超声振动测量
声速的测量(超声)实验报告
声速的测量（超声）一、实验目的：①用共振干涉法求超声声速；②用相位比较法求超声声速。
二、实验仪器：超声声速测量仪、信号发生器、数字频率计、同轴电缆、示波器、游标卡尺、压电陶瓷超声换能器。
三、实验原理：①声速的测量：利用公式νλ,测量声波的频率ν和波长λ去求声速v。
②声压驻波：已知两列频率、振幅和振动方向相同的平面简谐波，向相反的方向传播时，叠加的合成波就是驻波，在驻波场中质点振幅最大处为波腹，质点位移振幅近似为零处为波节，相邻波腹或波长的距离为半波长（λ/2）。
③声波波长的测量：接收器S2输出的信息有两部分：1、驻波的信息，其振幅随S2的移动而变化，在共振时，S1、S2的距离为l：，，，此时振幅较大。
2、类似行波的信息，S1、S2用的相位差，也随着S2的移动而变化，每移动λ/2，相位差改变Π（即180°）。
利用这两种信息均可测量声波波长λ。
（1）共振干涉法；（2）相位比较法。
四、实验方法：①用共振干涉法测声速：示波器的X端用内部扫描，调内部扫描与S2的信息同步，示波器上显示的是S2的交流信号按时间展开的图形，移动S2示波器上图形有时很大，有时很小。
在S2移动范围内，仔细测多个出现极大值时S2的位置l1、l2、……、l n，用逐差法求出λ，再求声速v。
②用相位比较法测声速：示波器的X端用内部扫描，调内部扫描与S2的信息同步，移动S2示波器上的图形会从椭圆变换到一条直线，再从直线变换到一个反方向的椭圆，往复变换。
在S2移动范围内，仔细测多个出现直线时S2的位置l1、l2、……、l n，用逐差法求出λ，再求声速v。
③记录实验室的实温t。
④用当前实温和公式求出声速，与以上两种方法求出的声速进行比较，分析。
五、数据处理：温度：34℃频率：37500Hz共振干涉法（单位：mm）：218.98 213.58 209.20 204.56 199.62 194.92 190.64 185.72 180.62176.52相位比较法（单位：mm）：174.60 169.60 164.80 160.68 155.90 151.22 146.28 141.58 136.68131.70共振干涉法：λ相位比较法：λ六、小结（误差分析）：通过共振干涉法算出的超声声速为350.560 m/s，通过相位比较法算出的超声声速为354.360 m/s，通过公式求出的应得声速为351.474 m/s。
超声波测距系统的概述
超声波测距系统的概述从技术上看，超声波测距系统在上个世纪70年代已经实用化，从70 年代末期开始广泛应用于生产领域。
于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在工农业生产上到了广泛的应用。
2 课题研究背景与意义2.1 课题研究背景超声波是指频率在20kHz 以上的声波，它属于机械波的范畴。
近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。
随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。
超声波是指频率在20kHz 以上的声波，它属于机械波的范畴。
超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。
正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。
随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。
一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。
2.2 课题研究意义由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。
因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。
可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。
因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。
超声波声速测量实验中的误差分析
