CN104535847B - 组合式海洋电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式海洋电场传感器及其匹配测试方法，其中组合式海洋电场传感器包括：数据采集站(1)，用于采集和存储电场信号；数据传输装置(2)，用于将电极(16、26)检测的电场信号传输到数据采集站(1)；电极舱(3、4)，用于安装水密接插口(5)和固定电极(16、26)；水密接插口(5)，用于连接电极(16、26)；电极(16、26)，用于检测电场信号。本发明降低了传感器的自噪声，提高了电场传感器的测量灵敏度；实现了电极的重复使用，降低了海洋电场传感器的使用成本。

Description

组合式海洋电场传感器

技术领域

本发明属于地球物理测量领域，具体属于海洋勘测领域，尤其涉及一种组合式海洋电场传感器。

背景技术

海洋电磁技术的快速发展和应用源于探测仪器及传感器组件的发展，其中关键传感器部件之一即为高灵敏度的电场传感器。海洋环境中进行电场测量面临的一个突出问题就是信号太弱。受海水低阻层影响，电磁场信号随水深增加迅速衰减，相比陆地测量，在海底进行电场探测需要将探测灵敏度提高1-2个数量级。理论上，增大电场传感器之间的距离能提高海底电场探测能力，但在实际工作中受到海上作业船只和环境限制，大极距测量往往无法实现且成本很高。在对微弱海洋电场信号进行探测时，降低传感器的本底噪声是迫切需要解决的关键问题。

海底电磁场探测中重点关注低频段(0.0001-10Hz)，电极的1/f噪声直接决定了仪器的电场探测能力。由于1/f噪声与电极的表面积直接相关，因此通过增加电极的表面积可降低该噪声。目前的海洋电场传感器通常采用单体银-氯化银电极，为了达到低的1/f噪声目标，通过提高电极的尺寸面临两个难题。首先由于大尺寸电极的一致性难以保证，导致成品率低；同时，典型的银-氯化银电极需要使用大量的贵金属材料，在使用过程中若出现问题需要整体更换，使用成本较高。因此，如何在降低海洋电场传感器自噪声的同时降低使用成本是一个难题。

发明内容

针对现有技术的不足及问题，本发明提出一种自噪声低、使用成本低的组合式海洋电场传感器。

依据本发明的第一方面，提供一种组合式海洋电场传感器，其包括：

数据采集站1，用于采集和存储电场信号；

数据传输装置2，用于将电极16、26检测的电场信号传输到数据采集站1；

电极舱3、4，用于安装水密接插口5和固定电极16、26；

水密接插口5，用于连接电极16、26；

电极16、26，用于检测电场信号。

其中，所述数据采集站1包括耐压舱、采集器模块、水声通讯模块、电源模块，实现电场信号采集、存储及控制功能；耐压舱是高强度合金材料或者是耐压玻璃舱球，为数据采集站提供耐水压防护。采集器模块包括测量与控制电路、内部时钟以及数据存储卡，对电极组检测的电场信号进行采集、放大、存储。水声通讯模块实现数据采集站1的远程交互与控制。电源模块由电池包组成，提供采集器模块和水声通讯模块的电力供应。

优选地，所述数据传输装置2为高强度无磁性管材支架，内部固定水密电缆。

优选地，数据传输装置2长度可变化，通过水密电缆将电场信号传递到数据采集站1。

优选地，包括至少两个电极舱3、4，每两个电极舱3、4构成一对，测量一个分量的电场，电极舱3、4的位置和距离可变动，电极舱的数量可增加。

进一步地，电极舱3、4舱体由绝缘材料或者是表面经过绝缘处理的材料制成，舱体不封闭，舱体内部能与海水导通。

优选地，电极舱3、4舱体内部包含至少两个水密接插口5。

优选地，所述的电极16、26是适用于海水环境的不极化电极，即银-氯化银电极或者钛材料电极。

优选地，每一个电极舱3、4内部包含有多个电极16A-16B、26A-26B，它们一起不独立地测量相同的电场分量；多个电极16A-16B、26A-26B在长期使用后，通过匹配测试后重新分组使用。

依据本发明的第二方面，提供一种上述组合式海洋电场传感器的匹配测试方法：包括步骤：

第一步，对所有电极进行编号，挑选1个正常电极作为基准电极，通过数据采集站1逐一测量其他电极与基准电极的电位差随时间(12小时)的变化；

第二步，12小时内测试电极与基准电极电位差变化超过0.1mV，则该测试电极视为不稳定，予以排除；

第三步，分别挑选电位差值最接近和电位差随时间变化最小的2个电极构成电极组；

第四步，分别测量电极组之间的电位差，挑选出电位差＜0.1mV的构成一对电极组；

第五步，将挑选出的电极组分别安装在一对电极舱内，用于测量一个分量的电场。

使用本发明的技术方案，可以具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种组合式海洋电场传感器，解决了现有海洋电场传感器低频自噪声高、使用成本高等问题。

