一种地电场传感器系统及其电极埋设方法技术方案

本发明专利技术公开了一种地电场传感器系统及其电极埋设方法。现有地电场信号长距离传输损失了微弱信息。本发明专利技术公共电极与南北方位电极接入一个前级信号调理电路的前级无源带通滤波器，同时与东西方位电极接入另一个前级信号调理电路的前级无源带通滤波器；地电场信号传入前级信号调理电路后，在前级信号调理电路中依次经前级无源带通滤波器滤波、前级混合仪表放大器放大、前级有源带通滤波器滤波以及前级单端转差分电路信号调理后，差分信号输出至对应的一个后级信号调理电路中进一步信号调理。本发明专利技术前级电路采用混合仪表放大器，具有高输入阻抗、低噪声、低失调的优点；电极埋设方法保证电极能够与土壤介质的良好接触，增强电极工作的长期稳定性。

A Geoelectric Field Sensor System and Its Electrode Embedding Method

The invention discloses a geoelectric field sensor system and an electrode burying method thereof. The existing geoelectric field signals lose weak information in long-distance transmission. The common electrode and the North-South azimuth electrode of the invention are connected to a front-stage passive band-pass filter of a front-stage signal conditioning circuit, while the East-West azimuth electrode is connected to a front-stage passive band-pass filter of another front-stage signal conditioning circuit; after the geoelectric field signal is transmitted to the front-stage signal conditioning circuit, the front-stage passive band-pass filter is filtered and mixed in turn in the front-stage signal conditioning circuit. After amplification of instrumentation amplifier, filtering of active bandpass filter and signal conditioning of single-ended differential circuit, differential signal is output to a corresponding post-stage signal conditioning circuit for further signal conditioning. The front stage circuit of the invention adopts a hybrid instrument amplifier, which has the advantages of high input impedance, low noise and low offset. The electrode embedding method ensures good contact between the electrode and the soil medium, and enhances the long-term stability of the electrode work.

【技术实现步骤摘要】
一种地电场传感器系统及其电极埋设方法
本专利技术涉及地球物理电场勘探
，尤其涉及一种地电场传感器系统及其电极埋设方法。
技术介绍
