CN1025973C - 超声功率计 - Google Patents

Abstract

本发明是一种能够测量超声功率的仪器。为解决测量装置中可动部分的横向移动和倾斜，在原有测量装置的基础上增加了由V型簧片和张丝等组成的，有上下两组相同结构的，并彼此呈平行装配的平行旋转导向机构，控制其测力传感器可动装置的横向移动和倾斜，还设置了声场实时测温传感器，消除声场介质温度变化对测量精度的影响。结合使用微机，能对微小超声量值及各种超声参数直接测量，本仪器能双向测量，用砝码校准，灵敏度高。

Description

本发明涉及一种超声功率测量仪器，适用于超声功率及相关参数的测量，特别适于医学领域作为量值传递标准。

现有的超声功率计一般采用力平衡式辐射压力法，例如世界专利WO-8601889就是利用电磁力补偿原理，采用磁悬浮式结构的《辐射功率测量装置》。它由永磁体、吸收声靶、反射壁水容器、水介质、电磁铁、差动变压器式平衡检测器和伺服电路组成。其圆柱形永磁体与靶成刚性连接，作为测力传感器的可动装置，浸在有传声水介质的容器中，测量时信号作用在吸收声靶上，使可动部分产生向下的位移，则差动变压器式平衡检测器有信号输出，该信号经伺服电路调节后，输出一反馈电流给电磁铁的线圈，电磁铁便产生一附加力。如果其电流的方向和大小，使永磁体对电磁线圈产生的作用力方向与被测辐射力作用在吸收声靶上力的方向相反，大小相等，就可使可动装置恢复原位。反馈信号的大小即反映被测辐射力的量值。这种测量装置的不足之处是由于吸收声靶和永磁体组成的可动装置，在测量时容易造成靶的横向移动和倾斜。从而影响测量灵敏度，传声水介质的声场温度效应影响测量结果的精度。

本发明的目的是提出一种新型超声功率计，它能够克服可动装置在测量时的横向移动和倾斜，修正传声水介质温度的影响，提高测量灵敏度和精度。

本发明的目的是这样实现的：超声功率计通常由传感器和电路两部分组成，传感器采用电磁力悬浮式测力传感器，它由磁路系统、可动装置和红外差动平衡检测器组成，磁路系统由环形永磁体、极靴和轭铁组成，可动装置由中心杆、线圈、线圈架和受力器组成，可动装置的中心杆穿过环形永磁体、极靴和轭铁的中心通道，带有线圈的线圈架安装在中心杆上，线圈位于极靴和轭铁形成的磁路气隙中，受力器装在中心杆的一端，电路包括差动放大器、前置放大器、电流放大器、比例积分微分网络、程控电子开关、A/D转换器、单板机、键盘和显示器等，本发明的测力传感器中增加了与可动装置相连的平行旋转导向机构，平行旋转导向机构有上下两组相同的结构，并彼此呈平行装配，它们由上下两个V型弹性簧片、上下两组张丝和张丝架、张丝架基座组成，上下两个V型弹性簧片的尖部固接在中心杆上，其V型弹性簧片的两脚分别固接在张丝的中部，张丝的两端分别固定在张丝架上，张丝架固定在张丝架基座上。并增加了实时测量声场水介质温度的测温传感器及其测温信号放大器。能实时反映水介质温度对测量的影响，使适应声场介质宽温度变化范围，为超声参数测量和计算提供依据。

本发明的优点是：灵敏度高，分辨率达0.1毫瓦，可测微小超声量值达1毫瓦，稳定可靠，测量精度高，并能测量多种相关参数。

本发明的附图有：

图1超声功率计方框图。

图2超声功率计传感器示意图。

图3超声功率计传感器平行旋转导向机构示意图。

图4超声功率计电路原理图。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本发明的超声功率计也是利用电磁力的补偿原理，磁悬浮式结构的超声功率测量装置。

超声功率计由传感器和电路两部分组成，图1为超声功率计方框图，传感器包括测力传感器1和测温传感器2，电路包括差动放大器3、前置放大器4、电流放大器5、比例积分微分网络6（简称PID网络6）、测温信号放大器7、程控电子开关8、A/D转换器9、单板机10、键盘11和显示器12。

