利用金属电极测量极化率的高密度电法测量装置及其方法技术领域
本发明涉及地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种利用金属电机测量极化率的测
量装置及测量方法。
背景技术
地球表面任意两点都存在电位差，以直流电位的形式存在，称为自然电位。
地球物理勘探技术领域中的电阻率法是传导类电法勘探方法的一种，它建立在地
壳中各类岩石(矿石)之间导电差异的基础上，通过观测和研究与这种差异有关的天然电场
或人工电场的分布规律，可达到查明地质构造或解决天文地质、工程地质、环境地质勘探领
域中的水资源调查、岩石破碎情况及污水面积等问题。
金属电极在某一点打入土壤中，正负电荷就在不同极性的电极上吸附，随着时间
推移，逐渐积累以极化电位形式存在与电极上，即产生极化电位。
传统激发极化法是供电电极A、B使用金属电极，测量电极M、N使用不极化电极，金
属电极就是一根铜棒，而不极化电极是一个罐状结构，如铜-硫酸铜(Cu-CuSO4)电极，其结
构是将硫酸铜溶液装置素烧瓷罐中，将小铜棒插入硫酸铜溶液中，通过硫酸铜溶液与大地
接触，这种电极的极化电压不大，但获得较小极化电压的稳定时间大约为一小时，在野外使
用非常不方便，且勘探时间长。
目前，也有采用供电电极A,B是金属电极、测量电极M,N均为极化电极的高密度电
法仪。高密度电法仪是在一个剖面上一次性布很多根电极，由电极转换装置自动实现多种
电极组合串行测量，高密度电法仪的电极排列规律：A、M、N、B(其中A、B是供电电极,M、N是测
量电极)，如图2所示，电极间距AM＝MN＝NB，随着间隔系数n由n(MIN)逐渐增大到n(MAX)，四
个电极之间的间距也均匀拉开，一般高密度电阻率法在A、B两电极间要加上几百伏的直流
高压，由于地质中任意两点存在自然电位数量级与供电电极相比很小，测量电极M、N两点的
电压ΔVMN只有几毫伏到几百毫伏，当高密度电法仪在工作时完成一次A、B、M、N电极排列的
测量后，电极转换装置将A、B、M、N电极排列依次移动到一个电极间距的下一个测量位置，即
第一次测量时用1、2、3、4号电极分别对应A、M、N、B测点，第二次测量时用2、3、4、5电极分别
对应A、M、N、B测点，由于第一次测量时4号电极是对应供电电极B，第二次测量时4号电极是
对应测量电极N，在第一次测量过后地下地质体受供电电极影响产生极化效应，极化体供电
积累的电荷还没来得及放完(即短时间内未完全消除极化)，在短时间内变为测量电极，这
个还没来得及放完的电荷对测量电极测量M、N之间的电压ΔVMN存在很大的干扰。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种利用金属电极测量极化率的高
密度电法测量装置，能同时检测电阻率和激电参数极化率。
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种利用金属电极测量极化率的高
密度电法测量方法，操作方便，探测效率高、探测效果好。
本发明所采用的技术方案是：一种利用金属电极测量极化率的高密度电法测量装
置，包括电法仪和高压直流供电装置，所述高压直流供电装置包括主控制器、隔离驱动电路
和H桥电路，所述电法仪包括金属电极A、金属电极B、金属电极M和金属电极N，所述金属电极
A和金属电极B是供电电极，所述金属电极M和金属电极N是测量电极，所述电法仪的第一输
出端与主控制器的输入端连接，所述主控制器的输出端与隔离驱动电路的输入端连接，所
述隔离驱动电路的输出端与H桥电路的输入端连接，所述电法仪与H桥电路连接以采集金属
电极M和金属电极N之间的电流，所述H桥电路包括第一输出端、第二输出端，所述H桥电路的
第一输出端与金属电极A连接用于给金属电极A提供供电电压，所述H桥电路的第二输出端
与金属电极B连接用于给金属电极B提供供电电压。
进一步地，所述电法仪是高密度电法仪。
进一步地，所述隔离驱动电路包括振荡电路、变压器和整流滤波稳压电路，所述振
荡电路与所述主控制器连接，所述主控制器通过与非门串联电容与变压器的输入端连接，
所述变压器的输出端与整流滤波稳压电路的输入端连接，所述整流滤波电路的输出端与H
桥电路的输入端连接。
进一步地，所述H桥电路包括开关管和浪涌电压吸收电路，所述开关管是IGBT管，
