CN108802806A - 一种大地介电谱检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大地介电谱检测方法，包括将测区的介电谱图分段，得到实测介电谱图和计算出理想的介电谱图，进一步通过用模型函数修正所述理想复介电常数解析式，得到实际的大地复介电常数解析式。本发明将介电谱方法引入到地震前兆观测中，是一种新的活动断裂和地壳运动观测方法；可以用于重大工程的地震安全性评价和地震前兆监测；在地下流体前兆观测中，这种方法也有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及地震前兆观测技术领域，尤其是一种利用大地介电谱检测观测地震的方法。
背景技术
介电谱方法是研究物质与电磁场相互作用的一种方法。在电学振动频段，其观测频率包含微波、射频和音频的电磁波频率。诺贝尔奖获得者Peter Debye的著名论著“PolarMolecules”奠定了介电谱方法的理论基础。在此之后，Cole K S,Cole R H.1941修正了Debye模型，并提出Cole-Cole模型和方程。Maxwell-Wagner界面极化理论奠定了非均匀体系的介电理论基础。60年代，Hanai建立了浓厚系理论公式以及对Wagner理论的定量化方法，可以解释大量实际的化学和生物体系的介电行为，并获得内部组分的电结构信息。1960年O'Konski将表面电导率概念引入到界面极化理论中，使得理论与实验测量更加吻合。这之后，将阻抗引入到对表面电导的研究，用对离子沿粒子表面的重新分配来解释低频弛豫，以及本体扩散模型的提出(S.S.Dukhin.1974.)，奠定了对离子极化理论的基础。
由于上述理论的发展，以及它们在解释大量实际体系上的成功，凸显出介电谱方法获取复杂体系内部信息方面的突出优势，成为在宏观、介观以及微观水平上，探测物质体系内部动力学、构造以及电学性质等方面信息的有效工具。经过100多年的发展，应用介电谱方法取得了许多技术成果。
介电谱方法在化学和生物体系的研究已经趋于成熟和完善，在国内外产生了许多技术发明。例如，使用扫描介电显微镜研究细胞的新方法，利用细胞介电谱方法开发的对细胞表面受体进行无标记实时监测的技术，化学反应、生物发酵动态过程的跟踪监控技术，以及用于火星环境微生物生命形式探测的介电谱传感技术等。我国科学家在牛乳的介电谱分析技术、生物细胞的介电谱解析及其应用技术、材料性能的介电谱测试技术等方面取得了很多成果。例如相位介电测井方法，解决了判断油田水淹层的难题，利用介电扫描测井仪一级高频介电常数对地层水矿化度变化不敏感的特性，结合孔隙度参数对水淹层含油性进行评价，有效识别出水淹层。
大地介电谱观测方法是利用物质的介电频散(弛豫)特性，来观测研究地下不同部位的介电参数变化。在地震前兆观测中，目前介电谱观测设施还只能设置在地壳的浅层，在一个特定的频段上测量介电谱，得到相应的介电参数。
微观介电参数是指由电介质中相邻离子和其间的绝缘物质组成的电容器的介电参数,即离子电容器的介电参数,称为微观介电参数。定义：由地下电介质内部导电离子与绝缘物质组合形成的总介电参数，称为大地介电参数。它是地下电介质内部各导电离子之间微观介电参数的宏观效应。一个宏观系统由于周围环境的变化或它经受了一个外界的作用而变成非热平衡状态，这个系统经过一定时间由非热平衡状态过渡到新的热平衡状态的过程称为弛豫。弛豫过程的宏观规律决定于体系中微观离子相互作用的性质。
但大地介电谱观测对象是大地，其特点是：一、存在大地电场和其它各种干扰因素；二、观测装置的电极极距较大(几百至上千米)，存在趋肤效应和电极线间电磁耦合的影响。
