第09章超声波传感器

一介质中的波速c1与折射波在第二介质
中的波速c2之比，即 入 射 波
反 射波
sin c1 sin c2
介 质1 介 质2
′
o
折 射波
反射率、透射率
当超声波经过性质不同的介质交界面时，一部 分会反射，其余的会穿透过去。这种反射或穿透的
强度，由这两个交界介质的特性阻抗Z决定。
所谓特性阻抗即为介质的密度（ρ）与音速
于时间电机实际转速不等于设计转速而产生的测深误差称为回声测深仪 的时间电机转速误差。 ❖ 时间电机实际转速小于设计转速，测量水深小于实际水深；时间电机实 际转速大于设计转速时，测量水深大于实际水深。 ❖ 当发现存在时间电机转速误差时，可通过时间电机调速装置将时间电机 的转速调整为设计转速，时间电机转速误差就被消除了。
超声波发送器工作原理
超声波发送器工作原理
❖ 若在发送器的双晶振子（谐振频率为40kHz） 上施加40kHz的同频电压，压电陶瓷片a、b 就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于 是就发送40kHz频率的超声波。
❖ 超声波以疏密波形式传播，送给超声波接收 器就被其接收。
超声波接收器工作原理
❖ 超声波接收器是利用压电效应的原理，产生 一面为正极，另一面为负极的电压。若接收 到发送器发送的超声波，振子就以发送超声 波的频率进行振动，于是，就产生与超声波 频率相同的高频电压，当然这种电压非常小， 要用放大器进行放大。
1.137(δ － 35) ＋ … … 我国港口工程测量规范采用 ②威尔逊公式： C = 1449.2 ＋ 4.623t － 0.0546t2 ＋
1.391(δ － 35) ＋ … … 国际上比较普遍采用
海水中声波的标准声速
❖ 声波在海水中的标准设计声速： 1500ｍ／ｓ（1450~1550ｍ／s） ❖ 一般的船用水声仪器均采用标准声速。 ❖ 为了测量更精确，有些仪器设有温度和含盐
❖ 1）水中气泡(bubble)的影响 ❖ 当船舶倒车或处在风浪中时，船底换能器周围水层中存在大量气泡，吸
收换能器发射的超声波能量和海底反射回来的微弱的超声波回波。 ❖ 2）船舶倾斜（摇摆）的影响 ❖ 船舶倾斜或摇摆角度大于波束开角的一半时（/2），海底反射回
来的超声波回波，将不能到达接收换能器的接收面即接收不到回波信号， 测不到水深。回声测深仪发射超声波的波束开角一般为20 ～30。 ❖ 3）海底底质(undersea sediment)的影响 ❖ 光滑的岩石对超声波的反射效果最好，淤泥对超声的反射效果最差，碎 石、沙子对超声波的反射效果一般。 ❖ 4）海底地形的影响 ❖ 从回声测深原理可知，回声测深仪是测量船底到海底的水深，严格地说 应该是测量船底换能器位置到海底的水深，如果海底地形不平坦时，回 声测深仪显示的水深并不是整个船底的水深。当船舶处于浅水区时，应 充分注意这种影响，防止船舶搁浅。 ❖ 5）船底污物、杂草等的影响 ❖ 将使换能器发射的超声波能量被衰减而减小了测深能力，或直接将超声 波反射回到接收换能器被接收，使显示的水深不是海底水深而只是某一 水层的水深。
其它应用
探鱼器、声纳
回声测深仪
❖ 是应用超声波在水中传播时所具有的直线传 播、传播速度基本恒定以及反射性等物理特 性来测量水深。
❖ 1）在特殊情况下，可通过测量水深来辨认船 位；
❖ 2）在开辟新航区或浅水航行时，可用于导航， 以确保船舶航行安全；
❖ 3）在航道及港口测量方面，它可提供准确可 靠的水深资料。
回声测深误差及补偿
❖ 3）基线误差(base line error) ❖ 使用发射换能器与接收换能器分离的测深仪，换能器基线是不为零的，
由此而产生的测深误差称为测深仪的基线误差。 ❖ 当测量水深小于5m时，基线误差较大，应考虑其对测深精度的影响。
❖ 4）时间电机转速误差(speed of revolution error of timing-motor) ❖ 采用闪光式或记录式显示方式的回声测深仪，时间电机就是计时器件,由
T(pulse repetition period-PRP)，是决定回声测深仪最大 测深深度的因素之一，一般为0.3 s～0.6s。 ❖ 4）脉冲宽度（pulse duration，） ❖ 持续发射超声波脉冲的时间称为脉冲宽度。脉冲宽度越窄， 最小测深深度越小，但脉冲宽度越窄往往平均发射功率越小， 影响最大测深深度。 ❖ 近海船舶回声测深仪一般采用窄脉冲发射，其最小测深深度 和最大测深深度都较小。 ❖ 远洋船舶回声测深仪一般采用较宽脉冲发射，其最小测深深 度和最大测深深度都较大。 ❖ 5）工作频率(operating frequency) ❖ 超声波的低频段频率即20KHz ～60KHz，最大为200KHz。 ❖ 6）发射功率(transmitting power) ❖ 是决定最大测深深度的因素之一，一般为几十瓦至几百瓦。
