一種海洋電容性電極的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種海洋電容性電極，應(yīng)用于地球物理勘探領(lǐng)域中海洋電場的測量，主要包括電容性電極和保護(hù)結(jié)構(gòu)。電容性電極使用金屬材料制成，其表面具有絕緣層，絕緣層具有良好的絕緣性能和抗腐蝕性。本發(fā)明的海洋電容性電極通過絕緣層隔開了電容性電極與外界環(huán)境媒質(zhì)的直接接觸，電極與外界電解質(zhì)形成電容，以電容耦合的方式測量外界電場。由于絕緣層的存在，避免了電極與海水中的離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而避免化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的電化學(xué)噪聲，電極可以達(dá)到更低的噪聲水平；同時縮短了電極建立平衡過程中的穩(wěn)定時間，并避免電極在使用中的不斷消耗。
【專利說明】-種海洋電容性電極

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及地球物理勘探中地電場的測量裝置，特別設(shè)及一種海洋電容性電極， 用于海洋電法勘探中的電場數(shù)據(jù)采集。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在海洋電法勘探中為了減小金屬電極極化的影響，普遍使用不極化電極進(jìn) 行電場信號的數(shù)據(jù)采集。如圖1所示，不極化電極通常由電極巧1、電解質(zhì)3、電極保護(hù)殼2、 底部裝置4和5、頂部裝置6及輸出線7組成，電極巧通常由某種金屬制成，如鉛、銀等，電 解質(zhì)由該金屬的金屬鹽與填充物質(zhì)按一定比例混合制成，電解質(zhì)的物理形態(tài)可W為固體或 液體，電極形狀可W為圓柱狀或其他形狀。在使用時不極化電極需浸沒在海水中，海水中的 離子與電極中的電解質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)。但是該種不極化電極在實際使用中存在一些問 題；（1)不極化電極通過離子的氧化還原反應(yīng)獲得所處位置的電場電勢，不可避免地帶來 電化學(xué)噪聲，致使電極自噪聲水平不能進(jìn)一步降低；(2)不極化電極在工作時需要一定時 間達(dá)到電化學(xué)平衡，無法進(jìn)行快速測量；（3)不極化電極的電化學(xué)反應(yīng)將導(dǎo)致電極自身不 斷被消耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明的主要目的之一在于提供一種不利用電極中電解質(zhì)與 海水中離子的氧化還原反應(yīng)便能直接進(jìn)行海洋電場信號測量的電極，電極具有化學(xué)惰性， 不與環(huán)境媒質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，避免不極化電極所存在的W上所述的幾個問題。
[0004] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種海洋電容性電極，用于通過電容禪合的方 式測量海洋電場信號；其中所述海洋電容性電極包括電極巧和絕緣層，所述絕緣層將所述 電極巧完全與海水隔絕，且與海水不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；W及
[0005] 所述電極巧由石墨、碳纖維、惰性金屬材料制成，所述絕緣層由巨介電常數(shù)材料或 化學(xué)惰性的高電阻率材料制成。
[0006] 其中，所述電極巧由粗、魄、鐵制成。
[0007] 其中，所述電極巧具有海綿狀多孔結(jié)構(gòu)，海水可W通過微孔滲透到所述電極巧內(nèi) 部。
[000引其中，所述電極巧的多孔結(jié)構(gòu)通過將壓接成型的金屬粉末高溫?zé)Y(jié)而形成。
[0009] 其中，所述電極巧與海水之間形成電容，電容值不低于lOmF。
[0010] 其中，所述絕緣層由BaTi〇3、化化3了1典12或所述電極巧所用的金屬的氧化物制成。
[0011] 所述海洋電容性電極還包括電極輸出引線，用于將測得的海洋電場信號輸出，所 述電極輸出引線使用與所述電極巧同種材料制成；W及
[0012] 所述海洋電容性電極還包括保護(hù)外殼，用于保護(hù)所述海洋電容性電極，所述外殼 由高分子聚合物材料制成。
[0013] 其中，所述保護(hù)外殼具有通孔，海水可W通過通孔流入所述電極內(nèi)部。
[0014] 所述海洋電容性電極還包括密封塞，封堵在所述保護(hù)外殼用于塞入所述海洋電容 性電極的開口處，用于對所述海洋電容性電極起到固定與保護(hù)的作用；W及所述密封塞包 括內(nèi)塞和外塞，所述內(nèi)塞和外塞之間保留一定的空間作為密封腔。
[0015] 其中，所述密封腔內(nèi)填充有環(huán)氧樹脂膠體。通過上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的電 容性電極不與海水中的離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可W避免電化學(xué)噪聲的產(chǎn)生，電極自噪聲要低 于不極化電極；電容性電極無需等待化學(xué)平衡的建立，可實現(xiàn)對電場信號的快速有效測量； 電容性電極壽命長，可長時間連續(xù)穩(wěn)定工作，電極在工作中不會被逐漸消耗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的不極化電極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明的海洋電容性電極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[001引圖3為本發(fā)明的海洋電容性電極的等效電路圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明的海洋電容性電極局部放大的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0020] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部 