CN104502981A - 一种海洋电容性电极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋电容性电极，应用于地球物理勘探领域中海洋电场的测量，主要包括电容性电极和保护结构。电容性电极使用金属材料制成，其表面具有绝缘层，绝缘层具有良好的绝缘性能和抗腐蚀性。本发明的海洋电容性电极通过绝缘层隔开了电容性电极与外界环境媒质的直接接触，电极与外界电解质形成电容，以电容耦合的方式测量外界电场。由于绝缘层的存在，避免了电极与海水中的离子发生化学反应，进而避免化学反应过程中产生的电化学噪声，电极可以达到更低的噪声水平；同时缩短了电极建立平衡过程中的稳定时间，并避免电极在使用中的不断消耗。

Description

一种海洋电容性电极

技术领域

本发明涉及地球物理勘探中地电场的测量装置，特别涉及一种海洋电容性电极，用于海洋电法勘探中的电场数据采集。

背景技术

目前，在海洋电法勘探中为了减小金属电极极化的影响，普遍使用不极化电极进行电场信号的数据采集。如图1所示，不极化电极通常由电极芯1、电解质3、电极保护壳2、底部装置4和5、顶部装置6及输出线7组成，电极芯通常由某种金属制成，如铅、银等，电解质由该金属的金属盐与填充物质按一定比例混合制成，电解质的物理形态可以为固体或液体，电极形状可以为圆柱状或其他形状。在使用时不极化电极需浸没在海水中，海水中的离子与电极中的电解质发生氧化还原反应。但是这种不极化电极在实际使用中存在一些问题：(1)不极化电极通过离子的氧化还原反应获得所处位置的电场电势，不可避免地带来电化学噪声，致使电极自噪声水平不能进一步降低；(2)不极化电极在工作时需要一定时间达到电化学平衡，无法进行快速测量；(3)不极化电极的电化学反应将导致电极自身不断被消耗。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的主要目的之一在于提供一种不利用电极中电解质与海水中离子的氧化还原反应便能直接进行海洋电场信号测量的电极，电极具有化学惰性，不与环境媒质发生化学反应，避免不极化电极所存在的以上所述的几个问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种海洋电容性电极，用于通过电容耦合的方式测量海洋电场信号；其中所述海洋电容性电极包括电极芯和绝缘层，所述绝缘层将所述电极芯完全与海水隔绝，且与海水不发生化学反应；以及

所述电极芯由石墨、碳纤维、惰性金属材料制成，所述绝缘层由巨介电常数材料或化学惰性的高电阻率材料制成。

其中，所述电极芯由钽、铌、钛制成。

其中，所述电极芯具有海绵状多孔结构，海水可以通过微孔渗透到所述电极芯内部。

其中，所述电极芯的多孔结构通过将压接成型的金属粉末高温烧结而形成。

其中，所述电极芯与海水之间形成电容，电容值不低于10mF。

其中，所述绝缘层由BaTiO₃、CaCu₃Ti₄O₁₂或所述电极芯所用的金属的氧化物制成。

所述海洋电容性电极还包括电极输出引线，用于将测得的海洋电场信号输出，所述电极输出引线使用与所述电极芯同种材料制成；以及

所述海洋电容性电极还包括保护外壳，用于保护所述海洋电容性电极，所述外壳由高分子聚合物材料制成。

其中，所述保护外壳具有通孔，海水可以通过通孔流入所述电极内部。

所述海洋电容性电极还包括密封塞，封堵在所述保护外壳用于塞入所述海洋电容性电极的开口处，用于对所述海洋电容性电极起到固定与保护的作用；以及所述密封塞包括内塞和外塞，所述内塞和外塞之间保留一定的空间作为密封腔。

其中，所述密封腔内填充有环氧树脂胶体。通过上述技术方案可知，本发明的电容性电极不与海水中的离子发生化学反应，可以避免电化学噪声的产生，电极自噪声要低于不极化电极；电容性电极无需等待化学平衡的建立，可实现对电场信号的快速有效测量；电容性电极寿命长，可长时间连续稳定工作，电极在工作中不会被逐渐消耗。

附图说明

图1为现有技术中的不极化电极的结构示意图；

图2为本发明的海洋电容性电极的结构示意图；

图3为本发明的海洋电容性电极的等效电路图；

图4为本发明的海洋电容性电极局部放大的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明的原理为：本发明的海洋电容性电极采用惰性材料制成，电极表面有绝缘层隔开电极与海水，绝缘层具有良好的电绝缘性能和抗腐蚀性，从而避免电极与海水中的离子发生化学反应。电极、绝缘层、海水三者可等效为电容元件，海水的电场电势通过该电容被耦合至电极，进一步被后续的低噪声前置放大器放大，随后数据被采集站采集、记录。

