化电极2，电极针信号连线3和连接螺纹4组成。固体不极化电极2置于“哑铃”形主支架1的空凹处，以环形包裹“哑铃”形主支架1，并与“哑铃”形主支架1紧密粘贴构成一光滑的直棒，下端为锥形，形成电极针结构，方便野外锤击施工，固体不极化电极2的外侧深入地下与大地紧密接触，提高稳定性。电极针的直径1.5cm左右，长度20cm左右；凹槽部分直径1cm左右，长度10cm左右。电极针个数4、6或8个。电极针6通过连接螺纹4与电极盖5相连，拆卸方便，便于搬运和电极维护。通过电极盖5的孔隙电极针信号连线3与转换模块7相接，转换模块7采用同相加法电路，转换模块7的存在减少了电极和接收机之间的连线，从而减少接收机内部的信道数，降低开发成本，采用同相的目的是提高输入阻抗，图4加法器的原理是：

$\frac{U_O}{R+R_f}R=U_{+}$

$\frac{U_{i1}-U_{+}}{R_1}+\frac{U_{i2}-U_{+}}{R_2}+\·\·\·+\frac{U_{\mathrm{iN}}-U_{+}}{R_N}=0$

当R₁＝R₂＝…＝R_N＝R_f＝2R时，U_O＝(U_i1+U_i2+…U_iN)

最后实现了同相相加的目的。

把n个电极针信号进行叠加提高信号幅度便于后续接收采集，最后在接收机或者上层进行平均以达到压制白噪声的目的，从而提高信噪比，原理如下：假设有用信号f_s(t)与噪声信号N(t)，则：

                       f(t)＝f_s(t)+N(t)

如果以t_k为起点，每隔T的时间对某一特定点取一次样，则第i次的样品应为：

             f(t_k+iT)＝f_s[t_k+(i-1)T]+N[t_k+(i-1)T]

对于周期信号而言，可以认为

             f_s(t_k+iT)＝f_s(t_k)

则

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_s[t_k+(i-1)T]={\mathrm{nf}}_s\left(t_k\right)+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}N[t_k+(i-1)T]$

而：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}N[t_k+(i-1)T]=\sqrt{N^2\left(t_k\right)+N^2(t_k+T)+\·\·\·N^2[t_k+(n-1)T]}$

设每次取样噪声电平的有效平均值为

则：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}N[t_k+(i-1)T]=\sqrt{n}\stackrel{\‾}{N}\left(t_k\right)$

因此，经过累加后的信噪比为：

经过n次累加后信噪比改善为：

经过n次取样后，取得了倍的信噪比改善。

实施例1：

环阵列组合固体不极化电极是由4个等角度环形分布的电极针6穿过固定板9，通过电极针6上端的连接螺纹4与阵列组合电极盖5连接，在阵列组合电极盖5的中部装有转换电路7，转换电路7的Ui₁ Ui₂……Ui₄与电极针6一一对应，即固体不极化电极设4个电极针6，转换电路7就设4个Ui₁ Ui₂……Ui₄连接口，分别通过导线连接，转换电路7通过电极信号引出线8与电法仪连接。固体不极化电极是由电极针6的“哑铃”形主支架1中部凹槽段通过电解的方法镀有Pb的测量电极10，测量电极10的外部涂敷固体电解质2。“哑铃”形主支架1的上端设有连接螺纹4，底端为锥形，电极针信号连接线3设在连接螺纹4下端，电极针信号连接线3的上端与转换电路7连接，下端与测量电极10连接。固体电解质2是由PbCl按体积1∶8的比例分散于聚乙烯醇缩丁醛溶液中，搅拌均匀后敷在测量电极10的外部，与“哑铃”形主支架1构成圆柱体，自然干燥后修整光滑。

实施例2

环阵列组合固体不极化电极是由6个等角度环形分布的电极针6穿过固定板9，通过电极针6上端的连接螺纹4与阵列组合电极盖5连接，在阵列组合电极盖5的中部装有转换电路7，转换电路7的Ui₁ Ui₂……Ui₆与电极针6一一对应，即固体不极化电极设6个电极针6，转换电路7就设6个Ui₁ Ui₂……Ui₆连接口，分别通过导线连接，转换电路7通过电极信号引出线8与电法仪连接。固体不极化电极是由电极针6的“哑铃”形主支架1中部凹槽段通过电解的方法镀有Cu的测量电极10，测量电极10的外部涂敷固体电解质2。“哑铃”形主支架1的上端设有连接螺纹4，底端为锥形，电极针信号连接线3设在连接螺纹4下端，电极针信号连接线3的上端与转换电路7连接，下端与测量电极10连接。固体电解质2是由CuSO₄按体积1∶8的比例分散于聚乙烯醇缩丁醛溶液中，搅拌均匀后敷在测量电极10的外部，与“哑铃”形主支架1构成圆柱体，自然干燥后修整光滑。

实施例3

环阵列组合固体不极化电极是由8个等角度环形分布的电极针6穿过固定板9，通过电极针6上端的连接螺纹4与阵列组合电极盖5连接，在阵列组合电极盖5的中部装有转换电路7，转换电路7的Ui₁ Ui₂……Ui₈与电极针6一一对应，即固体不极化电极设8个电极针6，转换电路7就设Ui₁ Ui₂……Ui₈连接口，分别通过导线连接，转换电路7通过电极信号引出线8与电法仪连接。固体不极化电极是由电极针6的“哑铃”形主支架1中部凹槽段通过电解的方法镀有Cu的测量电极10，测量电极10的外部涂敷固体电解质2。“哑铃”形主支架1的上端设有连接螺纹4，底端为锥形，电极针信号连接线3设在连接螺纹4下端，电极针信号连接线3的上端与转换电路7连接，下端与测量电极10连接。固体电解质2是由CuSO₄按体积1∶8的比例分散于聚乙烯醇缩丁醛溶液中，搅拌均匀后敷在测量电极10的外部，与“哑铃”形主支架1构成圆柱体，自然干燥后修整光滑。

Claims (1)

1.一种环阵列组合固体不极化电极，其特征在于，是由(4)、(6)或(8)个等角度环形分布的电极针(6)穿过固定板(9)，通过电极针(6)上端的连接螺纹(4)与阵列组合电极盖(5)连接，在阵列组合电极盖(5)的中部装有转换电路(7)，转换电路7的Ui₁Ui₂……Ui_N与电极针(6)一一对应，即固体不极化电极设几个电极针(6)，转换电路(7)就设几个Ui₁Ui₂……Ui_N连接口，分别通过导线连接，转换电路(7)通过电极信号引出线(8)与电法仪连接构成；

固体不极化电极是由电极针(6)的“哑铃”形主支架(1)中部凹槽段通过电解的方法镀Pb或Cu形成测量电极(10)，测量电极(10的外部涂敷固体电解质(2)构成；

“哑铃”形主支架(1)的上端设有连接螺纹(4)，底端为锥形，电极针信号连接线(3)设在连接螺纹(4)下端，电极针信号连接线(3)的上端与转换电路(7)连接，下端与测量电极(10)连接；

固体电解质(2)是由PbCl或CuSO₄按体积1∶8的比例分散于聚乙烯醇缩丁醛溶液中，搅拌均匀后敷在测量电极(10)的外部，与“哑铃”形主支架(1)构成圆柱体，自然干燥后修整光滑。

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