误差理论与数据处理研究性教学课程名称：误差理论与数据处理设计题目：超声波声速测量的误差分析院系：机械与电子控制工程学院班级：测控1103班设计者：晏雯秀（11222086）赵璐（11222079）郑海冰（11222081）朱崇巧（11222084）周杏芳（11222083）指导教师：孙艳华超声波声速测量的误差分析摘要 : 针对学生在超声波声速测量实验中存在的测量数据误差的问题 , 分析了实验中各种可能的误差来源 , 同时也指出了减小误差的相应措施 , 使学生对该实验的误差来源更清楚。
关键词 : 超声波 ; 谐振频率 ; 共振干涉频率 ; 误差声波是在弹性媒质中传播的一种机械波。
对声波特性如频率、声速、波长、声压衰减等的测量是声学应用技术中的主要内容之一。
在物理实验中 ,进行声速测量一般采用的是频率大于 20 kHz以上的超声波。
由于其频率高、波长短 , 所以超声波具有定向好、功率大、穿透力强、信息携带量大、能引起空化作用以及引起许多特殊效应 (如凝聚效应和分离效应 ) 的优点。
在工业、农业、国防、生物医学和科学研究等各个领域存着广泛的应用 ,如超声无损检测、超声波测距和定位、测量气体温度瞬间变化、测液体流速、测材料弹性模量等等。
对声速进行测量 , 在声波定位、探伤、测距等应用中具有重要意义。
超声波声速的测量方法一般有共振干涉法和相位比较法两种 , 本文主要对共振干涉法中的实验误差作简要分析。
一、共振干涉法原理超声波声速的测量公式是v = fλ, 其中 , f为超声波频率 , 等于发射换能器的谐振频率 , 可由频率计直接读出; λ 为本实验所要测量的量 , 为超声波波长。
基本原理是利用频率计输入电压的激发 ,通过逆压电效应 , 使压电陶瓷片处在共振状态 , 使陶瓷体产生机械简谐振动 , 从而发射出简谐超声波。
超声波在空气中传播遇到接收换能器反射面发生反射 , 反射波与入射波叠加形成驻波 , 利用接收换能器对超声波进行接收。
设备点检中需测量的重要参数
设备点检中需测量的重要参数目前，很多企业都在开展点检、巡检和状态检修方面的工作，点检的主要目的是完整采集、存储、整理、分析设备数据，确诊设备的健康状况，为状态检修提供有用资料。
对于大多数机械设备，主要应采集振动、温度、声学3个方面的重要数据。
1. 点检中的振动数据测量振动是机械设备运行中的重要数据，反映振动的基本参数主要有3个：振幅、相位、频率。
描述振幅有3个物理量：位移、速度、加速度。
为了有效反映机器设备的安危状态，对于工作性质、转速、结构不同的机器，理论上应采用不同的振动物理量描述，例如对于高频或带有较大冲击的机器用加速度描述较合理；相反，对于转速较低、无明显冲击的机器，应采用振动位移来描述。
但长期以来全部沿用振动位移描述机器设备振动的大小，主要有下列原因：(1)由于有些设备(如汽轮发电机组)动静间隙很小，为避免振动过大发生动静碰摩，采用振动位移限制振动较采用速度、加速度有效。
(2)支承动刚度一定时，振动位移是转子不平衡力的单值函数，因而采用位移作为转子平衡重量计算依据较采用速度有效。
(3)故障诊断经验证明，采用振动位移描述故障特征和现象，较采用振动速度容易和直观。
(4)由于测量振动的历史原因。
期的振动测量技术，测量位移较测量速度、加速度容易，因此对振动位移建立了明确的直观概念。
尽管目前测量振动速度较测量位移容易实现，但由于上述3个原因，在目前机组振动测量、故障诊断、振动状态评价中有时虽也有采用振动烈度(速度均方根值)，但没有振动位移使用得广泛。
因此对于点检仪来说，测量振动的位移必不可少，对于电厂复杂的机械设备，测量振动的速度、加速度也很有必要。
同时仪器必须有足够的频率响应范围，以满足不同转速机械使用，测量时振动数值一定要稳定。
振动频谱和相位在进行故障诊断时才具有实际意义，点检仪中相位测量和频谱分析一般没有必要。
点检仪的振动测量部分与点检仪器应整体校验，测量部分能全内置最好，有些厂家采用外配振动传感器到点检仪中，导致测量振动时传感器和点检仪测量功能不能同时校验，造成较大误差，因此，在选择点检仪时必须注意这个问题。
超声波声强测量的原理
超声波声强测量的原理
超声波声强测量的原理是利用超声波的传播和接收过程中的声强变化来进行测量。
具体原理如下：
1. 产生超声波：通过压电材料或磁致伸缩材料产生高频振动，从而产生超声波。
常用的超声波频率为1MHz至10MHz。
2. 超声波传播：超声波通过介质传播，在传播过程中会与介质中的杂质、缺陷或界面发生反射、散射和吸收。
3. 接收超声波：在声源发出的超声波传播到被测物体后，部分超声波会被目标物体吸收或反射回来。