更具体地，本发明海洋电容性电极采用惰性材料制成电极，电极表面有绝缘层隔开电极与海水，绝缘层具有良好的绝缘性能和抗腐蚀性，可以避免电极与海水中的离子发生化学反应，进而避免化学反应过程中产生的电化学噪声，缩短电极建立平衡过程中的稳定时间，并避免电极在使用中被不断消耗。

参考图2，作为一个优选实施例，海洋电容性电极由电极9、电极输出线14、壳体、密封腔等组成，电极输出线14由电极9引出，之后穿过内塞11、密封腔12和外塞13后输出。电极9置于壳体10内部，并由密封塞8固定，壳体10与密封塞8对电极9起到固定与保护的作用。特别地，壳体10上有若干通孔，可以保证外界电解质溶液自由进出壳体。内塞11和外塞13之间保留一定的空间作为密封腔，密封腔内填充环氧树脂或其他胶体。壳体的末端有螺旋纹15，用于将壳体固定在集成的传感器中。

电极9用于测量海洋电场信号，并将海洋电场信号通过电极输出线14输出，输出可以根据实际需求选择直接连接数据采集站或经过前置放大器后再连接数据采集站进行数据采集。电极输出线14表面有绝缘层以防止其内的金属导线被海水腐蚀，电极输出线14也可以使用带有金属网的导线，以屏蔽可能的外界信号干扰。

电极9由电极芯和电绝缘性膜层(绝缘层)构成，其中电极芯由化学惰性材料制成，如石墨、碳纤维、惰性金属等化学性质惰性但导电性能良好的材料，惰性材料保证电极9与海水不会发生化学反应。惰性金属例如为钽、铌、钛等。电极芯表面有绝缘层，绝缘层可以由巨介电常数材料如BaTiO₃、CaCu₃Ti₄O₁₂等制成，也可以由其他化学惰性的高电阻率材料制成。绝缘层进一步隔绝海水与电极芯之间可能发生的化学反应，并使海水、电极9之间形成电容。

电极9与前置放大器的等效电路如图3所示，记海洋电场电势为Vs，电极9与海水形成的界面电容为Ce，界面电阻为Re，电极输出线所接前置放大器(或采集站)的输入电阻为Ra、输入电容为Ca，那么耦合到前置放大器的输入端电压Vin为：

$\mathrm{Vin}=\frac{\mathrm{Ra}+\mathrm{j\ωRaReCe}}{\mathrm{Ra}+\mathrm{Re}+\mathrm{j\ωRaReCe}+\mathrm{j\ωRaReCa}}\·\mathrm{Vs}---\left(1\right)$

对于上式，可分情况讨论在不同情况下输入端电压与海洋电场电势的关系。

当Ra＞＞Re时，式(1)简化为：

$\mathrm{Vin}=\frac{1+\mathrm{j\ωReCe}}{1+\mathrm{j\ωReCe}+\mathrm{j\ωReCa}}\·\mathrm{Vs}---\left(2\right)$

给定条件Ce＞＞Ca，式(2)进一步简化为Vin＝Vs。若称海洋电场电势Vs耦合到前置放大器输入端电压Vin的系数为效率，那么此时效率与频率无关。

当Ra＜＜Re时，式(1)简化为：

$\mathrm{Vin}=\frac{\mathrm{Ra}(1+\mathrm{j\ωReCe})}{\mathrm{Re}(1+\mathrm{j\ωRaCe}+\mathrm{j\ωRaCa})}\·\mathrm{Vs}---\left(3\right)$

给定条件Ce＞＞Ca、jωRaCe＞＞1，式(3)进一步简化为Vin＝Vs，即在满足一定条件下，效率仍然为1。

当Ra与Re相近似时，不妨设Re＝nRa(0.1≤n≤10)，那么式(1)简化为：

$\mathrm{Vin}=\frac{\mathrm{Ra}(1+\mathrm{j\ωReCe})}{\mathrm{Ra}(n+1+\mathrm{j\ωReCe}+\mathrm{j\ωReCa})}\·\mathrm{Vs}---\left(4\right)$