目前国内使用的地电场仪器主要为ZD9A型地电场仪，其电极信号经中心汇集后，未经任何信号处理直接经电缆线传输至记录室，因为电场信号为微弱信号，长距离传输损失了微弱有用信息，对地电场信息的提取不利，如记录室距离中心汇集点太近，记录室人员活动及市电等干扰也难以避免。
技术实现思路
针对以上所述的技术缺陷，本专利技术的一个目的是提出一种前级与后级分体结构的地电场传感器系统，前级部分就近对电极之间的高阻抗微弱电压信号进行信号调理，有利于信号的长距离传输，提高信噪比；后级部分对前级部分长距离传输来的信号进一步信号调理，适合对数据进行采集及处理。本专利技术的另一个目的是提出一种电极埋设方法，保证电极能够与土壤介质的良好接触，增强电极工作的长期稳定性，有效提高地电场观测质量，有效屏蔽周围环境的电场干扰，确保测量电场信号的准确性。本专利技术一种地电场传感器系统，包括前级信号调理电路和后级信号调理电路；前级信号调理电路放置在前端观测场地，后级信号调理电路放置在观测室内；所述的前级信号调理电路包括前级无源带通滤波器、前级混合仪表放大器、前级有源带通滤波器和前级单端转差分电路；公共电极与南北方位电极接入一个前级信号调理电路的前级无源带通滤波器，同时与东西方位电极接入另一个前级信号调理电路的前级无源带通滤波器；南北方位电极和公共电极，或东西方位电极和公共电极检测的地电场信号传入前级信号调理电路后，在前级信号调理电路中依次经前级无源带通滤波器滤波、前级混合仪表放大器放大、前级有源带通滤波器滤波以及前级单端转差分电路信号调理后，差分信号输出至对应的一个后级信号调理电路中；所述的后级信号调理电路包括后级无源带通滤波器、后级仪表放大器、调零电路、后级Fliege陷波器、后级电压跟随及低通滤波器、后级放大及单端转差分电路、A/D转换器和控制器；前级信号调理电路输出的信号依次经后级信号调理电路的后级无源带通滤波器滤波、后级仪表放大器放大、后级Fliege陷波器滤波、后级电压跟随及低通滤波器跟随与滤波、后级放大及单端转差分电路信号调理后，差分信号输出至A/D转换器，A/D转换器模数转换后传给控制器；控制器计算出调零电压值，并通过控制信号让调零电路中的D/A转换器产生调零电压，调零电压经调零电路中的后级电压跟随器后输出至后级仪表放大器的电压参考脚，实现后级仪表放大器的调零。所述的前级无源带通滤波器包括电阻二R2、电阻三R3、电阻五R5、电容二C2、电容三C3、电容五C5、二极管一D1、电阻六R6、二极管二D2、电容八C8、电容六C6、共模扼流圈一T1、电容十二C12、电阻十三R13、电阻十五R15、电阻十七R17、电容十三C13、电容十C10、二极管三D3、电阻十四R14、二极管四D4、电容十五C15和电容十四C14；公共电极接共模扼流圈一T1中线圈一的输入端E1-，南北方位电极或东西方位电极接共模扼流圈一T1中线圈二的输入端E1+；电容十二C12的一端接共模扼流圈一T1中线圈一的输出端，电容三C3的一端接共模扼流圈一T1中线圈二的输出端；电阻二R2的一端与电阻三R3的一端连接，另一端接地；电阻三R3的另一端与电阻五R5的一端及电容三C3的另一端连接；电阻五R5的另一端与电容五C5的一端、二极管一D1的负极、电阻六R6的一端和二极管二D2的负极连接；电容五C5的另一端接地；二极管一D1的正极与电容二C2的一端连接，电容二C2的另一端接地；二极管二D2的正极与电容八C8的一端连接，电容八C8的另一端接地；电阻六R6的另一端与电容六C6的一端连接并输出信号Signal+；电容六C6的另一端接地；电阻十七R17的一端接地，另一端与电阻十五R15的一端连接；电阻十五R15的另一端与电阻十三R13的一端以及电容十二C12的另一端连接；电阻十三R13的另一端与电容十三C13的一端、二极管三D3的负极、电阻十四R14的一端和二极管四D4的负极连接；电容十三C13的另一端接地；二极管三D3的正极与电容十C10的一端连接，电容十C10的另一端接地；电阻十四R14的另一端与电容十四C14的一端连接并输出信号Signal-；电容十四C14的另一端接地；二极管四D4的正极与电容十五C15的一端连接，电容十五C15的另一端接地。