所述整流滤波电路的输出端与IGBT管的输入端连接驱动IGBT管，所述IGBT管的输出端与所
述浪涌电压吸收电路的输入端连接，所述IGBT管包括第九IGBT管、第十IGBT管、第十一IGBT
管和第十二IGBT管，所述第九IGBT管与第十二IGBT管组成第一桥臂，所述第十IGBT管与第
十一IGBT管组成第二桥臂。
进一步地，所述H桥电路还包括保护滤波电路，所述保护滤波电路的输入端连接电
源电压，所述保护滤波电路的输出端连接所述浪涌电压吸收电路的第二输入端。
进一步地，所述IGBT管型号是IHW40T0120管。
一种利用金属电极测量极化率的高密度电法测量方法，所述方法应用于上述的一
种利用金属电极测量极化率的高密度电法测量方法，所述方法包括步骤：
S1，将测量装置的金属电极按照探测需要的距离打入探测区域的底面，用电缆将
每个电极与探测装置连接起来；每个单位时间测量由四个电极参与，依次为A、M、N、B，其中
电极A、电极B作为供电电极，电极M、电极N作为测量电极，AM＝MN＝NB为一个电极间距，在极
化率测量的一个周期中，电法仪控制高压直流供电装置给电极A和电极B供电；
S2，在一个周期中，电法仪控制高压直流供电装置通过电极A和电极B向地下正向
供电，电法仪测量电极A和电极B通电回路的电流IAB、测量电极M和电极N之间的电压ΔV；
S3，测量电流IAB和电压ΔV后，电法仪控制高压直流供电装置停止供电，电法仪测
量电极A和电极B之间的电压，若电极A和电极B之间的电压不为零，电法仪控制高压直流供
电装置输出一个与电极A和电极B之间电压大小相等、方向相反的反向电压，对地下地质体
进行反向极化，使得电极A和电极B之间的电压逐渐减小直至为零；电法仪控制四个电极移
动一个电极间距，进入下一次测量，返回步骤S2。
本发明的有益效果是：
一种利用金属电极测量极化率的高密度电法测量装置采用高压直流供电装置和
电法仪配合，不采用不极化电极测量极化率，操作方便，与传统采用不极化电极测量极化率
相比，具有探测效率高的优点；与现有技术采用极化电极测量极化率相比，消除供电电极对
地质产生极化效应的误差，具有更高的准确性，探测效果好。
本发明的另一个有益效果是：
一种利用金属电极测量极化率的高密度电法测量方法采用高压直流供电装置和
电法仪配合，不采用不极化电极测量极化率，操作方便，与传统采用不极化电极测量极化率
相比，具有探测效率高的优点；与现有技术采用极化电极测量极化率相比，消除供电电极对
地质产生极化效应的误差，具有更高的准确性，探测效果好。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是时间域激发极化充放电示意图；
图2是高密度电阻率法中的温纳排列示意图；
图3是本发明高密度电法仪连接高压直流供电装置模块示意图；
图4是本发明隔离驱动电路图；
图5是本发明H桥电路图；
图6是本发明高压直流供电装置输出高压直流电压波形图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。
极化率的测量原理：
图1是时间域激发极化充放电示意图，如图1所示，高密度电法仪通过供电电极将
电流供入地下，利用测量电极对地下岩石、矿石的电位差变化进行观测，假设地下介质是均
匀无极化介质，则当供电电流不变时，测量电极测得的电位差为ΔV1，如果地下存在一极化
体，则电流在地下介质中传播流经该极化体时，极化体发生电化学反应，极化体受激发而产
生“二次电流”，进而产生附加“二次电场”ΔV2，在测量电极间产生电位差，在供电电极开关
未断开时，测量电极测得的电位差是ΔV1与ΔV2之和，称为总场电位差。此时断开供电电极
开关，供电电流小时，而地下极化体的极化依然存在，极化体将会放电以回复原平衡状态，
这个过程需要一定的时间，如图1中的T放，一般是用ηs作为参数来描述介质激发极化这一特
性,其定义为:
其中ΔV2(toff)为断电后某一时刻测得的二次电位差，ΔV1+ΔV2＝ΔV为断电前测
得的总场电位差，ηs是相对物理量，无量纲。
高密度电法仪极化电极测量断面电阻率原理：
图2是高密度电阻率法中的温纳排列示意图，如图2所示，在一个剖面上一次布很