个相邻质点间的距离。 ④声波的传播速度C：每秒钟声波传播的距
离。C = λ∙f
声波的频率界限图
❖ 频率在l6Hz～2×104Hz之间，能为人耳所听到 的机械波，称为声波；
❖ 低于16Hz的机械波，称为次声波； ❖ 高于2×104Hz的机械波， 称为超声波，频率在
3×108Hz～3×1011Hz之间的波，称为微波。
回声测深仪指向性
•与发射平面相垂直声能最集中的声波方向。 •回声测深仪发射的波束是一个圆锥形； •波束的开角称为换能器的指向角。 •与声波波长和换能器发射面的几何尺寸有关。一般30°左右， 通常用半扩散角来表示。
回声测深误差及补偿
❖ 1）声速误差(acoustic velocity error) ❖ 实际声速与设计声速不相等。实际声速大于设计声速，测量水深小于实
际水深；实际声速小于设计声速，测量水深大于实际水深。设置“温度 补偿”、“盐分补偿”、“水深补偿”，来消除声速误差。
❖ 2）零点误差(zero point error) ❖ 有的回声测深仪显示水深时，若显示的发射零点标志不在水深刻度零点
的位置上，使读取的水深数据存在误差。是一种固定误差。通过零点调 整装置将显示的发射零点标志调整到水深刻度的零点上，零点误差就被 消除。
超声波传感器工作原理示意图
电致伸缩式超声波传感器
超声波流量传感器
❖ 如果在流体中设置两个超声波传感器，它们
既可以发射超声波又可以接收超声波，一个 装在上游，一个装在下游，其距离为L。如设 顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播 时间为t2，流体静止时的超声波传播速度为c， 流体流动速度为v，则
❖ hmax ≤750T ❖ 2）最小测深深度（minimum detectable
depth ,hmin） ❖ 由发射脉冲的宽度决定。 ❖ hmin 750
回声测深仪的主要技术指标
❖ 3）脉冲重复频率（pulse repetition frequency-PRF，F） ❖ 每秒钟发射脉冲的个数，它的倒数称为脉冲重复周期
❖ 接收系统将来自接收换能器的回波信号放大处理后 送到显示器；
❖ 显示器的计时装置计算超声波脉冲的传播时间t并转 换为水深h，以一定的方式显示；
❖ 电源系统供给各部分所需要的工作电源。
回声测深仪的主要技术指标
❖ 1）最大测深深度（maximum detectable depth ,hmax）
❖ 由发射功率和发射脉冲的重复周期T决定，在发射功 率足够大的情况下，由脉冲重复周期T所决定。同时， 还必须考虑工作频率和发射功率的关系。
超声波传感器工作原理
❖ 超声波传感器由发送器和接收器两部分组成， 但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波 的双重作用，即为可逆元件。
❖ 专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用 作接收超声波；兼用型就是发送器（接收器） 既可发送超声波（接收超声波），又可接收超 声波（发送超声波）。市售超声波传感器的谐 振频率（中心频率）为23kHz，40kHz，75kHz， 200kHz，400kHz等。
（c）的乘积。假设现在将超声波垂直地射入固有
特性阻抗不同的交界面时，则音波的反射率γ可用
下式表示：
Z2 Z2
Z1 Z1
超声波的反射与透射
由上式可知两种介质的特性阻抗差越大，反射率也 就越大。超声波射入交界面除了部分反射外，其余的全部
穿透过去，而超声波的穿透率T可以用下式表示：
T
1
2
1
Z2 Z2
声波的物理特性
❖ ⑤声波的种类：
纵波、横波、表面波
声波传播的特点
❖①在水中为纵波；直线传播； ❖②同一介质中速度恒定，不同介质
速度不同； ❖③会产生反射、折射、散射和绕射
等物理现象； ❖④有传播损耗（扩散和衰减损耗，
包括扩散、吸收和散射等）。
反射、折射
❖ 当波在界面处产生折射时，入射角的正
弦与折射角的正弦之比等于入射波在第
t1
c
L
v
t2
c
L
v
超声波流量传感器
t
t2
t1

t1
c
cos v sin
D
t2
c
cos v sin
超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，尤其适合测 量高粘度的流体的流量。
超声波流量传感器
物位、料位
测速、B超
无损探伤
超声测距、测厚度
影响声波在海水中传播的因素
❖ 海水的介质密度ρ和弹性E并不是一个常数， 它是随温度T、含盐量δ和静压力的不同而变 化的，其中以温度的影响最为显著。
温度
1℃
平
均
增
含盐量 加
1‰
声 速
增
静压力
1×104 Pa 加
3.3 m/s 1.5 m/s 3.3 m/s
海水中声速经验公式
①乌德公式： C = 1450 ＋ 4.206t － 0.0366t2 ＋