从1967年至今，地震前兆观测领域逐步确立了直流地电阻率观测方法，观测技术方面也取得很大进步。近年来发展起来的地震地电阻率多极距观测方法是通过不同极距的地电阻率，经正、反演计箅获得不同深度层的等效(真)电阻率值，可排除因人类活动等引起的表浅层干扰，从而获得可靠性高的电阻率异常。
为了观测地下介质电学属性及其变化，观测装置的电极极距需要几百至上千米。如果像在化学、生物、材料测试、和测井领域那样采用微波、射频的电磁波频率进行测量，由于趋肤效应和电极线间电磁耦合等因素的影响，介电效应被噪声和干扰信号所掩盖，难以分离出来。
发明内容
为了实现在音频电磁波频率范围内通过测量和分析大地介电谱，得到符合误差要求的测区大地介电参数和大地复介电常数解析式，取得的数据主要用于活动断裂监测、地壳运动监测、地下流体监测等地震前兆观测领域，本发明提出一种大地介电谱检测方法，在这个频段通过相当显著的低频介电弛豫现象，测量分析出大地介电参数。
大地介电谱检测方法，其特征在于，包括
S1、利用大地介电谱检测装置采集测区数据，所述大地介电谱检测装置包括布设在大地浅表层或井下的一对供电电极、一对测量电极、连接在所述供电电极之间的音频信号发生器和连接在所述测量电极之间的数据分析仪，所述音频信号发生器产生电磁频率，所述数据包括流过所述供电电极的电流和所述测量电极上的电压；
S2、绘制测区的介电谱图；
S2-1、用复数表示测量得到的电压和电流，计算出测区每个测量频点f的大地的复介电常数数值，分为实部和虚部(ε,ε″)；
S2-2、绘制测区大地复介电常数的介电谱图，横坐标轴为角频率ω＝2πf，纵坐标分别为实部和虚部；
S3、根据虚部介电谱图上极大值点数量和测区电介质的极化机制，确定测区大地介电弛豫数目n，测区电介质的极化机制包括电子极化、离子极化、取向极化、界面极化、对离子极化，介电体的极化来自于所述极化机制贡献的部分或总和；
S4、将所述介电谱图分解为n个；对介电谱图进行以下操作：
找出虚部每个极大值对应的角频率点ω01，ω01…ω0n，此为弛豫角频率；
找出虚部每个极小值，以极小值对应的角频率点为界，将介电谱图分成n个频段，分别绘制虚部的曲线，介电常数虚部在所述电磁频率最低时的值记为ε″l，在所述电磁频率最高时的值记为ε″h；
以极小值对应的角频率点为界，将介电谱图分成n个频段，分别绘制实部的曲线，介电常数实部在所述电磁频率最低时的值记为εl，在所述电磁频率最高时的值记为εh；所述虚部和实部的介电谱图称为实测介电谱图；
在每个弛豫项的所述实测介电谱图中，在每个测量频率点，找到对应的介电常数实部值和虚部值，以所述实部值为横坐标值，所述虚部值为纵坐标值，角频率为参变量，得到n个复平面上的介电谱图，称为实测Cole-Cole模型图；
S5、列出理想复介电常数解析式
理想复介电常数解析式由n个弛豫项和常数项加和组成，每个弛豫项由Debye公式来表示，
其中，实部和虚部分别是： 称为弛豫角频率；令Δε＝εl-εh，为介电增量或弛豫强度，弛豫角频率和介电增量总称为介电参数；
以Debye公式的实部值为横坐标值，虚部值为纵坐标值，角频率为参变量，得到n个复平面上的介电谱图，称为每个弛豫项的理想Cole-Cole模型图；
S6、用模型函数修正所述理想复介电常数解析式中的弛豫项，具体是：修正理想的Cole-Cole模型图，用拟合的办法找到适当的模型函数代替Debye公式，对Debye公式进行衍变，得到实际的大地复介电常数解析式，其与测区大地复介电常数实测值之间的绝对误差应小于设定值，如果超差则需要修改模型函数使误差减小，或者修改绝对误差的设定值。
进一步，所述音频信号发生器发出的频率范围为20Hz～20kHz。
进一步，测区大地介电弛豫数目n为3或4，n＝3时的介电弛豫分别是表浅层土壤介质的弛豫，下层位岩石的弛豫和对离子极化弛豫；n＝4时的介电弛豫分别是表浅层土壤介质的弛豫，下层位岩石的弛豫，层间界面极化弛豫和对离子极化弛豫。