所述的前级混合仪表放大器包括放大器一U1、电容一C1、电阻一R1、电阻七R7、电阻二十一R21、电容十六C16、放大器四U4、电阻四R4、电阻十六R16、电阻二十五R25和放大控制芯片一U2；放大器一U1和放大器四U4的型号均为AD745JR-16；放大器一U1的管脚3与电容一C1、电阻一R1和电阻七R7的一端连接；电阻四R4的一端与放大控制芯片一U2的管脚3连接，放大控制芯片一U2的型号为INA128U；放大器一U1的管脚12与电容一C1、电阻一R1和电阻四R4的另一端连接；放大器一U1的管脚6与-6V电源连接，放大器一U1的管脚13与+6V电源连接；电阻七R7的另一端与放大器四U4的管脚3、电阻二十一R21的一端和电容十六C16的一端连接；电阻二十一R21的另一端与电容十六C16的另一端、放大器四U4的管脚12和电阻十六R16的一端连接；放大器四U4的管脚13与+6V电源连接，放大器四U4的管脚6与-6V电源连接；电阻十六R16的另一端与放大控制芯片一U2的管脚2连接；电阻二十五R25的一端与放大控制芯片一U2的管脚8连接，另一端与放大控制芯片一U2的管脚1连接；放大控制芯片一U2的管脚5接地，管脚7与+6V电源连接，管脚4与-6V电源连接，管脚6输出信号Signal1。放大器一U1和放大器四U4的管脚5分别接前级无源带通滤波器的输出信号正极和输出信号负极。所述的前级有源带通滤波器包括电容九C9、电阻十R10、电阻十二R12、电阻八R8、电阻九R9、电容四C4、电容七C7、电容十一C11、放大器三U3A和电阻十一R11；放大器三U3A的型号为OP2177；电容九C9的一端接前级混合仪表放大器的输出信号，另一端与电阻十R10和电阻八R8的一端连接；电阻八R8的另一端与电阻九R9、电容四C4和电容七C7的一端连接；电阻十R10的另一端与电阻十二R12的一端连接；R12的另一端接地；电阻九R9的另一端与电容十一C11的一端和放大器三U3A的管脚3连接；电容十一C11的另一端接地；放大器三U3A的管脚1与电阻十一R11的一端、电容四C4的另一端、电容七C7的另一端连接，并输出信号Signal2；放大器三U3A的管脚2接电阻十一R11的另一端；放大器三U3A的管脚4接-6V电源，管脚8接+6V电源。所述的前级单端转差分电路包括电阻二十R20、电阻十八R18、放大器五U5A、放大器六U5B、电阻十九R19、电阻二十三R23、电阻二十六R26、电阻二十二R22和电阻二十四R24；电阻二十R20的一端与电阻二十三R23的一端连接，并接前级有源带通滤波器的输出信号；电阻二十R20的另一端与放大器五U5A的管脚3连接，放大器五U5A的管脚2与电阻十八R18的一端连接，电阻十八R18的另一端与放大器五U5A的管脚1和电阻十九R19的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地电场传感器系统，包括前级信号调理电路和后级信号调理电路；前级信号调理电路放置在前端观测场地，后级信号调理电路放置在观测室内；其特征在于：所述的前级信号调理电路包括前级无源带通滤波器、前级混合仪表放大器、前级有源带通滤波器和前级单端转差分电路；公共电极与南北方位电极接入一个前级信号调理电路的前级无源带通滤波器，同时与东西方位电极接入另一个前级信号调理电路的前级无源带通滤波器；南北方位电极和公共电极，或东西方位电极和公共电极检测的地电场信号传入前级信号调理电路后，在前级信号调理电路中依次经前级无源带通滤波器滤波、前级混合仪表放大器放大、前级有源带通滤波器滤波以及前级单端转差分电路信号调理后，差分信号输出至对应的一个后级信号调理电路中；所述的后级信号调理电路包括后级无源带通滤波器、后级仪表放大器、调零电路、后级Fliege陷波器、后级电压跟随及低通滤波器、后级放大及单端转差分电路、A/D转换器和控制器；前级信号调理电路输出的信号依次经后级信号调理电路的后级无源带通滤波器滤波、后级仪表放大器放大、后级Fliege陷波器滤波、后级电压跟随及低通滤波器跟随与滤波、后级放大及单端转差分电路信号调理后，差分信号输出至A/D转换器，A/D转换器模数转换后传给控制器；控制器计算出调零电压值，并通过控制信号让调零电路中的D/A转换器产生调零电压，调零电压经调零电路中的后级电压跟随器后输出至后级仪表放大器的电压参考脚，实现后级仪表放大器的调零。...

