CN1006415B - 具有位置检测器的超声波传感器测头 - Google Patents

Abstract

提供一种超声波传感器测头，该测头通过曲柄轴来摆动传感器，以进行扇形扫描，曲柄轴是由带有可移动的永久磁铁组件的电动机来驱动，在该组件的套管中装有电磁线圈。电动机还移动双金属细杆，使其通过位置检测器线圈，因为传感器的位置是由检测线圈的电感变化显示出来的。

Description

本发明是关于用在超声波诊断图象的超声波传感器测头，特别是关于具有超声波位置检测器测头的驱动机构。

把超声波图象传感器测头设计得小、轻且易于操作（即在对病人的内部细胞组织产生实时显象时易于操作）。为了产生实时图象，超声波能量束必需迅速传送入疾人体内并用测头接收回波，以便迅速处理成适合显示的图象格式。一般却希望测头小，但图象应有比测头孔径大的宽视野，并且具有好的图象辨别能力。这些互相矛盾的要求可以通过在不同的方向发射多束超声波束，以产生所谓的扇形扫描来解决。一般，这样做有两种方法：一种是用具有元件线性阵列的传感器，以在不同的半径方向“控制”超声波束的移相关系来激励传感器。由于当接收回波信息时，也需要移相，因此，在每一个所选的传送方向内，所接收的信号将是一致的。但是，这种电子束控制技术，需要有在不同方向操纵波束和处理接收到的回波信息的许多复杂电子设备。第二种技术是关于通过弧形板机械地移动传感器，因此，要沿不同的半径方向传送和接收超声波能量。最好是，需要摆动传感器的机构、连接的驱动装置以及控制的电子设备都相当简单，而且比移相阵束控制系统的电子设备的价格便宜。

美国专利US-4215585和US-4433691分别公开了一个超声波传感器测头，它包括装有传输超声波介质的并有一个传声孔的壳体，传感器组件以及运动转换机构。

根据本发明的原理，用一个驱动机构来摆动用枢轴安装的传感器，此传感器通过一条给定的移动弧线摆动。这一机构包括一个连接到曲柄轴的线性电动机，而曲柄轴的另一端在一点与传感器组件连接，该 点偏移传感器枢轴的轴心线。直线电动机以往复运动方式移动曲柄轴，而曲柄轴又相应地使传感器绕着枢轴轴心线沿弧线摆动。

这种类型的直线电动机由两个基本部分构成：一是永久磁铁部分，另一件是电磁铁部分。用一个能产生变化电磁场的信号来激励电磁铁部分。于是由永久磁铁发出的磁场与变化着的电磁场相互作用，便在两部分之间产生了相对运动。

在超声波传感器测头内，最好是电动机的运动部分质量较小。移动一个小质量的电动机部分，只使测头内产生一个小的振动，这是所希望的，因此，当操作者握着测头靠着病人或病人身上移过时，就不会感到测头振动。在理论上，测头连一点振动也不应有。因为，根据普通的常识，永久磁铁一般都比电磁铁重，电磁铁应该是运动元件，而永久磁铁是固定不动的。这一基本观点已用美国专利4421118中的传感器测头电动机来举例说明了。

然而，普通常识却未充分考虑这样的事实：永久磁铁能产生十倍于同重量电磁铁所产生的磁力线。要设计一个在粘滞性液体中振动一个尺寸可观传感器的电动机，以获得上述关系的全部优点，就需要增加电磁铁线圈的匝数。由于电磁铁的磁力线少是与其重量有关，故电磁铁就变得相当大，电动机的尺寸就重增大，因此也增大了测头尺寸。

