CN111257966A - 一种地电观测仪器抗干扰装置和地震地电前兆观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种地电观测仪器抗干扰装置和地震地电前兆观测系统，其中地电观测仪器抗干扰装置包括电路板，该电路板密封在一屏蔽盒中，电路板上的信号输入端、信号输出端和供电电源端的导线均伸出屏蔽盒外；屏蔽盒位于含有绝缘油的恒温槽中。本发明这种内外两层恒温结构，外层的电容器油可以使内层紫铜盒整体保持恒定高温，从而保证电路板上的电子元件维持恒定温度，减小热梯度。内层使用陶瓷粉末，避免了液体流动产生附加离散电流进而增大输入偏置电流。

Description

一种地电观测仪器抗干扰装置和地震地电前兆观测系统

技术领域

本发明涉及地震前兆观测技术领域，具体涉及一种地电观测仪器抗干扰装置和地震地电前兆观测系统。

背景技术

地震地电前兆观测仪器，主要包括地电阻仪、地电场仪和地震电磁扰动仪。在地电台站，观测系统由这些观测仪器和观测装置组成。

如图1所示，观测仪器“+”和“-”信号输入端外部，称为观测装置，观测装置主要由布设在地表浅层土壤中两个或多个电极以及连接到观测仪器的电气线路组成，相当于观测系统的传感器。

观测仪器测量“+”和“-”信号输入端的电位差，被测信号幅度在几μV~几百mV之间，不同仪器观测频率范围有所不同，但都在（DC~20Hz）频带内。

观测装置的内阻随着野外环境的改变，在几十kΩ~几MΩ之间变化。此外，观测装置的电极存在极化现象，极化电压幅值在1mV~100mV之间，即使不极化电极也存在≤1mV的极化电压，极化电压值随埋设坑周边的环境变化而改变。

前兆观测的目的是测量电极之间的电位差，从中分析地震前兆信息。观测装置内阻上的附加电压和电极极化电压，成为测量的干扰因素。由于干扰电压幅值大且不恒定，用数据处理方法难以将其消除。

任何观测仪器的“+”和“-”输入端之间都存在输入偏置电流，其电流I参考方向如上图所示，对前兆观测数据质量产生两方面的影响：

一、产生附加的输入偏置电压，叠加在“+”和“-”输入端之间的电压V上，输入偏置电压的大小符合欧姆定律，与观测装置的内阻有关，而观测装置的内阻与环境条件有关，在观测过程中难以量化且不稳定。在实际观测中，输入偏置电压常常随着温度湿度等气象条件缓慢变化形成干扰，一些偶发因素也会引起瞬态干扰，在测量曲线上形成尖峰状的干扰，俗称“毛刺”，在数据分析中，这些干扰和地震前兆信号混杂在一起，成为影响地电前兆数据质量的突出问题。

二、输入偏置电流流经电极和周围的土壤，由电化学反应产生极化电压，如果两个电极电学性能和埋设地点周边环境完全一样，产生的极化电压大小相等方向相反，可以在电压V中抵消，但在实际观测中不可能完全抵消，也无法获知其幅值的大小。

如果大幅减小输入偏置电流，就能减小输入偏置电压的幅值，使附加的输入偏置电压不影响前兆观测。较小且稳定在某个恒定值的输入偏置电流，可以使极化电压稳定，即使不能完全抵消，也可以根据不同的地电观测仪器的频带，截取相应的时段进行数据处理，消除对前兆信号的干扰。目前，地电观测仪器都尽量减小输入偏置电流，输入偏置电流最小的是地电阻率仪，其在工作温度范围0~40 ℃的条件下输入偏置电流小于5nA。如何更进一步减小输入偏置电流是本发明要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术中的不足之处，本发明提供一种地电观测仪器抗干扰装置和地震地电前兆观测系统，输入偏置电流减小到极低的水平，达到输入偏置电流≤(±0.5pA)的技术指标，解决了观测装置内阻产生附加输入偏置电压和电极极化电压的干扰问题，从而可以提高地电观测仪器的数据质量。

本发明第一方面，提供一种地电观测仪器抗干扰装置，具体技术方案如下：

一种地电观测仪器抗干扰装置，包括电路板，所述电路板密封在一屏蔽盒中，电路板上的信号输入端、信号输出端和供电电源端的导线均伸出所述屏蔽盒外；所述屏蔽盒位于含有绝缘油的恒温槽中。