多根电极，如60根，由电极转换装置自动实现多种电极组合串行测量方式，如图2所示，60道
电极排列规律是：A、M、N、B，(其中A、B是供电电极，M、N是测量电极)，电极间距AM＝MN＝NB，
间隔数为n，随着间隔数n(MIN)逐渐增大到n(MAX)，四个电极之间的间距也均匀拉开。如图2
所示，测量断面为倒梯形，设电极总数为60，n(MIN)＝1，n(MAX)＝16，首先，n＝n(MIN)＝1，
由于电极共有4个，所以测量数据为57个：
第一步：A＝1#，M＝2#，N＝3#，B＝4#；
第二步：A＝2#，M＝3#，N＝4#，B＝5#；
……
第五十七步：A＝57#，M＝58#，N＝59#，B＝60#；
接着，n＝n+1，测量数据为54个：
第一步：A＝1#，M＝3#，N＝5#，B＝7#；
第二步：A＝2#，M＝4#，N＝6#，B＝8#；
……
第五十四步：A＝54#，M＝56#，N＝58#，B＝60#；
……
最后，n＝n(MAX)＝16，测量数据为12个：
第一步：A＝1#，M＝17#，N＝33#，B＝49#；
第二步：A＝2#，M＝18#，N＝34#，B＝60#；
……
第十二步：A＝12#，M＝28#，N＝44#，B＝60#。
显然，对应每一层位(n)的测量数据个数＝(60-n×3),如果n＝1至n＝16,16个层
位全部测量得到一个完整的剖面，数据总数应该是552个。这种排列在测量激发极化法的参
数极化率ηs，第一次测量是用1、2、3、4号电极，对应A、M、N、B测点，A、B是供电电极，对应于1
号、4号电极，M、N是测量电极，对应于2号、3号电极。下一次测量是2、3、4、5号电极，A、B是供
电电极，对应于2号、5号电极；M、N是测量电极，对应于3号、4号电极；依此类推，一般高密度
电阻率法在A、B两电极要加上几百伏的直流高压，而测量到M、N两点的电压ΔVMN只有几毫伏
到几百毫伏，高密度电阻率法在工作时完成了1、2、3、4号电极排列的测量后，1秒钟后就要
用2、3、4、5号电极对应A、M、N、B测点，A、B是供电电极，M、N是测量电极，第一次4号电极是供
电电极B，第二次测量4号电极变为测量电极N，在4号电极第一次测量过后，供电电极B对地
质体产生极化效应，地下地质体(即极化体)由于供电积累的电荷还没来得及放完，一般1秒
钟后变为测量电极，未放完的电荷对测量电极测量M、N之间的电压ΔVMN存在很大的干扰。
图3是本发明高密度电法仪连接高压直流供电装置示意图，如图3所示，一种利用
金属电极测量极化率的高密度电法测量装置，包括电法仪和高压直流供电装置，本实施例
优选采用高密度电法仪。所述高压直流供电装置包括主控制器、隔离驱动电路和H桥电路，
所述主控制器包括单片机，所述电法仪包括金属电极A、金属电极B、金属电极M和金属电极
N，所述金属电极A和金属电极B是供电电极，所述金属电极M和金属电极N是测量电极，所述
电法仪的第一输出端与主控制器的输入端连接，所述主控制器的输出端与隔离驱动电路的
输入端连接，所述隔离驱动电路的输出端与H桥电路的输入端连接，所述电法仪与H桥电路
连接以采集金属电极M和金属电极N之间的电流，所述H桥电路包括第一输出端、第二输出
端，所述H桥电路的第一输出端与金属电极A连接用于给金属电极A提供供电电压，所述H桥
电路的第二输出端与金属电极B连接用于给金属电极B提供供电电压。
图4是本发明隔离驱动电路图，图5是本发明H桥电路图，结合图4和图5，隔离驱动
电路包括振荡电路1、变压器和整流滤波稳压电路2，所述振荡电路1与所述主控制器连接，
所述振荡电路1包括与非门U1B、与非门U1C、电阻R6、电阻R7和电容C7，与非门U1B的第一输
入端接收主控制器输出的保护驱动信号PROTECT_nQ，与非门U1B的输出端分别连接与非门
U1C的两个输入端，与非门U1C的输出端通过串联电容C7和电阻R6连接到与非门U1B的第二
输入端，与非门U1B的输出端还通过电阻R7连接到电容C7与电阻R6之间的节点。与非门U1C
输出一个18KHz的振荡信号OSC。本实施例优选采用振荡电路产生的振荡信号，也可以通过
主控制器中的单片机输出脉冲宽度可调节的方波信号，所述隔离驱动电路还包括与非门
U4A、与非门U4B，与非门U4A的第一输入端接收与非门U1C输出的振荡信号OSC，与非门U4B的