接收器接收到反射或散射回来的超声波信号。
4. 检测信号：接收到的超声波信号通过放大、滤波等处理，然后转化为电信号进行处理。
5. 声强分析：通过对接收到的超声波信号进行声波分析，包括声波的幅度、波形、频率等信息。
6. 声强测量：根据声波信号的幅度，即声强的大小，来判断被测物体的特性，如材料的质量、缺陷的大小、位置等。
总结起来，超声波声强测量的原理是利用超声波的传播和接收过程中的声强变化来判断被测物体的特性。
实验四十超声波波速测量
实验四十 超 声 波 波 速 测 量声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。
对超声波（频率超过2×104Hz的声波）传播速度的测量在超声波测距、测量气体温度瞬间变化等方面具有重大意义。
超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。
因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。
例如，测量氯气（气体）、蔗糖（溶液）的浓度、氯丁橡胶乳液的密度以及输油管中不同油品的分界面等等，这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。
可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。
同时，通过液体中声速的测量，了解水下声纳技术应用的基本概念。
一 实 验 目 的（1）用共振干涉法和相位比较法测量声速。
（2）了解压电陶瓷换能器的功能。
（3）进一步熟悉示波器的使用。
（4）通过用时差法对多种介质的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。
二 实 验 原 理由波动理论得知，声波的传播速度v 与声波频率和波长f λ之间的关系为λf v =。
所以只要测出声波的频率和波长，就可以求出声速。
其中声波频率可由产生声波的电信号发生器的振荡频率读出，波长则可用共振法．．．和相位比较法．．．．．进行测量。
时差法可通过测量某一定间隔距离声音传播的时间来测量声波的传播速度。
1．压电陶瓷换能器本实验采用压电陶瓷换能器来实现声压．．和电压．．之间的转换。
它主要由压电陶瓷环片、轻金属铅（做成喇叭形状，增加辐射面积）和重金属（如铁）组成。
压电陶瓷片由多晶体结构的压电材料锆钛酸铅制成。
在压电陶瓷片的两个底面加上正弦交变电压，它就会按正弦规律发生纵向伸缩，从而发出超声波。
同样压电陶瓷可以在声压的作用下把声波信号转化为电信号。
压电陶瓷换能器在声—电转化过程中信号频率保持不变。
如图1所示，S 1作为声波发射器，它把电信号转化为声波信号向空间发射。
S 2是信号接收器，它把接收到的声波信号转化为电信号供观察。
其中S 1是固定的，而S 2可以左右移动。
超声波传播速度的测量
超声波传播速度的测量超声波传播速度的测量【教学⽬的】1.学习⽤驻波共振法和相位⽐较法测量超声波在空⽓中的传播速度。
2.了解压电换能器的功能。
3.学习⽤逐差法处理数据。
【教学重点】1. 掌握本实验的原理，熟悉各仪器的使⽤。
2. 能够运⽤驻波共振法和相位⽐较法准确的测出超声波在空⽓中的传播速度。
【教学难点】理解并掌握驻波共振法和相位⽐较法测量超声波在空⽓中的传播速度的原理及⽅法。
【课程讲授】提问：1. 本实验中的超声波是如何获得的？2. 如何利⽤驻波共振法和相位⽐较法测量超声波在空⽓中的传播速度？⼀、实验原理频率介于20Hz ～20kHz 的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz ～500MHz 的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，⽽超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采⽤的声波频率⼀般都在20KHz ～60kHz 之间。
在此频率范围内，采⽤压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。
根据声波各参量之间的关系可知f ?=λυ,其中υ为波速, λ为波长,f 为频率。
图1共振法测量声速实验装置在实验中,可以通过测定声波的波长λ和频率f 求声速。