作为优选实施例，所述屏蔽盒由盒盖和盒体组成，所述盒盖通过铅锡焊密封在所述盒体上。

优选的，所述屏蔽盒由紫铜制成，盒内填充有陶瓷粉末，严密填充在所述电路板以外的空间，采用粉末填充避免了液体流动产生附加离散电流进而增大输入偏置电流。

优选的，所述导线与所述屏蔽盒间的缝隙采用硅胶密封，保证屏蔽盒内完全密封。

优选的，所述陶瓷粉末为氮化硼微米粉末。

优选的，所述绝缘油为电容器油或变压器油。

优选的，所述电容器油或变压器油的工作油温为60±1℃，使电路板上的器件维持在60℃的工作环境，使地电观测仪器可以在宽温度范围工作。

优选的，所述电路板包括一射极跟随器形式的放大器和一电源变换模块，所述放大器的输出端接一RC滤波器，所述RC滤波器另一端为所述信号输出端；所述电源变换模块一端接供电电源，一端接地，其变换得到的电压提供给所述放大器；其电源端和给放大器供电端之间电隔离，没有电气连接。

本发明的地电观测仪器抗干扰装置，将电路板置于恒温且密闭的环境中，外层用普通自动控温恒温槽，加入电容器油；内层用屏蔽盒，盒内充填陶瓷粉末。这种内外两层恒温结构，外层的电容器油可以使内层紫铜盒整体保持恒定高温，从而保证电路板上的电子元件维持恒定温度，减小热梯度。内层使用陶瓷粉末，避免了液体流动产生附加离散电流进而增大输入偏置电流。

本发明第二方面，提供一种地震地电前兆观测系统，包括观测仪器和至少两个布设在地表土壤中的电极，还包括如上任一实施例所述的抗干扰装置，所述抗干扰装置分别连接所述电极和所述观测仪器，用于将所述电极采集到的信号经过处理，再传送到所述观测仪器。

优选的，当所述电极数量为2个时，其中一个所述电极连接所述抗干扰装置的输入端，所述抗干扰装置的保护端和地端短接后连接另一个电极。

优选的，所述观测仪器为地电阻仪、地电场仪或地震电磁扰动仪。

本发明的地震地电前兆观测系统，工作温度范围扩大到了-15℃~60℃，输入偏置电流比之前减小10000倍，达到了输入偏置电流≤(±0.5pA)的指标，解决了电极内阻产生附加输入偏置电压和电极极化电压的干扰问题，提高了地电观测仪器的数据质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的地电前兆观测系统结构示意图；

图2为本发明实施例地电观测仪器抗干扰装置结构示意图；

图3为图2实施例中电路板的电路连接图；

图4为本发明另一实施例地震地电前兆观测系统的结构示意图；

附图标记说明：

1—电路板、2—电容器油、3—陶瓷粉末、4—输入同轴电缆、5—输出同轴电缆、6—电源线。

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。

本实施例提供的地电观测仪器抗干扰装置，包括电路板，为了使输入电阻足够大，将电路板1密封在一屏蔽盒中，如图2所示。连接电路板1的信号输入端、信号输出端和供电电源端的导线均伸出屏蔽盒外，其中来自信号输入端和信号输出端的导线为同轴电缆，伸出屏蔽盒外的同轴电缆再分别与电极和观测仪器连接。屏蔽盒位于含有电容器油2的恒温槽中。

在一些实施方式中，屏蔽盒由紫铜制成，盒内填充有陶瓷粉末3，严密填充在电路板1以外的空间；电容器油2通过热传递使得位于屏蔽盒内部的电路板上的电子元件维持恒定温度。

作为优选的实施方式，本实施例中陶瓷粉末2为氮化硼微米粉末，粒度（12~25）μm，纯度≥99.0%，避免了液体流动产生附加离散电流进而增大输入偏置电流的缺点。

屏蔽盒由盒盖和盒体组成，作为优选实施方式，盒盖通过铅锡焊密封在盒体上。同轴电缆和屏蔽盒间隙采用硅胶密封。

通常，电容器油2的工作油温选择在60±1℃。这种内外两层恒温结构，外层的电容器油2可以使内层屏蔽盒整体保持恒定高温，从而保证电路板1上的电子元件维持恒定温度，减小热梯度，保持输入偏置电流较小且稳定在某个恒定值。屏蔽盒内使用陶瓷粉末3，避免了液体流动产生附加离散电流进而增大输入偏置电流。为了实现屏蔽盒内外等电位，屏蔽盒通常用铅锡焊接在外层恒温槽的底部，并连接到电路板的地端，实现电屏蔽。

作为优选实施方式，地电观测仪器抗干扰装置的电路包括一射极跟随器形式的放大器和一电源变换模块，如图4所示。放大器的输出端接一RC滤波器， RC滤波器另一端为信号输出端；电源变换模块一端接供电电源，一端接地，其变换得到的电压提供给放大器。

