“地下千里眼”——支农70—2型半导体电测仪

遵照伟大领袖毛主席“备战、备荒、为人民”的教导，我队于一九七○年试制成功用来寻找地下水源的支农70—2型半导体电测仪，对支援农田水利建设起了一定作用，被贫下中农亲切地誉为“地下千里眼”。

地下水有咸淡之分，只有淡水才能饮用和灌溉农田。打机井必须打在淡水层里。但是由于各地地质条件不同，给打井带来许多困难。例如华北平原地层上部有一层又苦又涩的咸水，打机井时必须打穿这层咸水后，才能取出下部的淡水，如图①甲井所示。咸水层厚度各地差别很大，常常由于不了解咸水层厚度，井打在咸水层里，成井后无法使用。如图①乙井的情况。

水在地下，怎样才能测出它的咸淡呢？咸水中含有较多的盐分，容易导电；而淡水相对来说导电性能差。也就是说，它们的电阻率不同。利用比较地层电阻率的方法，是可以区别地下水的咸淡的。但是因为上下地层互相有影响，通常只能测出地层的“视电阻率”ρs ——即把地层看作只有一层均匀土质时的电阻率。经实验确定，咸水层ρs＜12欧姆·米，一般为3—7欧姆·米；淡水层ρs≥12欧姆·米，一般为15—30欧姆·米。因此，只要测出地层视电阻率的大小，就能间接地判断地下水的咸淡。支农70—2型电测仪正是通过测量地层的视电阻率，寻找适于利用的地下水源的一种电探仪器。

测量地层视电阻率的方法是这样：在地面上打上四根电极，如图②中A、B．M、N向A、B电极供电，建立人工电场。然后测量供电电流I和M、N电极间的电位差△V\(_{MN}\)，根据公式ρs=K\(\frac{△V}{1}\)（K为电极装置系数）计算人工电场可作用到的那一地层的视电阻率。因为测量时上下地层互有影响，所以称为视电阻率，它和某一地层真正的电阻率ρ不同。实际测量时，要不断改变A、B间的距离，使电场进入地层的深度不同；AB越大，电场进入地层越深。这样就可以测出不同深度地层的视电阻率，画成电探曲线，再利用理论量板，便可计算出咸水层厚度、淡水层上界等开发地下水、合理设计机井深度所必需的数据了。在打井过程中，我们还要在井中测量。这是因为地层中含淡水沙层视电阻率高（20—40欧姆·米），粘土层、沙土层视电阻率低（5—12欧姆·米），而且含水沙层中还有扩散电场产生。通过测量视电阻率ρs、自然电位（扩散电位）△V两种参数，就容易确定沙层和粘土层的位置，达到指导下管成井的目的（见图③）。

如前所述，要了解各地层的视电阻率，必须正确地测出向A、B电极供电的电流I和M、N电极间的电位差△V\(_{MN}\)。为此，70—2型电测仪设计有测量和控制供电电流的“供电部分”，以及测量电位差及补偿MN电极极化等装置的测量部分。仪器方框图和电路图分别如图④和图⑨所示。

一、供电部分：原理电路如同⑤，由电池组E、电流调节电位器R\(_{1}\)和R2、多量程电流表及按钮式开关S\(_{1}\)组成。其中多量程电流表共分七档，从3毫安到3安，指示电表与测量部分合用，采用59C2或61C1型50微安表头。

为了减小电流表的温度附加误差，电路中接有串联温度补偿电阻R\(_{15}\)，使温度附加误差控制在每10℃1.5％以内。实际测量时，供电时间很短，为了迅速读出电流数值，要求表头处于临界阻尼状态。确定R15的大小时应考虑到这一点。同时，R\(_{15}\)还是电流表各档的总灵敏度调节器。

在井下测量时，调节供电电流I为电极装置系数K的n分之一，这样测量结果可免除计算直接成图（ρs=n△V\(_{MN}\)）。在地面电探时，要把R1、R\(_{2}\)短路，避免大电流供电时将其烧毁。

二、测量部分:这一部分的主要任务是正确地测出A、B电极供电后在M、N电极间产生的电位差△V\(_{MN}\)。一般△VMN为毫伏数量级，且微安表输入阻抗较低，无法直接精确测出，必须先经放大后再推动表头。因此，克服温度等因素对直流放大器特性的影响，便成为提高测量精度的主要关键。70—2型电测仪的测量部分用差分放大器和校验电位电路来解决这个问题。为了补偿MN两端的自然电位，还设计有极化补偿器。