进一步的，n＝3时，S5中理想复介电常数解析式为
其中介电参数有：表浅层土壤介质的弛豫时间τ1，下层位岩石介质的弛豫时间τ2，对离子扩散有关的弛豫时间τcp，σl为低频/直流电导，ε0＝8.8537×10-12F/m为真空介电常数，Δε＝Δε1＝Δε2＝Δεcp。
n＝4时，S5中理想复介电常数解析式为
其中介电参数有：表浅层土壤介质的弛豫时间τ1，下层位岩石介质的弛豫时间τ2，层间界面极化的弛豫时间τMW，与对离子扩散有关的弛豫时间τcp，σl为低频/直流电导，ε0＝8.8537×10-12F/m为真空介电常数，Δε＝Δε1＝Δε2＝ΔεMW＝Δεcp。
进一步，S6中的所述模型函数为圆弧形方程，
引入曲线形状参数，即弛豫时间分布参数α，复介电常数解析式变为
当α＝0时即为Debye方程，
其实部
虚部
或者，S6中的所述模型函数为非对称的圆弧形方程，
引入曲线形状参数，即弛豫时间分布参数β，复介电常数解析式变为
当β＝1时即为Debye方程；其实部ε(ω)＝εh+Δεcos(βθ)cosβθ
虚部ε″(ω)＝Δεsin(βθ)cosβθ，其中θ＝arctan(ωτ)。
或者，S6中的所述模型函数为具有两个弛豫时间分布参数的非对称圆弧形方程，
引入两个曲线形状参数α,β，即弛豫时间分布参数，复介电常数解析式变为
当α＝0,β＝1时为Debye方程；
实部ε(ω)＝εh+r-β/2Δεcos(βθ)，虚部ε″(ω)＝r-β/2Δεsin(βθ)，其中
介电谱方法采用人工控制的信号发生器来进行测量，通过增加激励信号幅度和选频接收的方法，可以抑制大地电场和其它各种干扰的影响。为研究地震前兆与非震前兆的物理因素关系提供依据，为识别干扰影响和提取地震异常信息提供了新的技术手段。与多极距观测不同，介电谱观测使用与单极距地电阻率观测类似的四电极法装置，装置系统简单；在介电谱观测中，用介电谱图与解析式相结合的方法可以直接获取地下介质的介电参数及其变化，不必对数据进行“反演”，在实际使用中，具有便捷和高精度的特点。
本发明将介电谱方法引入到地震前兆观测中，是一种新的活动断裂和地壳运动观测方法；可以用于重大工程的地震安全性评价和地震前兆监测；在地下流体前兆观测中，这种方法也有着广阔的应用前景。
大地介电参数和地电阻率都是反映地下介质电学属性的物理量，在探索地震电性前兆方面，可以相互补充，彼此佐证，容易分辨出引起两个参数变化的共同本质因素，排除非前兆干扰，捕捉孕震信息。
附图说明
图1为本发明实施例大地介电谱测量装置示意图；
图2为本发明另一实施例大地介电谱测量方法流程图；
图3(a)为本发明图2实施例中大地介电谱检测方法中理想的介电谱图，图3(b)为对应的理想的Cole-Cole模型图；
图4为本发明又一实施例中模型函数为圆弧形方程时的Cole-Cole模型图；
图5为本发明又一实施例中模型函数为非对称圆弧形方程时的Cole-Cole模型图；
图6为本发明又一实施例中模型函数为具有两个弛豫时间分布参数的非对称圆弧形方程时的Cole-Cole模型图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
在测区布设大地介电谱观测装置。如图1所示，观测装置由四个电极及其连接线、音频信号发生器、数据采集分析仪组成。采用四个电极是为了克服电极极化的影响。四个电极中，A、B为一对供电电极，向A、B两个电极供给特定频率的激励电流，M、N为一对测量电极，连接到高输入阻抗的数据分析仪中。
主要技术指标：
频率范围：20Hz～20kHz；
数据采集装置输入阻抗：输入电阻值≥1GΩ，输入电容量≤100pf；