给定条件Ce＞＞Ca、jωReCe＞＞n+1(0.1≤n≤10)，式(4)仍可以简化为Vin＝Vs。

综上三种不同情况可知，应满足条件Ce＞＞Ca、jωReCe＞＞1、jωRaCe＞＞1，以满足电容性电极匹配不同的前置放大器时均有效率为1。对于普通的放大器而言，输入电阻一般满足Ra＞1MΩ，输入电容满足Ca＜10pF；对于海洋电法勘探，其电极一般要求工作频段为1mHz-100Hz，因而综合而言，对电容性电极应要求：

Ce＞＞100μF    (5)

ReCe＞＞100F·Ω

有多种手段可以实现如此大的界面电容，并满足式(5)中对界面电阻的条件要求。电极9表面绝缘层采用巨介电常数材料如BaTiO₃、CaCu₃Ti₄O₁₂等，以电极9为基材，通过业界常用的工艺将巨介电常数材料在电极9表面生成一层致密的绝缘薄层。由于绝缘层具有极高的介电常数和非常良好的致密性，电极9和海水之间可以形成满足要求的界面电容值和界面电阻值。

还可以通过增大电极9与海水的接触面积来达到增大界面电容的目的。采用化学惰性的金属材料如钽、钛、铌等，将金属粉末压制成块状体，在真空中加以一定温度进行烧结，烧结一定时间后，送入特定电解质溶液中加以一定电压进行阳极氧化，使电极表面生成一层该金属的氧化膜层。采用此工艺制成的电极9具有海绵状多孔结构，如图4所示，多孔状的金属基材16表面生成一层氧化薄层17，当电容性电极置于海水溶液中时，海水通过孔隙18渗透到电极内部，由于电极内部大量的孔隙存在，海水与绝缘层、绝缘层与电极基材之间形成的接触面积远远大于其表面积，进而实现满足要求的界面电容的目的。

本发明的海洋电容性电极不同于传统的海洋不极化电极，电容性电极通过电极表面化学惰性的绝缘层隔绝了电极与海水的接触，电极与海水几乎不发生化学反应，进而避免了不极化电极所存在的电化学噪声大、化学平衡稳定时间长等问题。

需要说明的是，本发明海洋电容性电极不仅仅限于在海洋环境中使用，在其他电解质溶液环境如淡水环境、受污染水质环境、酸性溶液环境、碱性溶液环境中均可以使用。当本发明海洋电容性电极匹配特殊的高阻抗放大电路时，该电极还可以在绝缘介质环境下如空气中进行电场的测量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海洋电容性电极，用于通过电容耦合的方式测量海洋电场信号；其中所述海洋电容性电极包括电极芯和绝缘层，所述绝缘层将所述电极芯完全与海水隔绝，且与海水不发生化学反应；以及

所述电极芯由石墨、碳纤维、惰性金属材料制成，所述绝缘层由巨介电常数材料或化学惰性的高电阻率材料制成。

2.根据权利要求1所述的海洋电容性电极，其中所述电极芯由钽、铌、钛制成。

3.根据权利要求1所述的电容性电极，其中所述电极芯具有海绵状多孔结构，海水可以通过微孔渗透到所述电极芯内部。

4.根据权利要求3所述的电容性电极，其中所述电极芯的多孔结构通过将压接成型的金属粉末高温烧结而形成。

5.根据权利要求1所述的电容性电极，其中所述电极芯与海水之间形成电容，电容值不低于10mF。

6.根据权利要求1所述的电容性电极，其中所述绝缘层由BaTiO₃、CaCu₃Ti₄O₁₂或所述电极芯所用的金属的氧化物制成。

7.根据权利要求1所述的海洋电容性电极，还包括电极输出引线，用于将测得的海洋电场信号输出，所述电极输出引线使用与所述电极芯同种材料制成；以及

所述海洋电容性电极还包括保护外壳，用于保护所述海洋电容性电极，所述外壳由高分子聚合物材料制成。

8.根据权利要求7所述的海洋电容性电极，其中所述保护外壳具有通孔，海水可以通过通孔流入所述电极内部。

9.根据权利要求7所述的海洋电容性电极，还包括密封塞，封堵在所述保护外壳用于塞入所述海洋电容性电极的开口处，用于对所述海洋电容性电极起到固定与保护的作用；以及所述密封塞包括内塞和外塞，所述内塞和外塞之间保留一定的空间作为密封腔。

10.根据权利要求9所述的海洋电容性电场传感器，其中所述密封腔内填充有环氧树脂胶体。