差分放大器 它是由两个参数相同的晶体管BG\(_{1}\)和BG2组成对称电路的直流放大器。简化电路见图⑥。

在电路参数对称，两管参数（主要是直流电流放大系数h\(_{FE}\)和共发射极基极——发射极直流电位VBE）相同的情况下，当温度变化时，两管集电极电流的变化相同，输出端不会产生由于温度变化引起的输出。所以，差分放大器可大大减小由于温度变化引起的零点漂移。

但实际上，两管的参数不可能完全一致。因此电路中有调零\(_{1}\)电位器R7，用来调节两管工作点，使在某一温度下达到平衡。R\(_{14}\)是为了克服两管的某些不对称性，提高放大器的稳定性而设置的。从这一点出发考虑，R14大一些好；但R\(_{14}\)太大，其上直流压降也要大大增加，相当于减小了直流电源的电压。在要求较高的场合，R14可改为晶体管恒流源。R\(_{1}\)0、R11为电压负反馈电阻，也用来增加放大器的稳定性。

为了抑制外界交流干扰，电路中有C\(_{8}\)、C7两个电容。当交流干扰信号输入放大器时，经放大后从集电极经电容反馈到输入端，便减小了干扰信号的影响。C\(_{8}\)、C7对直流无反馈作用，不影响直流放大作用。在仪器输入端还有一个π型滤波器（见图⑨），当交流干扰十分严重时，可将其接入，增加抗干扰能力。

实际电路（图⑨）中，晶体管采用线性组件BG304，BG304由两对性能一致的四个硅管组成，每两个硅管接成复合管。这样使仪器的放大倍数、稳定性、输入阻抗和线性都大大提高。在没有BG304时，也可采用其它型号的硅管，如3DG4、3DG6、3DG11等，但要求管子参数尽量相同，而且要把它们用紫铜皮裹在一起，保持等温，以改善仪器的稳定性。

放大器的偏置电路是对称供给的。偏压大小由校正电位器R\(_{8}\)调节（图⑨），使放大器总集电极电流在4.5毫安左右即可。因为差分放大器两边晶体管不可能完全一致，特别是VBE在不同温度时可能不一致。仪器中还设有调零\(_{2}\)电位器R6。调节R\(_{5}\)可改变两边晶体管的VBE，使它们在某一温度时一致。这样可减少改变量程时指示电表的零点漂移。

上述放大器是一个输入10毫伏使表头满度的放大电路。为了测量不同大小电位差的需要，仪器设有电位差量程衰减器，将被测电位差经过衰减后再输入放大器。量程共分五档，0—10毫伏，0—30毫伏，0—100毫伏，0—300毫伏，0—1000毫伏。电表分度与电流测量适应，10毫伏、100毫伏、1000毫伏档用0—100分度，30毫伏、300毫伏档用0—30分度。

校验10毫伏电位电路 差分放大器虽采取了负反馈措施，但温度对它的放大倍数尚有一些影响，温度系数约为每10℃2%。为了提高测量精度，仪器内附有校验10毫伏电位电路，它由锌汞电池、标准电阻R\(_{16}\)和热敏电阻组成，简化电路见图⑦。锌汞电池电压较稳定，但稍有一点正温度系数，所以只要选择适当正温度系数的热敏电阻，就可使回路电流不随温度变化。这里热敏电阻由铜丝电阻和锰钢电阻组成（阻值分别为300欧和2330欧）。回路电流在很宽的温度内（－10℃—40℃）保持0.5毫安，在20欧标准电阻上可得到稳定的10毫伏电位差，精度为±1％。

校验方法如下：仪器使用前，先将校验电位差输入放大器，如电表指示不是10毫伏，可调节串在电表回路中的电位器R\(_{9}\)使电表正好指在10毫伏位置。这样，放大器放大倍数虽然随温度稍有变化，也不会影响测量精度。

极化补偿器 由于电极极化和大地电流等的影响，在A、B电极还未供电时，M、N电极间就会有电位差产生。这一电位差称为自然电位。自然电位是我们在地面测量时不希望有的，测量前必须消除掉。仪器中有补偿这一自然电位的极化补偿器，简化电路如图⑧所示。它是一个低内阻电桥。当a、b端分别处于电位器R\(_{3}\)、R4的中点时，电桥平衡，无输出。当R\(_{4}\)触点向左右移动时，电桥失去平衡，a、b间将有电位差输出，a点向右移动输出为正，向左移动输出为负。同理，当R3触点左右移动时也能输出正或负的电值差。但上下桥路电位器阻值和流过的电流不同，所以输出的电位差大小也不同。上桥路电流较小为中调，下桥路电流较大为粗调，电位器R\(_{5}\)可微调上桥路电流，叫做细调。调节R3、R\(_{4}\)、R5可连续输出±500毫伏的电位差。极化补偿器和M、N电极串接在差分放大器输入端，供补偿自然电位用。

