超声波测深仪校准

1. 目的

本文件规定了超声波测深仪的校准流程与技术指标，旨在修正声波传播时间与水深转换过程中的系统误差，确保水下地形测量、水文测验及航运监测中获取的深度数据准确可靠。

2. 适用范围

适用于采用脉冲回波法原理的单波束超声波测深仪。适用于江河、湖泊、水库、港口及实验室水槽等环境的深度测量。不适用于多波束测深系统、三维扫描声呐及激光测深设备的校准。

3. 引用标准

JJG 714-2012《超声波测深仪检定规程》

GB/T 27992-2011《水深测量仪器 第1部分：水文测深仪》

IEC 61557-13:2019《Electrical safety in low voltage distribution systems up to 1000 V AC and 1500 V DC — Part 13: Hand-held ultrasonic water-depth measuring instruments》

4. 校准条件

4.1 实验室校准条件

环境温度：15℃～30℃

相对湿度：≤85% RH

供电电压：额定值±5%

水槽长度：不小于10 m，水深可调范围0.5 m～10 m。

水槽壁面平整，底面反射特性稳定，无明显淤积。

4.2 现场校准条件

天气：风力小于4级，水面浪高不大于0.2 m。

水体：透明度良好，含沙量低于5 kg/m³。

流速：不大于2 m/s，避免强紊流干扰声波传播路径。

4.3 标准器与设备

标准钢卷尺：量程30 m，示值误差≤±1.0 mm。

标准液位计：准确度等级不低于0.1级，用于监测水槽基准水深。

高精度声速仪：测量范围1300 m/s～1700 m/s，分辨率0.1 m/s。

水温计：测量范围0℃～50℃，分度值0.1℃。

干湿温度计：用于测量空气温度与湿度，辅助修正声速。

5. 校准前准备

外观检查：检查换能器表面是否清洁、无划痕或气泡附着；电缆接头密封完好。

通电检查：开机预热15分钟，检查仪器自检功能正常，显示面板无乱码。

声速测定：使用标准声速仪在现场水体中测量实际声速，记录水温、盐度（若为咸水）。

零点校正：将换能器悬空正对平整硬地面（无水体），调整仪器使测量值为零，消除换能器到水面之间的盲区误差。

安装固定：将换能器刚性固定于支架，确保发射面与水面垂直，偏差不大于1°。

6. 校准项目与方法

6.1 实验室校准（标准水深法）

布点：在水槽有效量程内选取不少于6个校准点（例如：0.5 m、1.0 m、2.0 m、5.0 m、8.0 m、10.0 m）。

基准建立：使用标准钢卷尺测量水槽底面至水面的实际距离，作为标准水深  H s 。测量时，卷尺铅垂，读数估读至0.5 mm。

数据采集：将换能器置于水面固定位置，待读数稳定后，记录仪器显示值  H m 。每个点连续读取10次，取算术平均值。

声速输入：将实测的声速值手动输入仪器，关闭自动声速跟踪功能（若支持），以消除声速参数带来的误差。

6.2 现场校准（比测法）

测点选择：选取水流平稳、河底平坦、无乱石堆积的断面。

同步测量：在测船上同时使用已检定的标准测深杆或悬挂式铅鱼重锤进行人工测深。

数据记录：在同一测点位置，同步记录超声波测深仪读数  H m 和标准器具读数  H s 。

多点比对：沿断面横向分布至少5个测点，覆盖浅水区、中水区和深水区。

吃水改正：若使用测船，需测量并记录船体吃水深度，对超声波测深仪的读数进行吃水修正。

6.3 换能器安装倾斜影响检查

在某一固定水深点，人为改变换能器安装角度（如偏离垂直方向2°、5°、10°）。

记录各角度下的深度示值变化。

验证仪器内置的倾斜补偿算法（若有）的有效性，或确定允许的最大安装倾斜角。

6.4 盲区与饱和区检查

盲区：逐渐减小水深，记录仪器能稳定显示的最小深度值，该值应小于仪器标称盲区。

饱和区：逐渐增大水深，记录仪器超量程时的显示状态，检查是否出现过载锁定或错误代码。

7. 校准结果处理

示值误差计算：

ΔH =  H m  −  H s

δ H  =    H s    ΔH   ×  100%

式中， ΔH为示值绝对误差（m）， δ H 为示值相对误差（%）。

技术指标判定：

测量误差：应≤±0.5% FS（满量程）或±1.0 cm（取大者）。

重复性：各校准点的标准偏差应≤0.1% FS。

分辨率：仪器显示的最小变化量应符合标称值（如1 mm或1 cm）。

修正方法：若误差超限，可通过软件输入修正系数，或在后续数据处理中加入固定的偏移量  ΔH。

证书出具：出具校准证书，注明校准环境条件、声速值、各校准点数据、扩展不确定度及下次校准日期。

8. 复校周期

固定安装于在线监测平台的设备：复校间隔不超过12个月。

便携式手持设备：复校间隔不超过24个月。

若仪器更换换能器、经历剧烈撞击，或测量数据与历史数据出现系统性偏差时，应立即重新校准。

在含沙量极高或水温变化剧烈的水域长期使用后，建议缩短复校周期。

9. 注意事项

校准前必须彻底清除换能器表面的油污、气泡及附着物，否则会造成声波衰减和虚假回波。

测量过程中，换能器发射面必须完全浸入水中，且周围无气泡翻滚。

避免在有大量漂浮物、水生植物或船只频繁通行的区域进行校准。

雷雨天气严禁进行水上校准作业。

校准记录应包含现场水温、含盐度（估算）、浑浊度及水面波动情况的描述。