声波的频率f 可以直接从低频信号发⽣器(信号源)上读出,⽽声波的波长λ则常⽤相位⽐较法(⾏波法)和共振⼲涉法(驻波法)来测量。
图2 相位⽐较法测量声速实验装置1.相位⽐较法实验装置接线如图2所⽰，置⽰波器功能于X －Y ⽅式。
当S1发出的平⾯超声波通过媒质到达接收器S2，合成振动⽅程为：22见图(a)0=?? (b)4π?=(c)2π?=? (d)43π?=? (e)π?=? 图3 合成振动长λ和频率f ，根据式f ?=λυ即可计算出声⾳传播的速度。
改变S1和S2之间的距离L ，相当于改变了发射波和接收波之间的相位差，荧光屏上的图形也随L 不断变化。
显然，当S1、S2之间距离改变半个波长2/λ=?L ，则??＝π。
超声波测距原理
声波简介声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。
根据振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。
1) 次声波：振动频率低于l6Hz的机械波。
2) 声波：振动频率在16—20KHz之间的机械波，在这个频率范围内能为人耳所闻。
3) 超声波：高于20KHz的机械波。
超声波测距的方法超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。
相位检测法虽然精度高，但检测范围有限; 声波幅值检测法易受反射波的影响。
超声波测距的基本原理超声波发生器在某一时刻发出超声波信号，遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收到。
只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间，知道在介质中的传播速度，就可以计算出距被测物体的距离：d=s/2=(vt)/2 （1）其中d为被测物到测距仪之间的距离，s为超声波往返通过的路程，v为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发射到接收所用的时间。
超声波在空气中的传播速度为340m/s，则d=s/2=(340t)/2超声波传感器的类别为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电器方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波，电器方式包括压电型，磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛，液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率，功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
压电式超声波传感器的原理目前，超声波传感器大致可以分为两类：一类是用电气方式产生的超声波，一类是用机械方式产生的超声波。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
在工程中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。
压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板。
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光学精密测量仪器综述
光学精密测量仪器综合了光学、机械、电子、自动控 制和软件多种专业，其技术内涵宽广，产品种类繁多， 应用领域广泛，是制造工业的支撑基础之一。光学精 密测量仪器具有快速、精确及非接触无损伤地测量多 种物理量的特点，近年获得了极大的发展和越来越广 泛的应用。
U=k(F+f)+L=k*f+L' 其中L,L‘为常数，电压通过高通滤波去处 直流分量得：
U=k*f=2kv/ λ ，则v=k'*U， 电压与振动速度成正比。
技术特点
采用先进的外差干涉技术 通过非接触式测量，对各种物体的
振动、速度及位移等进行测量 高空间分辨率 精巧的内部设计，坚实的外部防撞
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发展趋势：在线测量
