超聲波傳感器諧振規律的實驗研究

王孟德，王 晶，曹新亮

（延安大學物理與電子信息學院，陜西延安716000）

超聲波傳感器諧振規律的實驗研究

王孟德，王 晶，曹新亮*

（延安大學物理與電子信息學院，陜西延安716000）

由于晶體超聲波諧振子泛音的存在，諧振頻率點并不唯一。而超聲波測量系統頻率的選擇至關重要。為確定用于流量測量的超聲波傳感器的諧振頻率，設計了實驗測試方案，即用函數信號發生器給發射傳感器輸入幅度相同、頻率不同的方波激勵信號，用示波器觀測接收傳感器輸出信號，記錄接收探頭隨頻率遞增時，幅度較大極值點所對應的頻率。然后，以數據擬合的方法尋求晶體超聲波諧振子各諧振頻率點分布的規律。實驗結果表明：根據這些幅度較大極值點尋求的諧振頻率點分布的擬合線，基本符合一般極值點對應頻率的分布規律，反過來證明了研究所得的該種傳感器諧振頻率點分布規律的正確性，這為流量測量中超聲波頻率設定提供依據。

超聲波；傳感器；諧振頻率

超聲波流量測量技術應用廣泛［1］，超聲波發射和接收探頭的頻率適合與否是決定測量系統性能的關鍵之一［2］。目前，超聲波探頭多種多樣，其中，典型的一類就是晶體超聲波諧振子，它是基于壓電效應原理的一種諧振器。由于晶體泛音的存在，超聲波探頭諧的振頻率點并不唯一，應用時需要將頻率設定在諧振頻率上以獲得最大的發射幅度和輸出幅度。許多現成超聲波傳感器諧振頻率的不唯一性，致使超聲波探頭諧振頻點不便標稱［3］，這就需要通過實驗測試來尋求晶體超聲波諧振子各諧振頻率點分布的規律，為流量測量中超聲波頻率的選擇提供依據。

1 實驗方案與測試

用函數信號發生器給超聲波傳感器A（發射探頭）施加以占空比為50％方波激勵信號，實現電磁振蕩（電信號）向機械振蕩（聲波）的轉換；聲波通過介質傳給同種型號超聲波傳感器B（接收探頭），實現機械振蕩（聲波）到電磁振蕩（電信號）的轉換。用雙蹤示波器兩個輸入通道分別觀測激勵信號和接收探頭產生的波形和幅值，實驗方案如圖1所示。保持激勵信號幅度不變（Vpp為12 V），改變頻率，觀察輸入、輸出波形的變化和經超聲波傳感器后接收到信號的幅值。

圖1 實驗測試方案

從觀測結果來看，方波信號經超聲波傳感器后變為正弦波，而且不同的頻率點上幅值一般不相同，如圖2所示。

圖2 實驗觀測過程圖

在方波幅度12 V保持不變的前提下，調節頻率由小逐漸變大，觀測發現在一定的頻段上出現一個極大值，這些極大值的幅度差別也較為懸殊，選取極大峰峰值幅度超過200 mV的幾組數據，記錄如表1。

表1 諧振頻率測試數據表

2 實驗數據分析

根據晶體振蕩器泛音分布的特點，多個諧振點之間的關系一般是關于某一確定頻率呈線性關系，如形式f＝f′＋f0N，經過對表1中實驗數據的進行線性擬合，得出此型號超聲波傳感器諧振點分布規律：

為了對這一規律進行驗證，任意取正整數N，使頻率值出現在1 MHz以內，由式（1）預估超聲波傳感器的理論諧振頻率點，然后調節函數發生器頻率出現在預估值附近，尋找出現幅度極大值所對應信號頻率，所得數據如表2。

實驗過程發現：諧振頻點附近一定跨度的頻率變化均引起接收到信號幅度的減小，多數頻率下用示波器無法分辨出幅度了，調節頻率連續增高時，會交替出現幅度的一系列極值點，但極值點大小各異，表2測量數據顯示各個諧振頻點所對應的幅度極值均在50 mV以上，盡管實測值和理論值有差別最大差值為0.39 KHz，這是由于超聲波傳感器在諧振時具有一定的相對帶寬所致。

表2 諧振頻率點理論與實測值對照表

為了便于整體把握數據的誤差，將表2中的數據轉化為如圖3曲線進行比較，可見，理論值與實測值還是吻合得很較好。

圖3 諧振頻率點理論與實測值對比曲線圖

3 研究結論

對照表2中的數據和圖3的直觀示意，并經主要誤差來源分析證明：實驗研究得到確定該型號超聲波傳感器的諧振頻率點規律具有科學性。對超聲波測量系統外圍電路匹配參數的設計提供了依據，也為其它未知諧振頻率的超聲波傳感器測試提供了實驗技術參考。

［1］高峰，鄭源明.超聲波傳感器測量聲速和距離實驗的研究［J］.傳感器與微系統，2009，28（11）：68－70.

［2］錢志龍，馬穎，雷暢，董建斌.一種直觀演示超聲波傳感器工作頻率的方法［J］.物理與工程，2013，23（2）：42－44.

［3］劉勇，張建國，張盛源.超聲波測量聲速實驗中諧振頻率的確定［J］.高等函授學報（自然科學版），2012，25（4）：75－77.

［責任編輯 賀小林］

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，陜西彬縣人，延安大學物理與電子信息學院學生。 *為通訊作者