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直流电法恒流激励源设计与实验研究

2020-12-09阅读(630)

直流电法恒流激励源设计与实验研究

论文摘要

水资源的匮乏直接影响了国民经济的发展和人民的生活水平。随着工业的发展和人口的增长,人们对水资源的需求越来越多,对水质的要求越来越高。传统寻找水源的方法,其效率和准确度无法满足人们的实际需求,物探找水技术应运而生,为我国水文地质勘察工作提供了一条高效的找水途径。常见的物探找水方法有瞬变电磁法、地质雷达法、遥感技术、核磁共振法和电法等。电法以其环境适应性强、探测准确度高的优点,广泛应用于物探找水实践中。电法找水的原理是利用激励源向大地施加持续稳定的电场,通过测量地表的电场分布情况,判断所探测区域是否含有地下水。如果用恒压源作为激励源,当大地的电阻过大时,电流可能很小,无法保证探测效果。而使用恒流源作为激励源,输出到大地的电流大小恒定,此时激发的电场是稳定的,可以使探测结果的准确度更高。由于普通恒流源的功能无法满足直流电法探测的特殊需求,因此本文依据直流电法探测系统的需要,设计了一款直流电法恒流激励源。直流电法探测系统由主机、直流恒流激励源、工控机组成。工控机发送控制信号到主机,通过主机控制恒流源输出激励电流。本文研制的直流电法恒流源,以STM32微控制器为核心,采集电路的各个参数并控制电路工作,设计了由精密运算放大器与场效应管组成的负反馈电路实现恒流输出。当负载电阻较小时,为了避免调整管功耗过大,设计了低功耗调整单元。利用STM32控制开关电源的电压输出大小,将调整管的压降限制在5～10V之间,从而减小了调整管的功耗。为了防止电流超调,编写了信号转换程序,利用STM32微控制器将阶跃函数形式的控制信号转换成斜坡函数形式的控制信号,避免出现超调现象。在实际探测中,由于供电电缆较长,使负载呈现感性特征,因此设计了感性负载补偿电路,消除了电感引起的电流误差。利用反馈电阻自动切换程序,提高了小电流情况下的反馈电压和电流精度。为了减小电流波动,在程序中进行了抗干扰设计,减小了输出电流纹波。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  •   1.1 电法找水背景分析
  •   1.2 常规找水方法介绍
  •   1.3 直流电法恒流激励源的应用现状
  •   1.4 论文的各章节安排
  •   1.5 本章小结
  • 第2章 恒流激励源的总体架构
  •   2.1 恒流激励源总体方案设计
  •   2.2 恒流激励源的优势和重要性
  •     2.2.1 电法原理简介
  •     2.2.2 恒流源的必要性
  •   2.3 直流电法探测系统工作流程
  •   2.4 本章小结
  • 第3章 恒流激励源硬件电路设计
  •   3.1 恒流电路设计
  •     3.1.1 恒流电路实现方案
  •     3.1.2 运放与场效应管对恒流效果的影响
  •   3.2 电感负载补偿电路设计
  •   3.3 基于STM32的模拟电压采集电路
  •     3.3.1 低通滤波电路设计
  •     3.3.2 双路ADC采集电路
  •   3.4 DAC输出线性放大隔离电路设计
  •   3.5 反馈电阻自动切换电路设计
  •     3.5.1 反馈电阻自动切换电路设计
  •     3.5.2 继电器驱动控制电路
  •   3.6 单片机参考电压电路
  •   3.7 PCB布局与抗干扰设计
  •     3.7.1 PCB元件总体布局设计
  •     3.7.2 模拟地与数字地的处理
  •   3.8 本章小结
  • 第4章 恒流源控制算法及软件设计
  •   4.1 程序总体构成
  •   4.2 低功耗模糊控制调整策略
  •   4.3 电流上升曲线防超调设计
  •   4.4 数据采集程序
  •     4.4.1 DMA在ADC采集中的应用
  •     4.4.2 信号滤波算法
  •   4.5 低功耗控制策略的实现
  •   4.6 待机保护
  •   4.7 电阻反馈智能控制程序
  •   4.8 控制信号抗干扰程序
  •   4.9 程序异常处理
  •   4.10 本章小结
  • 第5章 恒流激励源实验及测试
  •   5.1 实验平台搭建
  •     5.1.1 实验平台组成
  •     5.1.2 实验步骤
  •   5.2 电流上升曲线实验
  •   5.3 电流精度测试
  •     5.3.1 恒流输出功能测试
  •     5.3.2 输出范围测试
  •     5.3.3 最小步进电流实验
  •   5.4 电流稳定性实验
  •   5.5 土壤供电实验
  •   5.6 本章小结
  • 第6章 总结与展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况
  • 学位论文评阅及答辩情况表

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 朱友峰

    导师: 曹玉强

    关键词: 地面找水,恒流源,电阻切换,电感补偿

    来源: 山东大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 地质学,地质学,地球物理学,地球物理学

    单位: 山东大学

    分类号: P641.7;P631.3

    总页数: 84

    文件大小: 5545K

    下载量: 73

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