【技术特征摘要】
1.一种地电场传感器系统，包括前级信号调理电路和后级信号调理电路；前级信号调理电路放置在前端观测场地，后级信号调理电路放置在观测室内；其特征在于：所述的前级信号调理电路包括前级无源带通滤波器、前级混合仪表放大器、前级有源带通滤波器和前级单端转差分电路；公共电极与南北方位电极接入一个前级信号调理电路的前级无源带通滤波器，同时与东西方位电极接入另一个前级信号调理电路的前级无源带通滤波器；南北方位电极和公共电极，或东西方位电极和公共电极检测的地电场信号传入前级信号调理电路后，在前级信号调理电路中依次经前级无源带通滤波器滤波、前级混合仪表放大器放大、前级有源带通滤波器滤波以及前级单端转差分电路信号调理后，差分信号输出至对应的一个后级信号调理电路中；所述的后级信号调理电路包括后级无源带通滤波器、后级仪表放大器、调零电路、后级Fliege陷波器、后级电压跟随及低通滤波器、后级放大及单端转差分电路、A/D转换器和控制器；前级信号调理电路输出的信号依次经后级信号调理电路的后级无源带通滤波器滤波、后级仪表放大器放大、后级Fliege陷波器滤波、后级电压跟随及低通滤波器跟随与滤波、后级放大及单端转差分电路信号调理后，差分信号输出至A/D转换器，A/D转换器模数转换后传给控制器；控制器计算出调零电压值，并通过控制信号让调零电路中的D/A转换器产生调零电压，调零电压经调零电路中的后级电压跟随器后输出至后级仪表放大器的电压参考脚，实现后级仪表放大器的调零。2.根据权利要求1所述的一种地电场传感器系统，其特征在于：所述的前级无源带通滤波器包括电阻二R2、电阻三R3、电阻五R5、电容二C2、电容三C3、电容五C5、二极管一D1、电阻六R6、二极管二D2、电容八C8、电容六C6、共模扼流圈一T1、电容十二C12、电阻十三R13、电阻十五R15、电阻十七R17、电容十三C13、电容十C10、二极管三D3、电阻十四R14、二极管四D4、电容十五C15和电容十四C14；公共电极接共模扼流圈一T1中线圈一的输入端E1-，南北方位电极或东西方位电极接共模扼流圈一T1中线圈二的输入端E1+；电容十二C12的一端接共模扼流圈一T1中线圈一的输出端，电容三C3的一端接共模扼流圈一T1中线圈二的输出端；电阻二R2的一端与电阻三R3的一端连接，另一端接地；电阻三R3的另一端与电阻五R5的一端及电容三C3的另一端连接；电阻五R5的另一端与电容五C5的一端、二极管一D1的负极、电阻六R6的一端和二极管二D2的负极连接；电容五C5的另一端接地；二极管一D1的正极与电容二C2的一端连接，电容二C2的另一端接地；二极管二D2的正极与电容八C8的一端连接，电容八C8的另一端接地；电阻六R6的另一端与电容六C6的一端连接并输出信号Signal+；电容六C6的另一端接地；电阻十七R17的一端接地，另一端与电阻十五R15的一端连接；电阻十五R15的另一端与电阻十三R13的一端以及电容十二C12的另一端连接；电阻十三R13的另一端与电容十三C13的一端、二极管三D3的负极、电阻十四R14的一端和二极管四D4的负极连接；电容十三C13的另一端接地；二极管三D3的正极与电容十C10的一端连接，电容十C10的另一端接地；电阻十四R14的另一端与电容十四C14的一端连接并输出信号Signal-；电容十四C14的另一端接地；二极管四D4的正极与电容十五C15的一端连接，电容十五C15的另一端接地。3.根据权利要求1所述的一种地电场传感器系统，其特征在于：所述的前级混合仪表放大器包括放大器一U1、电容一C1、电阻一R1、电阻七R7、电阻二十一R21、电容十六C16、放大器四U4、电阻四R4、电阻十六R16、电阻二十五R25和放大控制芯片一U2；放大器一U1和放大器四U4的型号均为AD745JR-16；放大器一U1的管脚3与电容一C1、电阻一R1和电阻七R7的一端连接；电阻四R4的一端与放大控制芯片一U2的管脚3连接，放大控制芯片一U2的型号为INA128U；放大器一U1的管脚12与电容一C1、电阻一R1和电阻四R4的另一端连接；放大器一U1的管脚6与-6V电源连接，放大器一U