2、本发明提供的这种组合式海洋电场传感器，成对的电极舱内含有多个电极，这些电极通过水密接插口连接在一起，形成并联式结构，提高了电极与海水的有效接触面积，降低了低频段的1/f噪声。

3、本发明提供的这种组合式海洋电场传感器，通过重新分组和匹配使得电极能重复利用，降低了使用成本。

附图说明

图1为依照本发明的两个电极组的组合式海洋电场传感器原理图，有两个电极组，可测量一个分量的电场；

图2为依照本发明的四个电极组的组合式海洋电场传感器原理图，有四个电极组，可测量两个分量的电场；

图3为依照本发明的数据采集站结构框图。

具体实施方式

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的一部分实施例，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。

依据本发明的第一方面，提供一种组合式海洋电场传感器，其包括：

数据采集站1，用于采集和存储电场信号；

数据传输装置2，用于将电极16、26检测的电场信号传输到数据采集站1；

电极舱3、4，用于安装水密接插口5和固定电极16、26；

水密接插口5，用于连接电极16、26；

电极16、26，用于检测电场信号。

其中，所述数据采集站1包括耐压舱、采集器模块、水声通讯模块、电源模块，实现电场信号采集、存储及控制功能；耐压舱是高强度合金材料或者是耐压玻璃舱球，为数据采集站提供耐水压防护。采集器模块包括测量与控制电路、内部时钟以及数据存储卡，对电极组检测的电场信号进行采集、放大、存储。水声通讯模块实现数据采集站1的远程交互与控制。电源模块由电池包组成，提供采集器模块和水声通讯模块的电力供应。

优选地，所述数据传输装置2为高强度无磁性管材支架，内部固定水密电缆。

优选地，数据传输装置2长度可变化，通过水密电缆将电场信号传递到数据采集站1。

优选地，包括至少两个电极舱3、4，每两个电极舱3、4构成一对，测量一个分量的电场，电极舱3、4的位置和距离可变动，电极舱的数量可增加。

进一步地，电极舱3、4舱体由绝缘材料或者是表面经过绝缘处理的材料制成，舱体不封闭，舱体内部能与海水导通。

优选地，电极舱3、4舱体内部包含至少两个水密接插口5。

优选地，所述的电极16、26是适用于海水环境的不极化电极，即银-氯化银电极或者钛材料电极。

优选地，电极舱3、4内部包含有多个电极(16A-16B，26A-26B)，它们一起不独立地测量相同的电场分量；多个电极(16A-16B，26A-26B)在长期使用后，通过匹配测试后重新分组使用。

上述方案中，所述数据传输装置2用于连接数据采集站1和电极舱3、4，通过水密电缆传递电场信号；电极舱3、4的空间位置通过数据传输装置2的长度和方向控制。

上述方案中，所述电极舱至少有两个，构成一对，每一对测量一个分量的电场；电极舱3、4舱体不封闭，舱体上有导通口使其内部能与海水导通；舱体上装有至少两个水密接插口5；水密接插口5用于信号的连接导通，具备防水功能，可以重复插拔使用；

上述方案中，所述水密接插口5用于电极16、26与电极舱3、4的连接，每一个接插口连接一个电极，水密接插口5的数量可根据需求增加；

上述方案中，所述电极16、26分别安装在电极舱3、4内部，多个电极通过水密接插口5连接在一起，形成并联式结构，提高了电极与海水的有效接触面积，降低了低频段的1/f噪声；

在本发明中，每一个电极舱内有多个电极，成对的电极舱内含有数量相等的电极，这些电极一起不独立地测量相同的电场分量；或者，多个电极通过稳定性检测进行分组，挑选稳定性好的电极组安装在电极舱内；进一步地，本发明使用一段时间后，电极舱内的电极通过新的稳定性检测进行重新分组使用，使得电极能重复利用，降低了使用成本。

下面参考附图，给予进一步说明。如图1所示，为本发明的组合式海洋电场传感器原理图。该组合式海洋电场传感器的基本工作原理为，传感器放置在水下，电极舱3内的两个电极16A、16B构成一个电极组，电极舱4内的两个电极26A、26B构成另一个电极组，这两个电极组测量一个方向的电场信号。

请参照图1，组合式海洋电场传感器包括：数据采集站1、数据传输装置2、电极舱(3，4)、水密接插口5、电极16、26；数据采集站1，用于接收和存储电场信号；数据传输装置2，用于将电极16、26检测的电场信号传输到数据采集站1；电极舱3、4，用于安装水密接插口5和固定电极16、26；水密接插口5，用于连接电极16、26；电极16、26，用于检测电场信号。