电压测量最大允许误差：±(0.02％读数+300uV)@20℃；
电压测量分辨力：±20uV(DC)@1V；
电流测量分辨力：±20uA(DC)@1A；
输入电压范围：±2.5Vpp；
采样率：100kSPS；
输入通道数：2个，同步误差≤1uS；
相对介电常数测量误差：≤2.5％@1kHz(有机玻璃样品，平行板电容法)；
供电电极：铅/不锈钢/铜等金属电极；
测量电极：铅/不锈钢/铜等金属电极/不极化电极；
音频信号发生器：0.1A～2A，500Wmax，20Hz～20kHz；频率稳定度≤±0.1％
根据测区大地电性结构、地质构造确定一对供电电极间的距离，通常为1000米左右；测量电极间的距离，可以先取供电极距的1/3，进行试验测量，调整音频信号发生器的输出电流幅值和测量极距，使激励信号与干扰信号的信噪比达到要求。
测量是确定量大小的过程，观测是对量的连续测量。在地震前兆观测中，需要连续测量，因此大地介电谱观测装置具有自动测量和自动分析处理数据的功能。
实施例2
本实施例介绍利用实施例1中的装置检测大地介电谱的一种方法，如图2所示，具体是：
步骤1、利用大地介电谱检测装置采集测区数据，包括通过供电电极的电流和测量电极上的电压；
步骤2、绘制测区的介电谱图，包括：
(1)用复数表示测量得到的电压和电流，计算出测区每个测量频点f的大地复介电常数数值，分为实部和虚部(ε,ε″)；
(2)绘制测区大地复介电常数的介电谱图，横坐标轴为角频率ω＝2πf，纵坐标分别为实部和虚部；
步骤3、根据虚部介电谱图上极大值点数量和测区电介质的极化机制，确定测区大地介电弛豫数目n，测区电介质的极化机制包括电子极化、离子极化、取向极化、界面极化、对离子极化，介电体的极化来自于上述极化机制贡献的部分或总和；
步骤4、将介电谱图分解为n个；对介电谱图进行以下操作：
找出虚部每个极大值对应的角频率点ω01，ω01…ω0n，此为弛豫角频率；
找出虚部每个极小值，以极小值对应的角频率点为界，将介电谱图分成n个频段，分别绘制虚部的曲线，介电常数虚部在电磁频率最低时的值记为ε″l，在电磁频率最高时的值记为ε″h；
以极小值对应的角频率点为界，将介电谱图分成n个频段，分别绘制实部的曲线，介电常数实部在电磁频率最低时的值记为εl，在电磁频率最高时的值记为εh；虚部和实部的介电谱图称为实测弛豫项介电谱图；
在实测弛豫项介电谱图中，在每个测量频率点，找到对应的介电常数实部值和虚部值，以实部值为横坐标值，虚部值为纵坐标值，角频率为参变量，得到n个复平面上的介电谱图，称为实测弛豫项Cole-Cole模型图；
步骤5、列出理想复介电常数解析式
理想复介电常数解析式由n个弛豫项和常数项加和组成，每个弛豫项由Debye公式来表示，
其中，实部和虚部分别是： 称为弛豫角频率；令Δε＝εl-εh，为介电增量或弛豫强度，弛豫角频率和介电增量总称为介电参数；
以Debye公式的实部值为横坐标值，虚部值为纵坐标值，角频率为参变量，得到n个复平面上的介电谱图，称为每个弛豫项的理想Cole-Cole模型图，如图3(a)和(b)所示；
步骤6、用模型函数修正所述理想复介电常数解析式，具体是：修正理想的Cole-Cole模型图，用拟合的办法找到适当的模型函数代替Debye公式，对Debye公式进行衍变，得到实际的大地复介电常数解析式，其与测区大地复介电常数实测值之间的绝对误差应小于设定值，如果超差则需要修改模型函数使误差减小，或者修改绝对误差的设定值。
在一些实施方式中，音频信号发生器发出的频率范围为20Hz～20kHz。
实施例3
与实施例2不同之处在于，确定测区大地介电弛豫数目n＝3，此时介电弛豫分别是表浅层土壤介质的弛豫，下层位岩石的弛豫和对离子极化弛豫。
此时，
步骤4、将介电谱图分解为3个，对介电谱图进行以下操作：