第一输入端接收与非门U1C输出的振荡信号OSC，与非门U4A的第二输入端接收主控制器输
出的第一直流信号PDRV，与非门U4B的第二输入端接收主控制器输出的第二直流信号NDRV，
与非门U4A的输出端分别通过电容C1、电容C3连接变压器TR1、变压器TR2的第一输入端，变
压器TR1、变压器TR2的第二输入端均连接电源地，所述与非门U4B的输出端分别通过电容
C5、电容C8连接变压器TR3、变压器TR4的第一输入端，变压器TR3、变压器TR4的第二输入端
均连接电源地。H桥电路包括开关管和浪涌电压吸收电路，所述开关管是IGBT管，包括第九
IGBT管U9、第十IGBT管U10、第十一IGBT管U11和第十二IGBT管U12，整流滤波稳压电路2包括
二极管D1至D8，电容C2、C4、C6、C9，电阻R1至R8，变压器TR1的第一输出端通过连接二极管D1
和电阻R1连接到第九IGBT管U9的G端提供驱动信号DRV_G1，变压器TR1的第二输出端连接第
九IGBT管U9的E端提供驱动信号DRV_E1，电容C2与电阻R2并联在二极管D1的负极与第九
IGBT管U9的E端之间，二极管D2的正极连接第九IGBT管U9的E端、负极连接第九IGBT管U9的G
端；变压器TR2的第一输出端通过连接二极管D3和电阻R3连接到第十IGBT管U10的G端提供
驱动信号DRV_G2，变压器TR2的第二输出端连接第十IGBT管U10的E端提供驱动信号DRV_E2，
电容C4与电阻R4并联在二极管D3的负极与第十IGBT管U10的E端之间，二极管D4的正极连接
第十IGBT管U10的E端、负极连接第十IGBT管U10的G端；变压器TR3的第一输出端通过连接二
极管D5和电阻R5连接到第十一IGBT管U11的G端提供驱动信号DRV_G3，变压器TR3的第二输
出端连接第十一IGBT管U11的E端提供驱动信号DRV_E3，电容C6与电阻R8并联在二极管D5的
负极与第十一IGBT管U11的E端之间，二极管D6的正极连接第十一IGBT管U11的E端、负极连
接第十一IGBT管U11的G端；变压器TR4的第一输出端通过连接二极管D7和电阻R9连接到第
十二IGBT管U12的G端提供驱动信号DRV_G4，变压器TR4的第二输出端连接第十二IGBT管U12
的E端提供驱动信号DRV_E4，电容C9与电阻R10并联在二极管D7的负极与第十二IGBT管U12
的E端之间，二极管D8的正极连接第十二IGBT管U12的E端、负极连接第十二IGBT管U12的G
端。
由于一般IGBT管的驱动电压为7V，本实施例中设计的驱动电压为10V，与非门U1B，
U1C产生交流电压信号，分别通过主控制器控制通过与非门U4A,U4B耦合到变压器TR1至TR4
中，经过变压器升压后输出20V左右的交流电压信号，通过整流滤波稳压电路2输出幅度为
10V的方波，进而驱动第九IGBT管U9至第十二IGBT管U12。如图5所示，H桥电路一个桥臂由第
九IGBT管和第十二IGBT管组成，另一个桥臂由第十IGBT管和第十一IGBT管组成，本实施例
采用的IGBT管的型号是IHW40T0120。H桥电路包括浪涌电压吸收电路3和保护滤波电路4，保
护滤波电路包括二极管D9、压敏电阻R17、电容C12至C14，电阻R16、R18，浪涌电压吸收电路3
包括压敏电阻R22、R23、R27、R28，二极管D10至D17，电阻R20、R21、R25、R26及电容C15至C18，
高密度电法仪中的主机提供H桥电路电源电压，电源电压正极HV+连接二极管D9的正极，压
敏电阻R17、电容C12、电容C13、电容C14并联在二极管D9的负极和电源电压负极HV-之间，保
护滤波电路中的二极管D9起单向导电左右，防止H桥电路因电源电压反接损坏电路。二极管
D9的负极还通过电阻R16、电阻R18连接到电源电压负极HV-。二极管D9的负极通过压敏电阻
R19连接电源电压负极HV-，第九IGBT管的C端和第十IGBT管的C端均连接第二电源电压HVB
+，第九IGBT管的E端和C端串联压敏电阻R22，第九IGBT管的C端通过二极管D11、二极管D13
和电容C15连接到第九IGBT管的E端和第十一IGBT管的C端，电阻R21连接二极管D11的正极
和二极管D13的负极；第十IGBT管的E端和C端串联压敏电阻R23，第十IGBT管的C端通过二极
