超声波传感器谐振规律的实验研究

王孟德，王 晶，曹新亮

（延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000）

超声波传感器谐振规律的实验研究

王孟德，王 晶，曹新亮*

（延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000）

由于晶体超声波谐振子泛音的存在，谐振频率点并不唯一。而超声波测量系统频率的选择至关重要。为确定用于流量测量的超声波传感器的谐振频率，设计了实验测试方案，即用函数信号发生器给发射传感器输入幅度相同、频率不同的方波激励信号，用示波器观测接收传感器输出信号，记录接收探头随频率递增时，幅度较大极值点所对应的频率。然后，以数据拟合的方法寻求晶体超声波谐振子各谐振频率点分布的规律。实验结果表明：根据这些幅度较大极值点寻求的谐振频率点分布的拟合线，基本符合一般极值点对应频率的分布规律，反过来证明了研究所得的该种传感器谐振频率点分布规律的正确性，这为流量测量中超声波频率设定提供依据。

超声波；传感器；谐振频率

超声波流量测量技术应用广泛［1］，超声波发射和接收探头的频率适合与否是决定测量系统性能的关键之一［2］。目前，超声波探头多种多样，其中，典型的一类就是晶体超声波谐振子，它是基于压电效应原理的一种谐振器。由于晶体泛音的存在，超声波探头谐的振频率点并不唯一，应用时需要将频率设定在谐振频率上以获得最大的发射幅度和输出幅度。许多现成超声波传感器谐振频率的不唯一性，致使超声波探头谐振频点不便标称［3］，这就需要通过实验测试来寻求晶体超声波谐振子各谐振频率点分布的规律，为流量测量中超声波频率的选择提供依据。

1 实验方案与测试

用函数信号发生器给超声波传感器A（发射探头）施加以占空比为50％方波激励信号，实现电磁振荡（电信号）向机械振荡（声波）的转换；声波通过介质传给同种型号超声波传感器B（接收探头），实现机械振荡（声波）到电磁振荡（电信号）的转换。用双踪示波器两个输入通道分别观测激励信号和接收探头产生的波形和幅值，实验方案如图1所示。保持激励信号幅度不变（Vpp为12 V），改变频率，观察输入、输出波形的变化和经超声波传感器后接收到信号的幅值。

图1 实验测试方案

从观测结果来看，方波信号经超声波传感器后变为正弦波，而且不同的频率点上幅值一般不相同，如图2所示。

图2 实验观测过程图

在方波幅度12 V保持不变的前提下，调节频率由小逐渐变大，观测发现在一定的频段上出现一个极大值，这些极大值的幅度差别也较为悬殊，选取极大峰峰值幅度超过200 mV的几组数据，记录如表1。

表1 谐振频率测试数据表

2 实验数据分析

根据晶体振荡器泛音分布的特点，多个谐振点之间的关系一般是关于某一确定频率呈线性关系，如形式f＝f′＋f0N，经过对表1中实验数据的进行线性拟合，得出此型号超声波传感器谐振点分布规律：

为了对这一规律进行验证，任意取正整数N，使频率值出现在1 MHz以内，由式（1）预估超声波传感器的理论谐振频率点，然后调节函数发生器频率出现在预估值附近，寻找出现幅度极大值所对应信号频率，所得数据如表2。

实验过程发现：谐振频点附近一定跨度的频率变化均引起接收到信号幅度的减小，多数频率下用示波器无法分辨出幅度了，调节频率连续增高时，会交替出现幅度的一系列极值点，但极值点大小各异，表2测量数据显示各个谐振频点所对应的幅度极值均在50 mV以上，尽管实测值和理论值有差别最大差值为0.39 KHz，这是由于超声波传感器在谐振时具有一定的相对带宽所致。

表2 谐振频率点理论与实测值对照表

为了便于整体把握数据的误差，将表2中的数据转化为如图3曲线进行比较，可见，理论值与实测值还是吻合得很较好。

图3 谐振频率点理论与实测值对比曲线图

3 研究结论

对照表2中的数据和图3的直观示意，并经主要误差来源分析证明：实验研究得到确定该型号超声波传感器的谐振频率点规律具有科学性。对超声波测量系统外围电路匹配参数的设计提供了依据，也为其它未知谐振频率的超声波传感器测试提供了实验技术参考。

［1］高峰，郑源明.超声波传感器测量声速和距离实验的研究［J］.传感器与微系统，2009，28（11）：68－70.

［2］钱志龙，马颖，雷畅，董建斌.一种直观演示超声波传感器工作频率的方法［J］.物理与工程，2013，23（2）：42－44.

［3］刘勇，张建国，张盛源.超声波测量声速实验中谐振频率的确定［J］.高等函授学报（自然科学版），2012，25（4）：75－77.

［责任编辑 贺小林］

Experimental Study for the Resonance Law of the Ultrasonic Sensor

WANG Meng-de，WANG JING，CAO Xin-liang*
（School of Physics and Electronics Information，Yanan University，Yanan 716000，China）

Because of the ultrasonic resonator overtone，the resonant frequency of ultrasonic sensor is not unique.It is critical for the ultrasonicmeasurement system frequency selection.To determine the resonant frequency of the ultrasonic sensor for flow measurement，a test program is designed，which are using function signal generator to input the same sensor amplitude and different frequency square wave，as the excitation signal，and using an oscilloscope to observe the receive－sensor output signal，then record the receiving probewith the frequency increasing，the larger amplitude in the extreme points corresponding frequency.Moreover，for seek the law of distribution about each crystal resonator resonant frequency by data fittingmethod.The experimental results showed that the fitted line asking these extrememagnitude larger resonant frequency distribution，in line with the general distribution of extreme points corresponding frequency，which in turn proves the Institutewas kind of sensor resonant frequency distribution rule is correctness，which provide the basis of settings ultrasonic frequency for flow measurement.

ultrasonic wave；sensor；resonant frequency

TB51.1

A

1004－602X（2014）03－0032－02

10.13876/J.cnki.ydnse.2014.03.032

2014-06-05

王孟德（1989—），男，陕西彬县人，延安大学物理与电子信息学院学生。 *为通讯作者