本发明的另一目标，是用电动机的永久磁铁部分作为摆动传感器的运动部分，用增加或减少电磁线圈匝数的方法来选择电动机传动功率的大小，因此得到了由永久磁铁产生相当多的磁力线的优点。增加线圈的匝数将增加电动机的直径，一般这是允许的，但是不希望增加它的长度，长度较短的电动机可使测头内能安装其它元件，如传感器组件、位置检测器和电气连接等而无需过分加长测头。而且，为了要在增大或减小功率而不致变其运动部分惯性的条件下来重新设计电动 机时，通常永久磁铁可以不变。而且，当电磁铁运动时，连接到它的驱动线路上的导线会受到反复的弯曲。这种反复受弯的导线超过规定使用时间时便会破裂，这就产生了可靠性问题。本发明却可避免在电磁铁运动的电动机中固有的这个问题。

摆动式传感器测头一个必不可少的特性，是在每次发送或接收超声波能量时需要知道传感器的角度位置。没有这种能力，带有定位回波信息的调整就不能实现，而且就不能形成位置精确的图象。本发明的另一方面是，当摆动传感器时，运动着的测头电动机的永久磁铁要移动通过线圈的金属细杆，通过线圈的金属细杆一运动就改变了线圈的感应系数，用位置检测器线路检测出这种变化，而且常常把放大了的位置信息用来产生超声波图象。在本发明所提出的实例中，细材是用两种金属制成的，细杆的一部分是用增强线圈感应系数的金属制成，而另一部分则是用减少线圈感应系数的金属制成。使用这种特性的细杆，会使感应系数的范围加大，这一范围比用单金属制成的细杆所得到的范围要宽得多。

在下图中：

图1示出了根据本发明的原理所制造的超声波传感器测头部分的横剖视图;

图2示出了图1中所示测头的传感器传动机构的主要零件的装配图;

图3示出了局部横剖视图和本发明电动机和控制机构的部分方框图。

首先看图1，它示出了根据本发明的原理制造的超声波传感器测头。测头元件是装在壳体10内，它可以用铝、甲醛聚合体、聚砜和 类似的材料制成。传声盖12装在壳体的端部。盖12用聚砜和其他能高效传送超声波的材料制成。当使用时，通过盖12用插在测头内液体中的超声波测头30来接收和发射超声波能量。传声盖12安装在壳体开口端的环形槽上，并用压缩带16把它压紧在那里，用压紧压盖12和壳体10之间的O形圈14来实现液密性好的密封。

传感器30是固定在传感器环32中。传感器环32又紧压在传感器套34中。这就允许在相同外部尺寸的传感器环内，装放不同性能的多种传感器。当用户订购指定的传感器测头时，所选择的传感器和传感器环的形式，都能压紧在具有所需的电气连接的传感器套内。然后，检查成品测头并发送到顾主手中。

传感器套34的两边上装有球轴承件，并有淬硬的钢轴销36穿在其中。不锈钢的曲柄销38压装在传感器套上，与轴销36平行。在本发明的具体装置中，曲柄销38离开轴销36有0.09英寸（约2.286毫米）的距离。这一距离是传感器振动角大小的决定因素之一。本装置的振动角为90°。可以算出，距离变化一英寸的千分之一时，振动角就改变1度。

曲柄轴40的一端以轴承的配合形式与曲柄销38相连，曲柄轴40的另一端也以轴承的配合形式与电动机的运动磁铁组件60相连。从传感器套34穿出的轴销36的两端是安装在支架杆44的孔中，此杆从支架的基板上伸出。轴销是用垂直安装在支架内的固定螺钉固定在支架杆的孔中。支架是用螺钉50和52固定在测头内的适当位置处，螺钉50和52通过支架上的通孔拧入膨胀衬套48的螺孔中，衬套48松松地套在电动机上。在支架的基板和形如卷线筒的膨胀衬套之间夹有弹性卡圈46，弹性卡圈装在壳体10的内环形槽中。这 种结构技术的更全面叙述是保存在叫做“超声波传感测头部件”的专利申请号    中。