1的管脚13与+6V电源连接；电阻七R7的另一端与放大器四U4的管脚3、电阻二十一R21的一端和电容十六C16的一端连接；电阻二十一R21的另一端与电容十六C16的另一端、放大器四U4的管脚12和电阻十六R16的一端连接；放大器四U4的管脚13与+6V电源连接，放大器四U4的管脚6与-6V电源连接；电阻十六R16的另一端与放大控制芯片一U2的管脚2连接；电阻二十五R25的一端与放大控制芯片一U2的管脚8连接，另一端与放大控制芯片一U2的管脚1连接；放大控制芯片一U2的管脚5接地，管脚7与+6V电源连接，管脚4与-6V电源连接，管脚6输出信号Signal1；放大器一U1和放大器四U4的管脚5分别接前级无源带通滤波器的输出信号正极和输出信号负极。4.根据权利要求1所述的一种地电场传感器系统，其特征在于：所述的前级有源带通滤波器包括电容九C9、电阻十R10、电阻十二R12、电阻八R8、电阻九R9、电容四C4、电容七C7、电容十一C11、放大器三U3A和电阻十一R11；放大器三U3A的型号为OP2177；电容九C9的一端接前级混合仪表放大器的输出信号，另一端与电阻十R10和电阻八R8的一端连接；电阻八R8的另一端与电阻九R9、电容四C4和电容七C7的一端连接；电阻十R10的另一端与电阻十二R12的一端连接；R12的另一端接地；电阻九R9的另一端与电容十一C11的一端和放大器三U3A的管脚3连接；电容十一C11的另一端接地；放大器三U3A的管脚1与电阻十一R11的一端、电容四C4的另一端、电容七C7的另一端连接，并输出信号Signal2；放大器三U3A的管脚2接电阻十一R11的另一端；放大器三U3A的管脚4接-6V电源，管脚8接+6V电源。5.根据权利要求1所述的一种地电场传感器系统，其特征在于：所述的前级单端转差分电路包括电阻二十R20、电阻十八R18、放大器五U5A、放大器六U5B、电阻十九R19、电阻二十三R23、电阻二十六R26、电阻二十二R22和电阻二十四R24；电阻二十R20的一端与电阻二十三R23的一端连接，并接前级有源带通滤波器的输出信号；电阻二十R20的另一端与放大器五U5A的管脚3连接，放大器五U5A的管脚2与电阻十八R18的一端连接，电阻十八R18的另一端与放大器五U5A的管脚1和电阻十九R19的一端连接；电阻十九R19的另一端输出信号Signal3+；放大器五U5A的管脚8接+6V电源，管脚4接-6V电源；电阻二十三R23的另一端与电阻二十二R22的一端和放大器六U5B的管脚6连接，放大器六U5B的管脚5与电阻二十六R26的一端连接，电阻二十六R26的另一端接地；放大器六U5B的管脚7与电阻二十二R22的另一端和电阻二十四R24的一端连接，电阻二十四R24的另一端输出信号Signal3-；放大器六U5B的管脚4和管脚8均悬空；放大器五U5A和放大器六U5B采用型号为AD822AR的集成放大器。6.根据权利要求1所述的一种地电场传感器系统，其特征在于：所述的后级无源带通滤波器包括电阻二十七R27、共模扼流圈二T2、电阻二十九R29、电阻三十R30、电阻二十八R28、电容十七C17、电容十八C18和电容十九C19；共模扼流圈二T2中线圈一的输入端接前级信号调理电路的输出信号负极，共模扼流圈二T2中线圈二的输入端接前级信号调理电路的输出信号正极；电阻二十七R27的一端接地，另一端与电阻二十九R29的一端以及共模扼流圈二T2中线圈二的输出端连接；电阻二十九R29的另一端与电容十七C17和电容十八C18的一端连接，电容十七C17的另一端接地；电阻二十八R28的一端接地，另一端与电阻三十R30的一端以及共模扼流圈二T2中线圈一的输出端连接；电阻三十R30的另一端与电容十八C18的另一端和电容十九C19的一端连接，电容十九C19的另一端接地；所述的后级仪表放大器包括电阻三十一R31和放大控制芯片二U...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢永，孙振强，张敏，单菡，王佳，徐年，
申请(专利权)人：江苏省地震局，
类型：发明
国别省市：江苏,32