找出虚部每个极大值对应的角频率点ωO1,ωO2,ωO3，此为弛豫角频率；
找出虚部每个极小值，以极小值对应的角频率点为界，将介电谱图分成3个频段，分别绘制虚部的曲线，介电常数虚部在电磁频率最低时的值记为ε″l，在电磁频率最高时的值记为ε″h；
以极小值对应的角频率点为界，将介电谱图分成3个频段，分别绘制实部的曲线，介电常数实部在电磁频率最低时的值记为εl，在电磁频率最高时的值记为εh；虚部和实部的介电谱图称为实测弛豫项介电谱图；
在实测弛豫项介电谱图中，在每个测量频率点，找到对应的介电常数实部值和虚部值，以实部值为横坐标值，虚部值为纵坐标值，角频率为参变量，得到3个复平面上的介电谱图，称为实测弛豫项Cole-Cole模型图；
步骤5、列出理想复介电常数解析式
理想复介电常数解析式由3个弛豫项和常数项加和组成，每个弛豫项由Debye公式表示，
其中，实部和虚部分别是： 称为弛豫角频率；令Δε＝εl-εh，为介电增量或弛豫强度，弛豫角频率和介电增量总称为介电参数；
此时理想复介电常数解析式为
其中介电参数有：表浅层土壤介质的弛豫时间τ1，下层位岩石介质的弛豫时间τ2，对离子扩散有关的弛豫时间τcp，σl为低频/直流电导，ε0＝8.8537×10-12F/m为真空介电常数，Δε＝Δε1＝Δε2＝Δεcp。
以Debye公式的实部值为横坐标值，虚部值为纵坐标值，角频率为参变量，得到n个复平面上的介电谱图，称为每个弛豫项的理想Cole-Cole模型图。
步骤6、用模型函数修正所述理想复介电常数解析式，具体是：修正理想的Cole-Cole模型图，用拟合的办法找到适当的模型函数代替Debye公式，对Debye公式进行衍变，得到实际的大地复介电常数解析式，其与测区大地复介电常数实测值之间的绝对误差应小于设定值，如果超差则需要修改模型函数使误差减小，或者修改绝对误差的设定值。
实施例4
不同之处在于，确定测区大地介电弛豫数目n＝4，此时介电弛豫分别是表浅层土壤介质的弛豫，下层位岩石的弛豫，层间界面极化弛豫和对离子极化弛豫。
此时，
步骤4、将介电谱图分解为4个，对介电谱图进行以下操作：
找出虚部每个极大值对应的角频率点ωO1,ωO2,ωO3,ωO4，此为弛豫角频率；
找出虚部每个极小值，以极小值对应的角频率点为界，将介电谱图分成4个频段，分别绘制虚部的曲线，介电常数虚部在电磁频率最低时的值记为ε″l，在电磁频率最高时的值记为ε″h；
以极小值对应的角频率点为界，将介电谱图分成4个频段，分别绘制实部的曲线，介电常数实部在电磁频率最低时的值记为εl，在电磁频率最高时的值记为εh；虚部和实部的介电谱图称为实测弛豫项介电谱图；
在实测弛豫项介电谱图中，在每个测量频率点，找到对应的介电常数实部值和虚部值，以实部值为横坐标值，虚部值为纵坐标值，角频率为参变量，得到4个复平面上的介电谱图，称为实测弛豫项Cole-Cole模型图；
步骤5、列出理想复介电常数解析式
理想复介电常数解析式由4个弛豫项和常数项加和组成，每个弛豫项由Debye公式表示，
其中，实部和虚部分别是： 称为弛豫角频率；令Δε＝εl-εh，为介电增量或弛豫强度，弛豫角频率和介电增量总称为介电参数；
此时理想复介电常数解析式为
其中介电参数有：表浅层土壤介质的弛豫时间τ1，下层位岩石介质的弛豫时间τ2，层间界面极化的弛豫时间τMW，对离子扩散有关的弛豫时间τcp，σl为低频/直流电导，ε0＝8.8537×10-12F/m为真空介电常数，Δε＝Δε1＝Δε2＝ΔεMW＝Δεcp。
以Debye公式的实部值为横坐标值，虚部值为纵坐标值，角频率为参变量，得到n个复平面上的介电谱图，称为每个弛豫项的理想Cole-Cole模型图。