电动机的上支承64是装在支架42基板内的槽中。下面的一个支承66是用振动装配弹簧74和套管76固定就位，套管76接触到玻璃密封18。密封套的内部18a是用玻璃制的，而且有多个电气连接插脚19穿过这一部分，传感器、电动机和位置检测器（未示出）的引线都接到这些插脚上。密封用的外圆周18b是用金属制的，还套有O形密封圈20。在测头的后部，O形密封圈形成了一个液密性好的密封，并且安装在液体舱中的电动机和传感器组件就到此为止。然后把液体舱的外部的插脚与连接器22连接起来。由于连接器22可以与电缆线一端的插头相配，因此，就可把所需的信号送入测头和从测头输出。

曲柄轴40通过支架42的中心孔和上支承64，与磁铁组件60相连。磁铁组件以往复运动的形式在支承64和66中滑动，64和66是用甲醛聚合体制成。压缩弹簧70和72是安装在磁铁组件的两端，当电动机不工作时，用70和72把磁铁组件定位在电动机的中间位置。在这一位置，传感器正好装成端面向前的位置，如图1所示。压缩弹簧70和72也帮助电动机转向，有利于磁铁组件60作往复运动。圆柱形磁铁组件60的外面套有筒形线圈组件62。位置检测器的细杆82拧在磁铁组件的下（右）端的螺孔中。当线圈62被激磁后，磁铁60就来回移动，即在图1中的水平方向移动。因此曲柄轴40也往复运移，传感器套和传感器就绕着轴销36摆动。同时，磁铁移动位置检测器的细杆82，使其通过构成下支承一部分的位置检测器的线圈架80。线圈是绕着线圈架80缠绕的（如图3 所示），位置灵敏器细杆82通过线圈运动，改变了与细杆位置和相应的传感器斜角方位有关的线圈感应系数。用感觉到的这一改变了的感应系数来建立传感器的瞬时位置。

参看图2，它示出了图1中测头传感器驱动机构主要元件的组装图。图的左端是传感器30。接于传感器背后的引线31通过测头的指定线路连接到测头液体舱后面接线脚19上。引线31通过传感器环32和传感器套34进入到支架42的孔槽43。槽43是与上部支承64的槽93、线圈组件62的槽63和下支承66的槽95对齐。从这里导线通过电动机下端的空间连接到接线脚19上。在线圈组件的槽63和传感器下支承的槽95中，同时有导线31和线圈组件62的导线162。

传感器30装在传感器环32的环形槽内。槽内涂有弹性的软橡皮材料涂层。传感器装在软橡皮上，基本上阻止了超声波传到传感器环上，还将测头内的混响和其人工图象减至最小。

传感器环32紧压入传感器套34中。在传感器套前面的圆周上每隔约20°开一槽，以便达到紧配合。轴销36横穿传感器套，在该处是以松转动的形式安装的，在该处标有数字90。曲柄销38可靠地压配在传感器套中。

轴销36的两端安装在支架42的两杆的孔中。在杆44的顶端可看见安装螺钉用的孔，用固定螺钉把轴销紧固在其位置上。

图2中还示出了上支承64和下支承66。在支承上较大直径部分的圆周上有许多通孔65和67。这些孔是用来排出在移动的磁铁两端支承内和电动机外部之间的液体。电动机是松松地装在膨胀衬套48之内，因此，在膨胀衬套48的内表面和支承的外表面以及线圈 组件62之间形成了一个充满液体的空间。当磁铁往复运动时，对电动机内的液体就起到了抽排作用。没有某种方法排出液体，电动机就可能遭受在电动机内的液体压力造成的咬合作用，而孔65和67能防止这种潜在的咬合作用。

支承上较小直径的伸出部分92和94，在其内部为移动磁铁组件60提供了支承面，伸出部分92和94与线圈组件62两端的内表面相配合。

装好的电动机及其控制线路的更详细横剖视图如图3所示。图中示出了电动机是用曲柄轴40连接到传感器套34上，而传感器套34绕着轴销36转动。在磁铁的顶端，曲柄轴40连接到黄铜制的驱动端盖102上。在磁铁的底部是黄铜制的下端盖104，位置灵敏器细杆82是用螺纹连接于其上的。在端盖102和104之间，是多个氧化钐-钴-铁磁铁1a～1h，并用铁钴隔板2a～2d将其成对隔开。每对磁铁靠在一起的端部极性相反，而每对磁铁的相邻对相靠的一端却极性相同。如图所示，端磁铁1a和1h是单个的。

