用于煤层气抽放实验的超声波发生器设计与实现

论文摘要

煤层气（瓦斯）是一种在煤化作用过程中形成的、并赋存于煤层中的以甲烷为主的混合气体。由于我国煤田地质条件复杂,煤层的透气性低,煤层气的抽采率低,总抽采量少,至今还没有形成商业性开发和利用。提高煤层气的抽采率可以从改变煤层压力、渗透率、饱和程度等方面入手,而声震法煤层气抽放实验的目的是通过研究声场作用下煤层气的解吸、扩散和渗流特性,寻找提高煤层气抽放率的最佳声场。超声波发生器是声震法煤层气抽放实验装置的一个重要组成部分,为实验提供所必需的声场。论文以煤层气抽放实验的实际需求,针对煤层气抽放实验装置中的关键部分——超声波发生器进行研究设计,主要研究工作包括:首先给出了用于声震法煤层气抽放实验的超声波发生器的功能要求及其结构,该发生器主要由信号发生、功率放大与阻抗匹配和信号接收等几个模块组成;然后对宽频带信号发生模块进行了设计及实现。采用DDS芯片AD9835所设计的信号发生器具有0-10MHz的带宽, 0.0058Hz的频率分辨率,满足了实验20-100KHz信号频率的要求,且可通过人机交互实现频率的设置;接着进行了功率放大及阻抗匹配的设计,其中IRF540N所构成的D类功率放大器成功将信号放大到30w,为超声波换能器提供了有效的驱动电信号。最后设计了信号接收模块,其中采用MAX262所设计的带通滤波器可通过编程来改变其中心频率,滤波范围达到1Hz-140KHz,能够满足对换能器接收信号的滤波需求,为对换能器输入信号频率的调节及超声波能量衰减的检测提供了实现途径。论文所设计的超声波发生器基本满足功能需求,并成功应用于煤层气抽放实验中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 煤层气抽取技术
• 1.1.1 国外煤层气抽放技术现状
• 1.1.2 国内煤层气抽放技术现状
• 1.2 超声波与煤层气抽放
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.4 论文的研究意义
• 1.5 本章小结
• 2 超声波与煤层气抽放实验装置
• 2.1 超声波概念
• 2.1.1 超声波的类型
• 2.1.2 超声波的特点
• 2.1.3 超声波的能量和能流密度
• 2.2 煤层气抽放实验及实验装置
• 2.2.1 煤层气吸附、渗流特性分析
• 2.2.2 可控声震法促进煤层气解吸的机理
• 2.2.3 实验装置结构
• 2.2.4 实验对超声场的要求
• 2.2.5 换能器的选择
• 2.2.6 超声波发生器的功能和特点要求
• 2.3 本章小结
• 3 超声波发生器设计与实现
• 3.1 超声波发生器结构
• 3.2 系统工作原理
• 3.3 信号发生电路设计
• 3.3.1 DDS 技术及原理
• 3.3.2 DDS 芯片AD9835 简介
• 3.3.3 AD9835 寄存器地址以及控制命令
• 3.3.4 AD9835 外围电路及频率控制设置
• 3.4 滤波电路
• 3.4.1 滤波器选择
• 3.4.2 椭圆滤波器设计
• 3.5 功率放大
• 3.5.1 功率放大器的选择
• 3.5.2 正弦波-方波变换
• 3.5.3 功率放大器的设计
• 3.6 阻抗匹配
• 3.6.1 阻抗匹配原理
• 3.6.2 换能器阻抗特性分析
• 3.6.3 阻抗变换设计
• 3.6.4 调谐设计
• 3.7 信号接收模块设计
• 3.7.1 接收模块结构设计
• 3.7.2 放大电路的设计
• 3.7.3 可自动调节带通滤波器设计
• 3.7.4 电压转换设计
• 3.8 人机交互电路设计
• 3.8.1 键盘输入电路
• 3.8.2 液晶显示电路
• 3.9 电路抗干扰措施
• 3.9.1 电源去耦
• 3.9.2 接地处理
• 3.9.3 空置输入引脚处理
• 3.10 本章小结
• 4 电路测试及结果分析
• 4.1 超声波发生器各环节的测试
• 4.1.1 DDS 产生信号的测试
• 4.1.2 信号发生器与匹配电路连接调试
• 4.1.3 接收电路的测试
• 4.2 超声波发生器电路实物
• 4.3 超声波发生器在实验中的应用
• 4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录