管D10、二极管D12和电容C12连接到第十IGBT管的E端和第十二IGBT管的C端，电阻R20连接
二极管D10的正极和二极管D12的负极；第十一IGBT管的E端和C端串联压敏电阻R27，第十一
IGBT管的C端通过二极管D15、二极管D17和电容C17连接到第十一IGBT管的E端和电源电压
负极HV-，电阻R26连接二极管D15的正极和二极管D17的负极；第十IGBT管的E端和C端串联
压敏电阻R23，第十二IGBT管的C端通过二极管D14、二极管D16和电容C18连接到第十二IGBT
管的E端和电源电压负极HV-，电阻R25连接二极管D14的正极和二极管D16的负极。在电容
C15和二极管D15的正极之间的节点连接到高密度电法仪的金属电极B，在电容C16和二极管
D14的正极之间的节点通过连接电阻R24连接到高密度电法仪的金属电极A，用于输出正向
供电电压和反向供电电压给金属电极A和金属电极B(其中，金属电极A和金属电极B是供电
电极)。高密度电法仪可以在电阻R24两端测试金属电极A和金属电极B之间的电流IAB。
图4是本发明高压直流供电装置输出高压直流电压波形图，本实施例主控制器中
单片机优选MSP430F169单片机，高密度电法仪控制高压直流供电装置改变供电时间、断电
时间和供电电压，如图4所示，在供电时间T1内，高密度电法仪控制高压直流电压装置输出
正向直流高压V1，在断电时间T2内，直流高压值零，在供电时间T3内，输出反向直流高压V2。
在野外需要进行高密度电法勘探时，根据实际需要在一根电缆线上打入n根电极，
编号为1至n，高压直流供电装置通过供电电极A和供电电极B向地下供电，测量电极M和测量
电极N通过测量电缆线，接到高密度电法仪M、N输入端，进行第一次测量，高密度电法仪控制
高压直流供电装置提供正向直流高压时，高密度电法仪采集供电电极A和供电电极B之间的
电流IAB以及测量电极M和测量电极N之间的电压ΔV，测量完之后高密度电法仪控制高压直
流供电装置停止供电，高密度电法仪采集供电电极A和供电电极B之间的电流IAB，判断供电
电极A和供电电极B之间的电压是否为零，如果A、B之间的电压不为零，高密度电法仪控制高
压直流供电装置提供一个反向电压，对地下地质体进行反向极化，直至A、B之间的电压为
零。
一种利用金属电极测量极化率的高密度电法测量装置采用高压直流供电装置和
电法仪配合，不采用不极化电极测量极化率，操作方便，与传统采用不极化电极测量极化率
相比，具有探测效率高的优点；与现有技术采用极化电极测量极化率相比，消除供电电极对
地质产生极化效应的误差，具有更高的准确性，探测效果好。
一种利用金属电极测量极化率的高密度电法测量方法应用于上述一种利用金属
电极测量极化率的高密度电法测量装置，测量方法步骤如下：
S1，将测量装置的金属电极按照探测需要的距离打入探测区域的底面，用电缆将
每个电极与探测装置连接起来；每个单位时间测量由四个电极参与，依次为A、M、N、B，其中
电极A、电极B作为供电电极，电极M、电极N作为测量电极，AM＝MN＝NB为一个电极间距，在极
化率测量的一个周期中，电法仪控制高压直流供电装置给电极A和电极B供电；
S2，在一个周期中，电法仪控制高压直流供电装置通过电极A和电极B向地下正向
供电，在供电时间T1内，电法仪测量电极A和电极B通电回路的电流IAB、测量电极M和电极N之
间的电压ΔV；
S3，测量电流IAB和电压ΔV后，电法仪控制高压直流供电装置停止供电，在断电时
间T2内，电法仪测量电极A和电极B之间的电压，若电极A和电极B之间的电压不为零，电法仪
控制高压直流供电装置输出一个与电极A和电极B之间电压大小相等、方向相反的反向电
压，对地下地质体进行反向极化，使得电极A和电极B之间的电压逐渐减小直至为零；电法仪
控制四个电极移动一个电极间距，进入下一次测量，返回步骤S2。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施
例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替
换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。