随着人工成本的上升，生产的自动化，也包括检测的自动 化，成为必然。生产自动化正越来越多的依赖由高精度加 工系统和高精度测量仪器组合的集成加工系统来完成影像 测量机融合到生产自动化过程中，向在线测量系统发展成 为必然的趋势。
今天以舜宇仪器新加坡公司（SIS）研发生产的三维 全自动影像测量机和激光多普勒测振仪为例，介绍一 下现代光学精密测量技术与仪器的技术特点、应用案 例和发展趋势。
舜宇仪器新加坡公司简介
舜宇仪器新加坡公司（SIS）为一在新加坡注册的， 舜宇控股的，有独立法人地位的有限责任公司。
在三维光学测量与检测领域，特别是在亚毫米、微 米及纳米三维坐标测量领域，从事技术研究、产品 开发、生产、销售与服务。
Sample: Hard disk cover Step height approx 1.6mm
0.001132 1.5870 1.5835 0.0035 1.5847
Z-height Data 1.5839 1.5849 1.5844 1.5865 1.5839 1.5835 1.5870 1.5844 1.5849 1.5844
苏州舜新仪器有限公司是SIS的独资子公司
尺寸、形位测量仪器
光学投影仪 测量显微镜
影像测量机
振动、位移测量仪器
激光多普勒测振仪 三角法和共焦微位移计 激光测长尺
激光三角法微位移计
激光多普勒测振仪
MV-322 三维全自动影像测量机
产品分类
根据工作台驱动模式分类
手动坐标测量仪 自动坐标测量仪
设计，以及多种可以适用不同工业 领域的要求的光传感器 可以通过CCD镜头实时的观察检测 范围 多种配套振动分析软件 完整测量解决方案
Heigh
Surface Area
LINE WIDTH
应用举例：塑胶模具
塑胶材质柔软，一旦接 触很有可能改变其形状 ，三维影像测量机进行 非接触测量即可避免这 类问题。
SIZE HAIRLI NE
应用举例：台阶高度测量
Standard Deviation Max Min Range Average
CAD叠加（增强现实技术）
增强现实技术结合了虚拟现实技术和现实影像，通过导入被 测工件的CAD设计图并与实际被测工件配准，可以把CAD设 计图精确叠加在被测工件的实际影像上，使得测量人员可以 通过观察二者的匹配情况快速发现误差或异常情况。
影像测量机应用领域
应用举例：太阳能面板
测量和检测太阳能面板的长度、宽 度和高度，表面裂纹是近年来的新兴 需求。太阳能面板将吸收到的光能转 化为热能，吸收面积的大小直接影响 了热能的大小。MeasurE软件增加了 面积测量功能，可以精确的测量太阳 能面板受光面积，便于计算能量转换 效率。
测量与检测相融合
目前在线所用的
光学系统，是以统
称为机器视觉的检
测技术为主流。这
类光学检测系统一
般是非通用的，以
检查缺陷为主，几
PAR
何量测量为辅。影
T
像测量机若要发展
CAD
为在线测量系统，
也必然需要融入一
些检查功能。
多传感器综合测量
MEMS system
Optical Lenses on CNC system
测量原理
激光多普勒测振仪是基于光学干涉原理， 也就是光强分别是I1和I2的两个相干光束 相互重叠。其总光强不是简单的单独光强 的相加而是根据以下称之为干涉条件的公 式得出的 Itot = I1 + I2 + 2√(I1I2)cos[2π(r1– r2)/λ] 由于多普勒频移f=2v/λ ,即f与速度(v)成 正比变化。传感器获得的信号再经过频率 电压转化为电压信号U,由于该转化为线性 ，即：
度受被测工件重量和摆放位置影响小 采用了铸铝结构，大大减少了机器的重量。
测量软件
自动边缘检测 19种几何测量功能 自动批量测量 自动聚焦 自动光源控制 CAD 叠加（增强现实技术）
多传感器融合的测量软件设计。从体系结构上充分考虑了现代 光学测量仪器多传感器融合的特点，做到了从最底层对各种传 感器的兼容。其兼容了接触式测头的混合式测量机，做到了影 像测量和接触测量功能的高度统一。事实上，除了取点方式不 同，其它计算功能是完全通用的。
x
y
Surface roughness of solar cell or
融合包括距离测量和面型测量的m多icro种chi传p 感 器，发展成为多传感器综合测量系统是另 一个发展方向。
LV-S01激光多普勒测振仪
SIS研发生产的NanoVision 激光多普勒测振仪，采用了外差 式激光干涉原理，可以对各种物体的振动、速度及位移等 进行非接触测量。其LV-S01型激光多普勒测振仪，如图二 所示，具有测量精度高，抗干扰能力强，结构设计坚固紧 凑、易于使用等特点。