在本发明中，数据传输装置2为高强度无磁性管材支架，可以是合金材料或者工程塑料制成的管材，水密电缆固定在管材内部，水密电缆两端通过接插件连接数据采集站和电极舱。

在本发明中，电极舱3、4舱体由具有一定机械强度的绝缘材料或者是表面经过绝缘处理的材料制成，电极舱3、4舱体不封闭，舱体上有导通口使其内部能与海水导通。

在本发明中，电极16、26是适用于海水环境的不极化电极，可以是银-氯化银电极或者钛材料电极。通常的传感器采用两个电极作为一对，采集一个分量的电场信号。为了提高电场信号分辨能力，需要增大电极尺寸以降低电极自身的低频1/f噪声。但是大尺寸的电极对加工工艺要求很高，一致性难以保证，导致成品率低；同时，以典型的银-氯化银电极为例，需要使用大量的高纯银材料，成本较高，而且在使用过程中若出现问题需要整体更换，使用成本也较高。

图1所示的两个电极16A、16B构成一个电极组，电极26A、26B构成另一个电极组，这两个电极组构成一对，同时不独立地测量一个分量的电场信号。通过这种实施方式，增加了电极与海水的有效接触面积，降低了电极自身的低频1/f噪声。同时，这种方式为电极的选择提供了灵活性，若减小电极尺寸但增加电极数量可以达到同样的效果。由于小尺寸的电极制作相对简单，成品率较高，可以采用多个小尺寸电极进行组合以达到降低电极自身低频1/f噪声的目的。

图1所示电极16、26在分组前先进行匹配测试，根据匹配测试结果进行分组配对，步骤如下：

第一步，对所有电极进行编号，挑选1个正常电极作为基准电极，通过数据采集站1逐一测量其他电极与基准电极的电位差随时间(12小时)的变化；

第二步，12小时内测试电极与基准电极电位差变化超过0.1mV，则该测试电极视为不稳定，予以排除；

第三步，分别挑选电位差值最接近和电位差随时间变化最小的2个电极构成电极组；

第四步，分别测量电极组之间的电位差，挑选出电位差＜0.1mV的构成一对电极组；

第五步，将挑选出的电极组分别安装在一对电极舱内，用于测量一个分量的电场。

电场传感器在多次使用后由于电极腐蚀的不同步导致稳定性下降，通常的措施是直接换用新的电极，成本较高。在本发明中，组合式海洋电场传感器经过多次使用后，可以将电极16、26进行匹配测试后以重新分组配对使用，使稳定性得到保障。电极实现了重复利用，降低了电场传感器的使用成本。

如图2所示，为依照本发明的第二个实施实例的组合式海洋电场传感器原理图。其特征在于，在电极舱(3、4、23、24)中各设置多个电极(16A，16B，16C，16D)、(26A，26B，26C，26D)、(36A，36B，36C，36D)和(46A，46B，46C，46D)，可同时记录两个方向的电场信号。

如图3所示，为本发明的数据采集站1的结构框图，包括耐压舱、采集器模块、水声通讯模块、电源模块，实现电场信号采集、存储及控制功能。耐压舱可以是高强度合金材料或者是耐压玻璃舱球，为数据采集站提供耐水压防护。采集器模块包括测量与控制电路、内部时钟以及数据存储卡，对电极组检测的电场信号进行采集、放大、存储。水声通讯模块实现数据采集站1的远程交互与控制。电源模块由电池包组成，提供采集器模块和水声通讯模块的电力供应。

以上所述的具体实施实例，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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施实例而已，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 (1)

1.一种组合式海洋电场传感器的匹配测试方法：所述组合式海洋传感器包括：数据采集站(1)，用于采集和存储电场信号；数据传输装置(2)，用于将电极(16、26)检测的电场信号传输到数据采集站(1)；水密接插口(5)，用于连接电极(16、26)；电极(16、26)，用于检测电场信号；至少两个电极舱(3、4)，所述电极舱(3、4)，用于安装所述水密接插口(5)和固定所述电极(16、26)，每两个所述电极舱(3、4)构成一对，测量一个分量的电场，电极舱(3、4)的位置和距离可变动、数量可增加；每个所述电极舱(3、4)舱体内部包含至少两个水密接插口(5)及多个电极(16A-16B，26A-26B)，所述多个电极(16A-16B，26A-26B)一起不独立地测量相同的电场分量；所述多个电极(16A-16B，26A-26B)在长期使用后，通过匹配测试后重新分组使用；

所述匹配测试包括以下步骤：

第一步，对所有电极进行编号，挑选1个正常电极作为基准电极，通过数据采集站1逐一测量其他电极与基准电极的电位差随时间(12小时)的变化；

第二步，12小时内测试电极与基准电极电位差变化超过0.1mV，则该测试电极视为不稳定，予以排除；

第三步，分别挑选电位差值最接近和电位差随时间变化最小的2个电极构成电极组；

第四步，分别测量电极组之间的电位差，挑选出电位差＜0.1mV的构成一对电极组；

第五步，将挑选出的电极组分别安装在一对电极舱内，用于测量一个分量的电场。