图3中，地电观测仪器抗干扰装置的信号输入端有3个，分别为地端、输入端和保护端，信号输出端有2个，分别为M端和N端，另外还有2个供电电源端，输入为（9~15）V直流电压。

具体的实施方式中，本实施例中的放大器采用ADA4530-1静电计放大器，电路形式为射级跟随器，放大器的输出接一RC滤波器，其中R=500Ω，C=10nF，在（60±1）℃，电路的供电±5V，通过所述电源变换模块获得。此时电路输入偏置电流不大于±250fA，在（60±1）℃的工作条件下其输入偏置电流恒定。此处的电路组成元件和参数是为了本领域技术人员理解本发明技术方案而举的例子，本发明的发明思想不限于以上电子元件和参数，而包括所有使用内外双层屏蔽盒结构，且内层填充固态导热陶瓷粉末、外层填充绝缘油，使静电计放大器工作于恒定高温，实现小且恒定的输入偏置电流的电路结构。

本发明另一实施例提供一种地震地电前兆观测系统，组成如图4所示，包括观测仪器和至少两个布设在地表土壤中的电极，观测仪器为地电阻仪、地电场仪或地震电磁扰动仪。与背景技术中的技术方案相比，该系统增加了上一实施例中的地电观测仪器抗干扰装置。其中地电观测仪器抗干扰装置的输入端连接电极，输出端连接观测仪器，用于将电极采集到的信号经过处理，再传送到观测仪器。地电观测仪器抗干扰装置可使输入偏置电流大大减小。

地电观测仪器抗干扰装置有三个输入信号连接端和两个输出信号连接端，其中输入端连接任何一个电极，保护端和地端短接在一起后再连接另外一个电极；两个输出信号连接端，可以连接单端或者差分输入形式的观测仪器输入端：如图4中“M”端连接观测仪器的“+”极，“N”端连接观测仪器“-”极，输出正极性信号（接地端电极作为参考电极）。如果“M”端连接观测仪器“-”极，“N”端连接观测仪器“+”极，则输出负极性信号（接地端电极作为参考电极）。

当电极数量大于2时，每两个电极连接一个抗干扰装置，因为每个抗干扰装置的电能都是由电气隔离的电源模块变换而来，所以相邻的抗干扰装置之间可以共用一个电极。

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 (10)

1.一种地电观测仪器抗干扰装置，包括电路板，其特征在于，所述电路板密封在一屏蔽盒中，电路板上的信号输入端、信号输出端和供电电源端的导线均伸出所述屏蔽盒外；所述屏蔽盒位于含有绝缘油的恒温槽中。

2.根据权利要求1所述的地电观测仪器抗干扰装置，其特征在于，所述屏蔽盒由盒盖和盒体组成，所述盒盖通过铅锡焊密封在所述盒体上。

3.根据权利要求1所述的地电观测仪器抗干扰装置，其特征在于，所述屏蔽盒由紫铜制成，盒内填充有陶瓷粉末，严密填充在所述电路板以外的空间。

4.根据权利要求1所述的地电观测仪器抗干扰装置，其特征在于，所述导线与所述屏蔽盒间的缝隙采用硅胶密封。

5.根据权利要求3所述的地电观测仪器抗干扰装置，其特征在于，所述陶瓷粉末为氮化硼微米粉末。

6.根据权利要求1所述的地电观测仪器抗干扰装置，其特征在于，所述绝缘油为电容器油或变压器油。

7.根据权利要求6所述的地电观测仪器抗干扰装置，其特征在于，所述电容器油或变压器油的工作油温为60±1℃。

8.根据权利要求1所述的地电观测仪器抗干扰装置，其特征在于，所述电路板包括一射极跟随器形式的放大器和一电源变换模块，所述放大器的输出端接一RC滤波器，所述RC滤波器另一端为所述信号输出端；所述电源变换模块一端接供电电源，一端接地，其变换得到的电压提供给所述放大器。

9.一种地震地电前兆观测系统，包括观测仪器和至少两个布设在地表土壤中的电极，其特征在于，还包括如权利要求1~7任一项所述的抗干扰装置，所述抗干扰装置分别连接所述电极和所述观测仪器，用于将所述电极采集到的信号经过处理，再传送到所述观测仪器。

10.根据权利要求9所述的地震地电前兆观测系统，其特征在于，其中一个所述电极连接所述抗干扰装置的输入端，所述抗干扰装置的保护端和地端短接后连接另一个电极。

Images