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电场传感器是使用极为广泛的一类传感器，在诸多科学研究和工程技术领域具有重要意义。在地球物理领域，包括地面地球物理勘探和海洋地球物理观测，电场传感器均有着广泛应用。但当前在该领域应用的电化学式电场传感器有着些许不足，如对电极接触阻抗有着严格要求，为降低接地阻抗需外加电解质溶液;电极电位与电解质浓度相关，电解质浓度的变化导致电极电位发生变化等。这些使电化学式电极在某些场景下的应用受限。 本文针对地球物理领域的应用需求，深入研究了新型电荷感应式电场传感器的工作原理、噪声形成机理和影响因素，建立了电性参数模型和噪声模型，以此为基础提出了新型电荷感应式电场传感器的设计方法，研制出分别适用于地面环境和海洋环境的电场传感器，在一定程度上弥补了传统电化学式电场传感器在地球物理领域应用上的不足。论文的主要工作和创新点如下: 1)系统地研究了地面电场传感器系统的工作原理，设计并研制了一种新型电荷感应式电场传感器，研究了外场数据的预处理方法。具体包括: a)研究了地面电场传感器系统的工作原理，建立了电场传感器系统的通用等效电路模型，从理论上证明了在满足一定条件下新型电荷感应式电场传感器具有和电化学式传感器相同的测量效果; b)设计了新型电荷感应式电场传感器的前置检测电路，提出了在检测电路中采用电容中和技术以降低分布电容和放大器输入电容的方法，降低耦合电容变化对传感器频率响应的影响; c)根据传感器的等效电路模型和前置检测电路，计算了新型电荷感应式电场传感器的频率响应函数，分析了不同参数对传感器性能的影响。同时通过仿真验证了电容中和技术对分布电容和放大器输入电容的抑制效果; d)设计和进行了新型电荷感应式电场传感器在实验室和外场的测试，验证了传感器在野外环境下的工作性能及电容中和技术在实际场景中的应用效果; e)分析了新型电荷感应式电场传感器输出信号所存在的电压漂移的特点，提出利用短时间段小间隔的二次多项式精确拟合电压漂移的变化趋势，再将拟合函数从输出信号中减去的方法，从而达到消除电压漂移的目的。 2)系统地研究了海洋电场传感器系统的工作原理和设计方法，设计并研制了一种新型低噪声电荷感应式海洋电极，进行了钽电极相关参数的测试。具体包括: a)建立了海洋电场传感器系统的通用等效电路模型，证明了在满足一定条件下电荷感应式电极具有和电化学式电极相同的测量结果; b)分析了海洋电场传感器的三大噪声源各自特点，建立了电场传感器的等效噪声模型，指出降低海洋电场传感器噪声的两种途径:选择较大交换电流密度的金属材料;选择较小交换电流密度、较高介电常数的半导体材料。前一种即传统电化学式电极所采用的方式，后一种则为新型电荷感应式海洋电极所采用的方式; c)分析了多种海洋电极材料的各自特点，提出使用具有良好化学稳定性、氧化物具有较高介电常数和较低交换电流密度的钽作为新型电荷感应式海洋电极的制作材料。测试了三种类型钽电极的氧化膜层参数，所选择的钽电极放置于海水溶液中时具有较高的双电层电容和较高的电荷转移阻抗; d)进行了钽电极相关参数的测试，包括交流阻抗谱、稳定性、频率响应和噪声等，测试表明钽电极具有和氯化银电极同量级的噪声水平。 3)系统地研究了低噪声斩波放大器的工作原理和噪声模型，设计并研制了低噪声斩波放大器(LNCA)。具体包括: a)分析了斩波技术的工作原理和斩波技术对频率响应、噪声性能的影响;分析了注入电荷的产生原因和影响，讨论了注入电荷的抑制策略和方法; b)分析了斩波放大器的噪声源，建立斩波放大器的等效噪声模型，给出LNCA等效输入电压噪声的计算方法。根据噪声计算式，给出低噪声斩波放大器的设计和优化方法; c)研制了低噪声斩波放大器LNCA，进行了LNCA的相关参数测试。测量结果表明，LNCA的输入电压噪声与计算式推导结果一致。LNCA可以有效地提高传感器整体的噪声性能。