成对磁铁的磁力线从铁隔板向绕着线圈组件62的方向向外发射。隔板2a～2d呈现出高的透磁性和过饱和磁力线，以便引导磁力线径向地向着线圈组件。

如图3所示，端盖102和104、磁铁1a～1h和隔板2a～2d是叠装在不锈钢压紧套管100中。为了把它们紧紧叠装在一起，套管的一端被燉包边，而另一端则是滚包边的。非磁性套管100容易通过磁铁组件和电磁线圈组件62之间的磁力线。

线圈组件62包括铝线圈架110，在110中设有4组线圈112～118。线圈是用36^＃磁性导线连续绕了600圈，这些 圈数被分配在4个组中。从一组到另一组，线圈缠绕方向相反，如图中所示。导线162是从线圈架110的顶端引入线圈，从底端引出线圈。包着线圈架110和线圈的是钢制磁性反射管120。反射管120形成一个壳体包着电动机，使电动机磁场保持在电动机内，而且在线圈的外圆柱面上起引导磁力线向上或向下的作用，这随其基准点而定。

电动机静止时，磁铁组件位于线圈组件的中间，隔板2a～2d分别对准各自线圈组112～118的中心。如一个交流激磁信号作用于电动机时，磁铁组件便对应于变化的磁场移动到中心位置之下或之上。在本发明的结构实例中，为了使传感器以90°的弧度摆动，只需移动0.15英寸（3.81毫米）那样一个相当小的行程距离即可。

当磁铁组件上下移动时，它使位置灵敏器细杆也在位置灵敏器的线圈架80中上下移动。线圈88绕在线圈架80上。线圈的匝数取决于所需的△（delta）感应或感应系数的变化，因此，当位置灵敏器细杆通过线圈移动时，线圈就显示出感应系数的变化。线圈88接到位置检测器线路140上，它能检测这个△L。

根据本发明的原理，位置检测器细杆是用双金属制的，一种金属使线圈的感应增强，而另一种金属使其感应减弱。在所示的实例中，细杆上部86是用低碳钢制的，细杆的这一部分进入线圈中就增强了线圈的感应;细杆下部84是用铝制的，并在分界面85处与上部连接。当细杆向上移动时，下部84就完全进入到线圈里面，使得线圈的感应减弱。位置检测器细杆的移动范围，也是0.15英寸（3.81毫米），在本实例中，分界面85总是留在线圈88之中。因此，用 双金属细杆来改变线圈感应的“放大”，将会导致更大的△L，因此比用单金属制成的细杆，有更精确的位置检测。

位置检测器的线路可以是传统的线路，如同应用于典型的飞机伺服系统和类似的系统中的线性电压差接变压器（LVDT）线路一样。在本发明的具体实例中，是以不变电流的100千赫芝正弦波信号加到位置检测器线圈88上。线圈电感的变化将信号电压调制在0.75伏至1.25V之间，变化着的信号的包络通过整流检波，交流耦合以去除直流成份，并放大以产生位置信号。然后位置信号被加到比较器和驱动器线路160中的比较器上，在那里与由参考信号线路150所产生的三角形参考信号相比较。使用比较器和驱动器线路160对这种信号的比较结果将为电机线圈产生一个合适的同步交流驱动信号。通常，传感器的角度位置是交流驱动电压的角度函数，并具有一个小的相位滞后。伺服系统将不断地驱动电动机以跟踪三角形参考信号。在此具体实例中，交流驱动信号基本上是在有效值为2～4伏，最大值约为12伏范围内的不变的电流信号。

Claims (16)