调整仪器

1．将K\(_{2}\)拨在“校正”位置，调节校正电位器B8，使表针指在红线上（红线位置指示出厂时定的放大器最佳工作电流，约为4.5毫安）。

2．将K\(_{2}\)拨在“调零”位置，K4拨在“10毫伏”位置，调节调零\(_{1}\)电位器R7使电表指零。再将K\(_{2}\)拨在“△V”位置，调节调零2电位器R\(_{6}\)使电表指零（滤波开关必须指在“关”）。

3．上述步骤互相有影响，故应重复数次，使K\(_{2}\)拨在“调零”及“△V”时，电表均指零。

4．将K\(_{2}\)拨在“△V”位置，K3拨在“10毫伏”位置，这时10毫伏校验电位输入放大器，电表应准确指示10毫伏，若大于或小于10毫伏，应调节电位器R\(_{9}\)。

测量

1．按图②连接仪器和电极。电极A、B间的距离，应使\(\frac{1}{2}\)AB在双对数座标纸上分布均匀，一般1;2AB可选择3、6、9、15、25、45、65、100、150、225、325、500……米MN一般取为\(\frac{1}{3}\)AB。工作时由近向远逐次测量。A、B电极用φ10毫米以上铁棒，M、N电极用φ20毫米铜管。电池用探矿专用的72型电池几块串联，AB较小时，也可用几块45伏乙电池串联。

2.将K\(_{4}\)拨在适当量程上，K2拔在“△V”。这时虽然S\(_{1}\)未按下，AB间没有供电，但因MN电极间有自然电位，故电表也偏转。将K3拨向补\(_{1}\)（或补2），调节极化补偿器R\(_{3}\)、R4和R\(_{5}\)（粗、中、细调），使电表指零。

3．按下S\(_{1}\)，电源向A、B供电，电表指示MN间的电位差△VMN（S\(_{4}\)应放在“电法”位置）。

4．将K\(_{2}\)拨在“1”位置，K1放在适当测程，按下S\(_{1}\)，电表指示供电电流I。

5．将△VMN和I值代入公式

6．将不同\(\frac{1}{2}\)AB时的ρs值绘在双对数座标纸上（1;2AB为横座标，ρs为纵座标）连接各点即成电测深曲线，如图⑩所示。

分析结果

根据测得的电测深曲线，在测量现场就可以对测点的地下情况有一个轮廓了解。例如，从图⑩看，\(\frac{1}{2}\)AB较小时视电阻率ρs较高；随着1;2AB的增加ρs有所下降；但\(\frac{1}{2}\)AB较大时，ρs又升高了。根据本文第一节的分析，我们可以得出如下结论：地层浅部是淡水层，中部地下水含盐量较高，而深部又是淡水层。为进一步了解咸水层的深度等数据，应将所测曲线与电测深理论量板比较。图⑩下部是量板解释结果：15米以上为浅层淡水，电阻率ρ=45.5欧姆·米；15米至88米为咸水层，ρ=7.33欧姆·米；88米以下为深层淡水，ρ=21.5欧姆·米。有了上述电测结果，打井时就胸中有数了。因为如打浅井，不能超过15米，所以在这种地区最好打深井，将88米以上封闭，利用88米以下的深层淡水。

在井打到一定深度或终孔后，还可以利用70—2型电测仪进行井下测量，一般称为“测井”。“测井”时可做视电阻率和自然电位测量（井下自然电位主要是扩散电位）。测视电阻率时井下采用三个距离固定的电极A、M、N，地面为B电极。电极用电缆下入钻孔，由下往上测量。若在井下用一个M电极，地面用一个N电极。A、B电极不供电，测出的便是自然电位曲线。图③就是井下视电阻率和自然电位曲线绘在一起得到的。从图③可看出，含淡水沙层在视电阻率曲线和自然电位曲线上都有明显异常。根据曲线可精确地划分出含水沙层的深度和厚度，以及淡水和咸水的位置等。用这些测井资料指导井下施放滤水管，可大大提高成井质量。

70—2型电测仪是一种普及型找水仪器，适合于广大农村社队使用。它具有成本低，携带方便（整机体积为160×245×310毫米\(^{3}\)，重量为4.7公斤），操作方法简单等优点，并具有一定的精度（各测程误差不大于±2％），可满足一般电探找水的需要。仪器的缺点是：①如采用分立元件，晶体管选择不当时，零点漂移稍大。②输入阻抗还不够高，在沙丘或山区接地电阻较大的情况下将引起测量误差。③仪器面板上调节部件较多。

（照片说明：河北省安次县机井队职工正在利用70—2型半导体电测仪进行地面“电法”测量）（河北省地质局物探大队）