分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員 所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等 于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實施例中提到的 方向用語，例如"上V嚇"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的 方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0021] 本發(fā)明的原理為：本發(fā)明的海洋電容性電極采用惰性材料制成，電極表面有絕緣 層隔開電極與海水，絕緣層具有良好的電絕緣性能和抗腐蝕性，從而避免電極與海水中的 離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。電極、絕緣層、海水=者可等效為電容元件，海水的電場電勢通過該電 容被禪合至電極，進(jìn)一步被后續(xù)的低噪聲前置放大器放大，隨后數(shù)據(jù)被采集站采集、記錄。
[0022] 更具體地，本發(fā)明海洋電容性電極采用惰性材料制成電極，電極表面有絕緣層隔 開電極與海水，絕緣層具有良好的絕緣性能和抗腐蝕性，可W避免電極與海水中的離子發(fā) 生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而避免化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的電化學(xué)噪聲，縮短電極建立平衡過程中的穩(wěn) 定時間，并避免電極在使用中被不斷消耗。
[0023] 參考圖2,作為一個優(yōu)選實施例，海洋電容性電極由電極9、電極輸出線14、殼體、 密封腔等組成，電極輸出線14由電極9引出，之后穿過內(nèi)塞11、密封腔12和外塞13后輸 出。電極9置于殼體10內(nèi)部，并由密封塞8固定，殼體10與密封塞8對電極9起到固定與 保護(hù)的作用。特別地，殼體10上有若干通孔，可W保證外界電解質(zhì)溶液自由進(jìn)出殼體。內(nèi) 塞11和外塞13之間保留一定的空間作為密封腔，密封腔內(nèi)填充環(huán)氧樹脂或其他膠體。殼 體的末端有螺旋紋15,用于將殼體固定在集成的傳感器中。
[0024] 電極9用于測量海洋電場信號，并將海洋電場信號通過電極輸出線14輸出，輸出 可W根據(jù)實際需求選擇直接連接數(shù)據(jù)采集站或經(jīng)過前置放大器后再連接數(shù)據(jù)采集站進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集。電極輸出線14表面有絕緣層W防止其內(nèi)的金屬導(dǎo)線被海水腐蝕，電極輸出線14 也可w使用帶有金屬網(wǎng)的導(dǎo)線，w屏蔽可能的外界信號干擾。
[0025] 電極9由電極巧和電絕緣性膜層（絕緣層）構(gòu)成，其中電極巧由化學(xué)惰性材料制 成，如石墨、碳纖維、惰性金屬等化學(xué)性質(zhì)惰性但導(dǎo)電性能良好的材料，惰性材料保證電極9 與海水不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。惰性金屬例如為粗、魄、鐵等。電極巧表面有絕緣層，絕緣層可 W由巨介電常數(shù)材料如BaTi〇3XaCu3Ti4〇。等制成，也可W由其他化學(xué)惰性的高電阻率材料 制成。絕緣層進(jìn)一步隔絕海水與電極巧之間可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，并使海水、電極9之間形 成電容。
[0026] 電極9與前置放大器的等效電路如圖3所示，記海洋電場電勢為Vs，電極9與海水 形成的界面電容為Ce，界面電阻為Re,電極輸出線所接前置放大器（或采集站）的輸入電 阻為Ra、輸入電容為化，那么禪合到前置放大器的輸入端電壓Vin為： 、r. Ra + jcoRaReC ：e 、，
[0027] V//7 =----Ns (1) Ra + Rc + JroRaRcC 'c + jcoRaRcC 'a
[002引對于上式，可分情況討論在不同情況下輸入端電壓與海洋電場電勢的關(guān)系。
[0029] 當(dāng)Ra > > Re時，式（1)簡化為： 、，. 1+/份知(乂.心
[0030] V W = -~~-^? V.S. (2) \ + jcoReC C + .1 妨RcCcj
[0031] 給定條件Ce >> Ca，式（2)進(jìn)一步簡化為Vin = Vs。若稱海洋電場電勢Vs禪合 到前置放大器輸入端電壓Vin的系數(shù)為效率，那么此時效率與頻率無關(guān)。
[003引當(dāng)Ra << Re時，式（1)簡化為： -化/(；1 + 抑/沁（、，
[003引 Vw =-----V.v (3) Re(\+ jcoRuCe + jojIkiCu)
[0034] 給定條件Ce > >化、j ? RaCe > > 1，式（3)進(jìn)一步簡化為Vin = Vs，即在滿足一 定條件下，效率仍然為1。
[003引 當(dāng)Ra與Re相近似時，不妨設(shè)Re = nRa(0. 1《n《10)，那么式（1)簡化為： Ra{\ + /o)Rc('e) 、，
[0036] Vw 二---------V.v (4) Ra{n +1 + jCoRei V + jcoRcX 'a)
[0037] 給定條件 Ce > > Ca、j ? ReCe > > n+1 (0. 1《n《10)，式（4)仍可 W簡化為 Vin =Vs。