1、一种超声波传感器测头，包括：

有一个传声小孔的壳体，

用枢轴安装在上述壳体中的传感器组件，当传感器绕着枢轴转动时引导许多沿径向分布的超声波能量束通过该传声小孔，

安装在该壳体内的电动机，包括一件往复运动的元件，其特征在于：

一个连接元件，其第一端连接到该电动机的往复运动元件上，而第二端连接到传感器组件偏移枢轴的一点上，连接点偏离枢轴轴心线是为了把电动机的往复运动转换成传感器的转动运动，该连接元件包括一曲柄轴，该轴的一端与电动机的往复运动元件成枢轴连接，另一端在该传感器的连接点上也成枢轴连接。

2、一种超声波传感器测头，包括一个壳体和一个用枢轴安装在壳体内的传感器;还包括一个安装在壳体内以供产生往复运动的电动机，其特征在于：它包括：

一件牢固地装在壳体内产生交变磁场的电磁线圈组件;和一件滑动地安装在该线圈内并具有与交变磁场相互作用磁场的永久磁铁组件;在那里，该测头还包括有设置在上述磁铁组件和传感器之间成对的装置，以便把该磁铁往复运动转换成传感器的旋转运动。

3、如权利要求2所述的超声波传感器测头，其特征在于：

所述的电磁线圈组件，包括几个轴向对齐的线圈，每个线圈都有中心孔;

所述的永久磁铁组件，通常安装在上述电磁线圈组件的孔中，它包括几件磁铁，每件磁铁都与上述的每个线圈相对应地排列着;

所述的电动机还包括支承装置，以便使所述的永久磁铁组件能在所述的电磁线圈组件内，往复滑动;

把所述永久磁铁组件连接到该超声波传感器上的装置，以便使永久磁铁组件的运动转换成传感器的运动。

4、如权利要求3所述的超声波传感器测头，其特征在于还包括：

复位弹簧装置，当电磁铁组件未被激磁时，它能把永久磁铁组件定位在电磁铁组件内的预定位置上。

5、如权利要求4所述的超声波传感器测头，其特征在于：所述的永久磁铁组件包括多件安装在磁铁间的呈现高磁力穿透性的隔板，而且相对于上述线圈对应地排列着。

6、如权利要求5的超声波传感器测头，其特征在于：所述的电磁线圈组件还有一个空心线圈架，该线圈就缠绕在它的周围。

7、如权利要求6的超声波传感器测头，其特征在于：所述的磁铁和隔板都安装在非磁性的压紧套管内。

8、如权利要求7的超声波传感器测头，其特征在于：还包括一件安装在上述线圈周围的磁性反射管。

9、如权利要求4的超声波传感器测头，其特征在于：所述的复位弹簧装置包括分别安装在永久磁铁组件两端的第一个弹簧和第二个弹簧。

10、如权利要求5的超声波传感器测头，其特征在于：每一隔板隔开一对磁铁，每对磁铁都是以相同极性的磁铁端相接触。

11、如权利要求6的超声波传感器测头，其特征在于：沿线圈架逐次地缠绕着每一个线圈，并根据给定的电流方向来改变缠绕方向。

12、一种超声波传感器测头，包括：

一件用枢轴安装，可作摆动运动的超声波传感器，

连接传感器并使该传感器作摆动运动的运动机构;

其特征在于还包括一个包括双金属元件和线圈的位置检测器，把其中之一连接到与该传感器的摆动运动一致的运动上;

在那里，该双金属元件和线圈的相对运动改变了线圈的感应系统。

13、如权利要求12的超声波传感器测头，其特征在于：该金属元件包括由第一种金属和第二种金属制成的部分，在两部分之间有分界面。

14、如权利要求13的超声波传感器测头，其特征在于：该线圈呈螺旋线管形，而且，当传感器摆动时，该双金属元件的分界面通过线圈运动。

15、如权利要求14的超声波传感器测头，其特征在于：第一种金属部分是由铁磁性材料制成，而第二种金属部分是由有色金属制成。

16、如权利要求15的超声波传感器测头，其特征在于：该双金属元件是由钢件部分和铝件部分构成。

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