步骤6、用模型函数修正所述理想复介电常数解析式，具体是：修正理想的Cole-Cole模型图，用拟合的办法找到适当的模型函数代替Debye公式，对Debye公式进行衍变，得到实际的大地复介电常数解析式，其与测区大地复介电常数实测值之间的绝对误差应小于设定值，如果超差则需要修改模型函数使误差减小，或者修改绝对误差的设定值。
实施例5
与实施例2～4不同之处在于，步骤6中的模型函数为圆弧形方程，如图4所示，
引入曲线形状参数，即弛豫时间分布参数α，复介电常数解析式变为
当α＝0时即为Debye方程，
其实部
虚部
实施例6
与实施例2～5不同之处在于，步骤6中的模型函数为非对称的圆弧形方程，如图5所示，
引入曲线形状参数，即弛豫时间分布参数β，复介电常数解析式变为
当β＝1时即为Debye方程；其实部ε(ω)＝εh+Δεcos(βθ)cosβθ
虚部ε″(ω)＝Δεsin(βθ)cosβθ，其中θ＝arctan(ωτ)。
实施例7
与实施例2～6不同之处在于，步骤6中的模型函数为具有两个弛豫时间分布参数的非对称圆弧形方程，如图6所示，
引入两个曲线形状参数α,β，即弛豫时间分布参数，复介电常数解析式变为
当α＝0,β＝1时为Debye方程；
实部ε(ω)＝εh+r-β/2Δεcos(βθ)，虚部ε″(ω)＝r-β/2Δεsin(βθ)，其中
通过以上实施例任一个进行大地介电谱检测，如果计算得出的理想复介电常数值与测区大地复介电常数的实测值仍存在较大误差，则加密频率点进行测量，取得更多组数据，重新进行测量和分析，直至使误差达到要求为止。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (8)
1.大地介电谱检测方法，其特征在于，包括
S1、利用大地介电谱检测装置采集测区数据，所述大地介电谱检测装置包括布设在大地浅表层或井下的一对供电电极、一对测量电极、连接在所述供电电极之间的音频信号发生器和连接在所述测量电极之间的数据分析仪，所述音频信号发生器产生电磁频率，所述数据包括流过所述供电电极的电流和所述测量电极上的电压；
S2、绘制测区的介电谱图；
S2-1、用复数表示测量得到的电压和电流，计算出测区每个测量频点f的大地的复介电常数数值，分为实部和虚部(ε,ε″)；
S2-2、绘制测区大地复介电常数的介电谱图，横坐标轴为角频率ω＝2πf，纵坐标分别为实部和虚部；
S3、根据虚部介电谱图上极大值点数量和测区电介质的极化机制，确定测区大地介电弛豫数目n，测区电介质的极化机制包括电子极化、离子极化、取向极化、界面极化、对离子极化，介电体的极化来自于所述极化机制贡献的部分或总和；
S4、将所述介电谱图分解为n个；对介电谱图进行以下操作：
找出虚部每个极大值对应的角频率点ω01，ω01…ω0n，此为弛豫角频率；
找出虚部每个极小值，以极小值对应的角频率点为界，将介电谱图分成n个频段，分别绘制虚部的曲线，介电常数虚部在所述电磁频率最低时的值记为ε″l，在所述电磁频率最高时的值记为ε″h；
以极小值对应的角频率点为界，将介电谱图分成n个频段，分别绘制实部的曲线，介电常数实部在所述电磁频率最低时的值记为εl，在所述电磁频率最高时的值记为εh；所述虚部和实部的介电谱图称为实测介电谱图；
在每个弛豫项的所述实测介电谱图中，在每个测量频率点，找到对应的介电常数实部值和虚部值，以所述实部值为横坐标值，所述虚部值为纵坐标值，角频率为参变量，得到n个复平面上的介电谱图，称为实测Cole-Cole模型图；
S5、列出理想复介电常数解析式
理想复介电常数解析式由n个弛豫项和常数项加和组成，每个弛豫项由Debye公式来表示，
其中，实部和虚部分别是： 称为弛豫角频率；令Δε＝εl-εh，为介电增量或弛豫强度，弛豫角频率和介电增量总称为介电参数；