[003引綜上S種不同情況可知，應(yīng)滿足條件Ce >> Ca、j?ReCe >> UjoRaCe >> 1， W滿足電容性電極匹配不同的前置放大器時均有效率為1。對于普通的放大器而言，輸入電 阻一般滿足Ra > 1M Q，輸入電容滿足化< lOpF ;對于海洋電法勘探，其電極一般要求工作 頻段為ImHz-lOOHz，因而綜合而言，對電容性電極應(yīng)要求；
[0039] Ce >> lOOuF 妨
[0040] ReCe >> lOOF ? Q
[0041] 有多種手段可W實現(xiàn)如此大的界面電容，并滿足式巧）中對界面電阻的條件要 求。電極9表面絕緣層采用巨介電常數(shù)材料如BaTi〇3、化〇13化〇12等，W電極9為基材，通 過業(yè)界常用的工藝將巨介電常數(shù)材料在電極9表面生成一層致密的絕緣薄層。由于絕緣層 具有極高的介電常數(shù)和非常良好的致密性，電極9和海水之間可W形成滿足要求的界面電 容值和界面電阻值。
[0042] 還可W通過增大電極9與海水的接觸面積來達(dá)到增大界面電容的目的。采用化學(xué) 惰性的金屬材料如粗、鐵、魄等，將金屬粉末壓制成塊狀體，在真空中加W-定溫度進(jìn)行燒 結(jié)，燒結(jié)一定時間后，送入特定電解質(zhì)溶液中加W-定電壓進(jìn)行陽極氧化，使電極表面生成 一層該金屬的氧化膜層。采用此工藝制成的電極9具有海綿狀多孔結(jié)構(gòu)，如圖4所示，多孔 狀的金屬基材16表面生成一層氧化薄層17,當(dāng)電容性電極置于海水溶液中時，海水通過孔 隙18滲透到電極內(nèi)部，由于電極內(nèi)部大量的孔隙存在，海水與絕緣層、絕緣層與電極基材 之間形成的接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其表面積，進(jìn)而實現(xiàn)滿足要求的界面電容的目的。
[0043] 本發(fā)明的海洋電容性電極不同于傳統(tǒng)的海洋不極化電極，電容性電極通過電極表 面化學(xué)惰性的絕緣層隔絕了電極與海水的接觸，電極與海水幾乎不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而避 免了不極化電極所存在的電化學(xué)噪聲大、化學(xué)平衡穩(wěn)定時間長等問題。
[0044] 需要說明的是，本發(fā)明海洋電容性電極不僅僅限于在海洋環(huán)境中使用，在其他電 解質(zhì)溶液環(huán)境如淡水環(huán)境、受污染水質(zhì)環(huán)境、酸性溶液環(huán)境、堿性溶液環(huán)境中均可W使用。 當(dāng)本發(fā)明海洋電容性電極匹配特殊的高阻抗放大電路時，該電極還可W在絕緣介質(zhì)環(huán)境下 如空氣中進(jìn)行電場的測量。
[0045] W上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，應(yīng)理解的是，W上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種海洋電容性電極，用于通過電容耦合的方式測量海洋電場信號；其中所述海洋 電容性電極包括電極芯和絕緣層，所述絕緣層將所述電極芯完全與海水隔絕，且與海水不 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；以及 所述電極芯由石墨、碳纖維、惰性金屬材料制成，所述絕緣層由巨介電常數(shù)材料或化學(xué) 惰性的高電阻率材料制成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋電容性電極，其中所述電極芯由鉭、鈮、鈦制成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性電極，其中所述電極芯具有海綿狀多孔結(jié)構(gòu)，海水可 以通過微孔滲透到所述電極芯內(nèi)部。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電容性電極，其中所述電極芯的多孔結(jié)構(gòu)通過將壓接成型的 金屬粉末高溫?zé)Y(jié)而形成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性電極，其中所述電極芯與海水之間形成電容，電容值 不低于10mF。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性電極，其中所述絕緣層由BaTiO 3、CaCu3Ti4012或所述 電極芯所用的金屬的氧化物制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋電容性電極，還包括電極輸出引線，用于將測得的海洋 電場信號輸出，所述電極輸出引線使用與所述電極芯同種材料制成；以及 所述海洋電容性電極還包括保護(hù)外殼，用于保護(hù)所述海洋電容性電極，所述外殼由高 分子聚合物材料制成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的海洋電容性電極，其中所述保護(hù)外殼具有通孔，海水可以通 過通孔流入所述電極內(nèi)部。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的海洋電容性電極，還包括密封塞，封堵在所述保護(hù)外殼用于 塞入所述海洋電容性電極的開口處，用于對所述海洋電容性電極起到固定與保護(hù)的作用； 以及所述密封塞包括內(nèi)塞和外塞，所述內(nèi)塞和外塞之間保留一定的空間作為密封腔。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的海洋電容性電場傳感器，其中所述密封腔內(nèi)填充有環(huán)氧樹 脂膠體。
【文檔編號】G01V3/08GK104502981SQ201410840916
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】王順, 王志宇, 方廣有 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所