電法勘探中的傳感器電法勘探分成傳導(dǎo)類電法勘探和感應(yīng)類電法勘探兩類。對于傳導(dǎo)類電法勘探只需進行電場測量就可以了，對于感應(yīng)類電法勘探則要進行電場和磁場兩種測量，下面介紹兩種測量的傳感器：4.1電場接收器電場接收器,簡稱測量電極。相對其它地學(xué)傳感器而言，測量電極的構(gòu)造很簡單。人們經(jīng)常使用的測量電極主要有三類:金屬電極式電場接收器；石墨電極式電場接收器；金屬-金屬鹽溶液式電場接收器。在電法勘探中，電場接收器的接收質(zhì)量主要由三個特性來衡量：電場接收器的噪聲頻譜范圍、溫度系數(shù)和極化程度的長時間穩(wěn)定性。一、電場接收器的噪聲電場接收器的用途是給出其布極地點介質(zhì)電位差。這樣，它就必須將這點的大地中所含離子導(dǎo)體的電位傳送給電子導(dǎo)體，即金屬測量線。然后，被送去測量系統(tǒng)進行各種信號處理。在應(yīng)用電場接收器對大地電場進行測量時，金屬和電解質(zhì)之間的接觸面上會產(chǎn)生一種附加電位。如果這種附加電位保持常數(shù)，它們就不會對兩個電極之間的電位差變化（即大地電位差變化）產(chǎn)生干擾。如果它們是一個不穩(wěn)定的常數(shù)值，則這種附加電位（又稱接觸電位）的變化可能與信號混淆，從而形成對測量信號的干擾，這就是電場接收器的噪聲。一般說來，噪聲的大小可以用噪聲密度來衡量，噪聲密度可以用VHz的形式來表示。但是，這種方式不能直接給出噪聲對測量的影響。為了對兩個器件的噪聲進行比較，比較合理的方法是利用一個帶寬常數(shù)厶F/F。如果選擇厶F=F,F1：F=F：F?和F2-F1=F，便由此可得F1=0.62F和F2=1.62F。在我們的討論中，噪聲值都以峰-峰電壓值表示，而帶寬都是取值為F。二、電場接收器噪聲的測試由儀器測量到的噪聲為裝置的總體噪聲。為此，必須盡量排除記錄裝置中每個噪聲源的影響，其它的噪聲源有：1、 放大器的噪聲因為一個好的電極的噪聲是很低的，一般約幾MV左右，所以，應(yīng)該利用優(yōu)良的低噪聲放大器，它應(yīng)有差分的輸入形式，以及高的輸入電阻，放大器的第一級要采用低噪聲器件2、 高頻噪聲的濾除：在信號輸入之前，就需要將測頻帶以外的各種頻率濾除干凈，如廣播電視和大氣層中的高頻噪聲。3、 測量線干擾的濾除如果測量線是松散地放在大地上，空氣對流產(chǎn)生的風(fēng)就會使它們發(fā)生運動，測量線切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種感應(yīng)電動勢一般約為10微伏左右。除此之外，還可在實驗室進行電極的噪聲測試，方法是：兩個電極都放在一個盛滿泥土的箱子中，其間距為10――20厘米，這樣測量出的噪聲為其它的噪聲源。電極噪聲隨時間增長而減小，但規(guī)律隨電極不同而不同。在地球物理測量中，人們應(yīng)用了許多類型的電場接收器（電極），經(jīng)常使用的有三類：A：金屬電極，B、石墨電極；C、不極化電極。在電極布好之后，其噪聲隨時間增長而減小。而對所有電極來說，其噪聲都是隨頻率上升而減小。在高于10Hz時，和電極噪聲相比，放大器的噪聲則占更重要的地位。見下圖。1．金屬電極式電場接收器：鐵測量電極（鐵棒）、銅測量電極（銅棒）是這類測量電極度中的典型代表。這類測量電極的主要特點是簡單、牢固、使用和攜帶都方便。但是，它接收電場的質(zhì)量較差，不適用于進行高精度的電場測量。它們的噪聲太大，在0.01Hz時，電極度布放0.5?1小時之后的噪聲約為10pV,在24小時以后,仍達到4pV,這些電極需要很長時間才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。如果將這些電極用水或硫酸銅溶液潤濕后再布放，可使接觸電阻大大降低，但卻使噪聲增加。對于高于10Hz的信號頻率來說，放大器的噪聲已占主要地位，因此，在應(yīng)用于高于10Hz的測量頻段時，這種電極和其它電極相比，在噪聲方面無多大差別。但是，它簡單方便，因此，在高頻測量時可以應(yīng)用這種電極。2．石墨電極式電場接收器這類電場接收器適用于海洋中進行大地電場的測量，它是一種非金屬電子導(dǎo)體。它的噪聲也很大，即使在穩(wěn)定24小時以后，噪聲仍很大，在0.01Hz時達13pV.3.金屬-金屬鹽溶液式電場接收器這類電場接收器應(yīng)用比較廣泛,俗稱不極化電極。不極化電極可分為下列幾種：銅-硫酸銅（Cu-CuSO?電極:

這種電極是首先應(yīng)用于電法勘探中的一種電極其硫酸銅溶液是裝在素?zé)晒拗?，以此和大地接觸。這種電極的噪聲不大，在0.01Hz時為3pV,獲得較小噪聲的穩(wěn)定時間大約為1小時.鎘-氯化鎘(Cd-CdJ)電極：鎘棒和鎘鹽溶液(氯化物或硫化物),和銅-硫酸銅電極結(jié)構(gòu)相同,是裝在素?zé)晒拗?其底部是多孔的無釉瓷,以保證和大地接觸。對于上述兩種不極化電極來說,在有些情況下,可觀察到一些異常情況,會發(fā)現(xiàn)一些大噪聲變化,這些現(xiàn)象一般與電解液有關(guān).其原因是由于金屬電極上有氣泡放出,當罐未完全充滿液體時,會出現(xiàn)三重接觸:電解質(zhì)-空氣-金屬;或是因在素?zé)?多孔)瓷中的流體突然發(fā)生變化(當過濾電位因某種情況而改變時)引起的.銀-氯化銀(Ag-AgCl)電極：這種電極經(jīng)常用作參考電極，其電極噪聲很低，在0.01Hz時，僅為1.5pV,且穩(wěn)定時間很短。這種電極的制作是：在銀棒上鍍上一層氯化銀，然后，將其放在飽和的氯化鈉凍粉膠(或粘泥)中，這樣保證其成為導(dǎo)電介質(zhì)，因為氯化銀是一種難溶于水的鹽。最后，將凍膠粉(或粘泥土)裝入一個布袋或一側(cè)開口的木箱中，這樣既保證了電極箱的牢固而又不妨礙和大地的接觸。這種電極裝置，從中心到邊緣其鹽濃度是逐漸降低的。氯化鈉可用氯化鉀來代替，以便降低其滲透電位。鉛-氯化鉛(Pb-PbCl?)電極：鉛-氯化鉛(Pb-PbCl2)電極在低頻時噪聲很低，甚至比銀■氯化銀(Ag-AgCl)電極還低，在0.01Hz時,為1.2pV,且穩(wěn)定時間也很短，約為0.5?1小時。這種電極的制作方法是將鉛絲放在裝有灰泥的容器中。灰泥是由飽和的PbCl2(15g/kg)和NaCl(360g/kg)混合而成的。就低于10Hz的電場接收器的噪聲和穩(wěn)定時間來說，上述的實測結(jié)果顯示了不極化電極的優(yōu)點。事實上，對于這些電極來說，金屬和土壤間的接觸可分為兩個獨立的步驟。第一步接觸是金屬材料和電解質(zhì)間的接觸，這種接觸將產(chǎn)生很大的接觸電位(約為0.1?IV)。但是，這種電極的金屬材料是位于電極裝置的中心，其溶液濃度是固定的，且受到某種保護作用的影響，所以，這種接觸電位是很穩(wěn)定的。第二步接觸是土壤電解質(zhì)和金屬電解質(zhì)間的接觸，這種接觸電位不起關(guān)鍵作用因其接觸電位值要小得多，僅有幾個毫伏左右。但這種電位卻是一種不穩(wěn)定因素，就電極噪聲來說，它卻起著重要的作用。一般說來這種電位是由擴散電位引起的。二、電場接收器的溫度系數(shù)不極化電極式電場接收器的電極電位可由Nernst公式給出：E=E+(RT/nF)Ln{M+n}0式中：Eo為標準電位(25oC,{M+n}=i)，其值勤可由化學(xué)表中查出；R為理想氣體常數(shù)。T為絕對溫度。F為法位第常數(shù)；口為金屬化合價。RT/F=0.0257{M+n}表示金屬離子活動性，為簡單起見，在下述討論中,我們以其濃度代替。這種金屬棒電極電位自身可和溶液中的離子濃度相抵消。我們稱這個濃度為平平穩(wěn)衡濃度，記為{M+n}，這樣，便有：度，eq/nF)Ln{M+n}eq/nF)Ln{M+n/nF)Ln{M+n}eq/nF)Ln{M+n}eqo由此，E=—(RT從而電極電位便成為:E=(RT/nF)Ln{{M+n}/{M+n}}(].4.eq這里，平衡濃度可寫成下面表達式：{M+n} =e-nFE0/RTeq為了求得溫度系數(shù)，必須在(1．4．4)式中對溫度進行微分是溫度的函數(shù)，所以，可得到：dE/dT=E/T+(RT/nF)[({M+n}'/{M+n})-({M+n}／/{M+n})](1.4.5)eqeq這里，{M+n}'=(d/dT){M+n}如果電極的鹽是一種難溶鹽，鹽的分子式記為(MX),則離子濃度M+n可由下式來定n義：{M+n}=K/{X-}nS這里Ks是溶解度常數(shù)，而{X-}是這種金屬鹽或具有共同離子鹽溶液離子X-的總濃度。結(jié)果，溫度系數(shù)則變?yōu)椋篸E/dT=E/T+(RT/nF)[K'/K-(n{X-}'/{X-})-({M+n}//{M+n})]SS eq eq由溫度系數(shù)表示式中可知，溫度系數(shù)和鹽的溶解度及離子活動性隨溫度的變化而變化(如果溶液是飽和的)。