以Debye公式的实部值为横坐标值，虚部值为纵坐标值，角频率为参变量，得到n个复平面上的介电谱图，称为每个弛豫项的理想Cole-Cole模型图；
S6、用模型函数修正所述理想复介电常数解析式中的弛豫项，具体是：修正理想的Cole-Cole模型图，用拟合的办法找到适当的模型函数代替Debye公式，对Debye公式进行衍变，得到实际的大地复介电常数解析式，其与测区大地复介电常数实测值之间的绝对误差应小于设定值，如果超差则需要修改模型函数使误差减小，或者修改绝对误差的设定值。
2.根据权利要求1所述的大地介电谱检测方法，其特征在于，所述音频信号发生器发出的频率范围为20Hz～20kHz。
3.根据权利要求1所述的大地介电谱检测方法，其特征在于，测区大地介电弛豫数目n为3或4，n＝3时的介电弛豫分别是表浅层土壤介质的弛豫，下层位岩石的弛豫和对离子极化弛豫；n＝4时的介电弛豫分别是表浅层土壤介质的弛豫，下层位岩石的弛豫，层间界面极化弛豫和对离子极化弛豫。
4.根据权利要求3所述的大地介电谱检测方法，其特征在于，n＝3时，S5中理想复介电常数解析式为
其中介电参数有：表浅层土壤介质的弛豫时间τ1，下层位岩石介质的弛豫时间τ2，对离子扩散有关的弛豫时间τcp，σl为低频/直流电导，ε0＝8.8537×10-12F/m为真空介电常数，Δε＝Δε1＝Δε2＝Δεcp。
5.根据权利要求3所述的大地介电谱检测方法，其特征在于，n＝4时，S5中理想复介电常数解析式为
其中介电参数有：表浅层土壤介质的弛豫时间τ1，下层位岩石介质的弛豫时间τ2，层间界面极化的弛豫时间τMW，与对离子扩散有关的弛豫时间τcp，σl为低频/直流电导，ε0＝8.8537×10-12F/m为真空介电常数，Δε＝Δε1＝Δε2＝ΔεMW＝Δεcp。
6.根据权利要求1所述的大地介电谱检测方法，其特征在于，S6中的所述模型函数为圆弧形方程，
引入曲线形状参数，即弛豫时间分布参数α，复介电常数解析式变为
当α＝0时即为Debye方程，
其实部
虚部
7.根据权利要求1所述的大地介电谱检测方法，其特征在于，S6中的所述模型函数为非对称的圆弧形方程，
引入曲线形状参数，即弛豫时间分布参数β，复介电常数解析式变为
当β＝1时即为Debye方程；其实部ε(ω)＝εh+Δεcos(βθ)cosβθ
虚部ε″(ω)＝Δεsin(βθ)cosβθ，其中θ＝arctan(ωτ)。
8.根据权利要求1所述的大地介电谱检测方法，其特征在于，S6中的所述模型函数为具有两个弛豫时间分布参数的非对称圆弧形方程，
引入两个曲线形状参数α,β，即弛豫时间分布参数，复介电常数解析式变为
当α＝0,β＝1时为Debye方程；
实部ε(ω)＝εh+r-β/2Δεcos(βθ)，虚部ε″(ω)＝r-β/2Δεsin(βθ)，其中r＝[1+(ωτ)1-αsin(απ/2)]2+[(ωτ)1-αcos(απ/2)]2，
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110687295A (zh) * | 2019-09-01 | 2020-01-14 | 天津大学 | 一种葡萄糖溶液介电特性的测量方法 |
| CN114966226A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-08-30 | 清华大学 | 一种材料介电谱快速分析的方法 |
| CN114966226B (zh) * | 2022-05-25 | 2024-07-02 | 清华大学 | 一种材料介电谱快速分析的方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000088911A (ja) * | 1998-09-14 | 2000-03-31 | Showa Electric Wire & Cable Co Ltd | 絶縁体の水トリー劣化診断方法 |
| JP2008224387A (ja) * | 2007-03-12 | 2008-09-25 | Nagoya Institute Of Technology | アルコール飲料の品質評価方法 |
| CN101432742A (zh) * | 2005-12-29 | 2009-05-13 | 贝克休斯公司 | 两轴垫状物地层电阻率成像仪 |
| CN101466307A (zh) * | 2006-06-12 | 2009-06-24 | 三菱电机株式会社 | 测量成分浓度的系统及方法 |
| CN105137349A (zh) * | 2015-07-22 | 2015-12-09 | 广东电网有限责任公司电力科学研究院 | 基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法 |
-
2018
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000088911A (ja) * | 1998-09-14 | 2000-03-31 | Showa Electric Wire & Cable Co Ltd | 絶縁体の水トリー劣化診断方法 |
| CN101432742A (zh) * | 2005-12-29 | 2009-05-13 | 贝克休斯公司 | 两轴垫状物地层电阻率成像仪 |
| CN101466307A (zh) * | 2006-06-12 | 2009-06-24 | 三菱电机株式会社 | 测量成分浓度的系统及方法 |
| JP2008224387A (ja) * | 2007-03-12 | 2008-09-25 | Nagoya Institute Of Technology | アルコール飲料の品質評価方法 |
| CN105137349A (zh) * | 2015-07-22 | 2015-12-09 | 广东电网有限责任公司电力科学研究院 | 基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| CONSTANTINO GROSSE: "A program for the fitting of Debye, Cole–Cole, Cole–Davidson,and Havriliak–Negami dispersions to dielectric data", 《JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》 * |
| 任磊 等: "基于小波变换的时域介电谱分析及其应用", 《物理学报》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110687295A (zh) * | 2019-09-01 | 2020-01-14 | 天津大学 | 一种葡萄糖溶液介电特性的测量方法 |
| CN114966226A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-08-30 | 清华大学 | 一种材料介电谱快速分析的方法 |
| CN114966226B (zh) * | 2022-05-25 | 2024-07-02 | 清华大学 | 一种材料介电谱快速分析的方法 |
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