其中，含{M+n}'的項很重要，該項是由金屬的性質(zhì)決定的，E/T項也是重要的，因為可以通過改變金屬離子的濃度來改變，用此方法，可使電極溫度系數(shù)為零。一、電場接收器的極化電位差測量大地電場變化時，在大地中流動的部分電流，在這種電流的作用下，離子平衡被破壞，因而引起電極電位的變化，這種現(xiàn)象稱為電極極化。電極的極化電位差會給測量帶來嚴重的干擾。對于金屬電極和石墨電極來說，電極極化是相當不穩(wěn)的，變化幅度約為10?20mV，而不極化電極(例如銅、鎘、銀、汞和鉛組成的不極化電極)的極化電位為十分之一到幾mV之間。四、電極應(yīng)用的選擇綜上所述，對于高于10Hz的電場信號測量來說，儀器的放大倍數(shù)噪聲仍占主要地位，在這樣的頻段，就可以簡單地利用金屬棒插入地中作為測量電極。對于低于10Hz的頻率而言(直到幾分鐘為周期的信號)，可以利用Ag-AgCl、Pb-PbCl2、、Cu-CuS04電極。1.5.2磁場接收器磁場接收器主要有三類:磁感應(yīng)式、磁飽和式和超導(dǎo)式。目前，在電法勘探中最廣泛應(yīng)用的是磁感應(yīng)式磁場接收器，下面僅對磁感應(yīng)式磁場接收器進行討論，其它二類磁場接收器可以參考有關(guān)資料。一、 磁感應(yīng)式磁場接收器的組成：圖1.4.1示出了一種磁感應(yīng)式磁場接收器的基本組成，圖中，除線路成分之外，還示出了其噪聲源的分布情況。磁感應(yīng)式磁場接收器通常都由線圈和放大器兩部分組成。線圈中包括繞組和磁心兩部分。磁心通常是由高導(dǎo)磁率的玻莫合金做成。線圈部分的電參數(shù)有三種：自感(L)、電阻(R)和分布電容(C0)。所以，基本上是一個振蕩電路的形式。除了基本的線圈和放大器以外，為了排除廣播效應(yīng)的干擾，還需要加靜電屏蔽。二、 磁感應(yīng)式磁場接收器的信號和噪聲1．信號和噪聲源信號是以感應(yīng)電動勢的形式在線圈中出現(xiàn)。其電動勢是由所檢測的磁場的變化引起的。對于噪聲來說，其來源是多方面的，可分述如下：、線圈的熱噪聲：由繞組的電阻(rl)引起。、磁心損耗噪聲：此種噪聲由磁心的損耗(如磁心渦流等)引起。我們可以用一個等效電阻(R)來等效，并把它歸到線圈電路中去。N、屏蔽噪聲：屏蔽材料中的渦流也會引起噪聲，同樣，我們也可以用一個等效電阻(RB)來等效，歸到線圈電路中去。、繞組中的附加損耗噪聲和絕緣物中的或然損耗噪聲：由于在某一給定的時刻，線圈繞組中并不是處處都有相同的數(shù)值，會使繞組存在有額外損耗噪聲，同時絕緣物中也存在或然額外損耗噪聲，我們以等效電阻(RC)來代之。、放大器噪聲：它可能由兩種獨立的噪聲源引起，一種是電壓噪聲源e,另一種是b電流噪聲源I。b2．所測信號，感應(yīng)電動勢的計算：和在輸入端的信號源阻抗相比，放大器的輸入阻抗可以認為是很大的，但輸入端AB間還存在有分布電容，我們將此種分布電容歸并到co中去。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢(e)的表達式可寫成：e=-npSPh (1.4.2)式中：n—線圈繞組圈數(shù)；|J—磁心的導(dǎo)磁率；S—線圈繞截面積；P—運算子符號；h—外磁場強度。設(shè)G(P)為線圈振蕩電路的傳輸函數(shù)，則AB間的電位差V=e*G(P)=e*(1/(1+RcP+LcP2))AB 0 0而AB間的阻抗可表示為：Z=(R+LP)/(1+RcP+LcP2)003．噪聲值的理論估算：根據(jù)熱力學(xué)定律，電阻R的熱噪聲瞬時值電壓(e)可以寫成：Re二丁4KTRAFR式中：K—波爾茲曼常數(shù)，為1.38X10-23j/rad(絕對溫度)；T—絕對溫度；△F—噪聲等效頻帶。在輸入電路中，有源成分(L和C°)不產(chǎn)生噪聲，但是它形成的振蕩電路卻能把噪聲變成和信號相似的形式。它在放大器輸入端便形成一個電位差(V,瞬時值)RV=eRG(P)=eR*(1/(1+RCP+LCP2))RR R 0 0從而，在放大器的輸入端，它和放大器的噪聲進行能量相加，形成磁場接收器的總噪聲。放大器的電流噪聲源在AB端之間形成一個噪聲電位差iZ。因此，連同電壓源噪聲，其b