图2为超声功率计传感器示意图。它包括测力传感器1和测温传感器2，测力传感器1采用电磁力悬浮式结构，它由磁路系统、可动装置、平行旋转导向机构和红外差动平衡检测器组成。磁路系统由环形永磁体13、极靴14和轭铁15组成。可动装置由中心杆16，线圈17、线圈架18和受力器组成。可动装置的中心杆16为非磁性绝缘材料，中心杆16穿过环形永磁体13、极靴14和轭铁15的中心通道，带有线圈17的线圈架18安装在中心杆16上，线圈17位于极靴14和轭铁15形成的磁路气隙中，受力器装在中心杆16的一端，中心杆16和线圈17不得与环形永磁体13、极靴14、轭铁15接触。为此，本发明测力传感器1中增加了与可动装置相连的平行旋转导向机构，中心杆16和平行旋转导向机构相连。中心杆16的上端有一砝码盘19，下端有一声接收靶20。可动装置的中心杆16与平行旋转导向机构的V型弹性簧片21固接。平行旋转导向机构参见图3，有上下两组相同的结构，并彼此呈平行装配，它们由上下两个V型弹性簧片21、上下两组张丝22和张丝架23、张丝架基座24组成。上下两个V型弹性簧片21的尖部端固接在中心杆16上，其V型弹性簧片21的两脚分别固接在张丝22的中部，张丝22的两端分别固定在张丝架23上，张丝架23固定在张丝架基座24上。红外差动平衡检测器由红外发光管25、遮挡光阑26、差动光电池27组成，遮挡光阑26也固接在中心杆16上，其作用是以遮挡光阑26位置的变化，来控制差动光电池27输出的变化。磁路系统通过支柱28固定在测力传感器托板29上，平行旋转导向机构的张丝架基座24、红外发光管25和差动光电池27等都固定在测力传感器托板29上。测力传感器1通过托板29安放在圆筒形壳体测量容器30内，托板29位于测量容器30的中部，将测量容器30分成上下两部分，测力传感器1的磁路系统、可动装置、平行旋转导向机构和红外差动平衡检测器位于测量容器30上部，声接收靶20位于下部，可动装置中心杆16穿过托板29的中心孔，使声接收靶20位于靶室31内，靶室31内壁四周布满吸声衬套32，靶室31内充满脱气蒸馏水作为传声介质，也可选其它传声介质。靶室31的底部中心正对声接收靶20开有耦合窗，耦合窗有透声膜33。测量容器30底部用三根测量容器支脚34支撑。测量容器30顶部有上盖35，上盖35中心开圆形口以便将砝码放入砝码盘19。测温传感器2为一集成测温头，置于测量容器30的靶室31内。

图4为超声功率计电路原理图。电路包括线圈17、差动光电池27、测温传感器2、差动放大器3、前置放大器4、电流放大器5、PID网络6、测温信号放大器7和信号处理电路。差动放大器3采用运算放大器A1和电阻R1、R2、R3、R4和R5组成，前置放大器4、电流放大器5和PID网络6组成功率伺服器，前置放大器4由运算放大器A2、电阻R6和R7组成，电流放大器5由晶体三极管T1和T2、电阻R8、R9和采样电阻R10组成，PID网络6为常用的比例积分微分网络，它由电阻R11、R12、R13、R14和电容C1、C2组成，测温传感器2采用集成测温头，测温信号放大器7采用运算放大器A3、电阻R15、R16、R17、R18组成。上述的运算放大器A1、A2和A3采用集成电路7650，晶体三极管T1和T2分别采用3DG6和3DG130，信号处理电路包括程控电子开关8、A/D转换器9、单板机10、键盘11和显示器12。程控电子开关8选用C544， A/D转换器9选用14433模/数转换器，单板机10选用8048系列单板机，显示器12选用四个CL102显示器，键盘11选用小型通用键盘。

超声功率计的工作过程是：

测力传感器1是处于垂直放置，利用电磁力补偿原理，磁悬浮式结构工作的。当线圈17未通电，受力器（包括砝码盘19和声接收靶20）没有受到外力作用时，可动装置的自重力使其沉于底部。当线圈17通电，且受力器仍没有受到外力作用时，可动装置的自重力作用外，又受到线圈17通电后产生的电磁力的作用，如果流经线圈17的电流大小与方向使线圈17产生的磁场与环形永磁体13的磁场反向，可动装置受到的向上电磁力与自重力相等，使可动装置处于悬浮状态。此时可动装置稳定不动，红外差动平衡检测器的差动光电池27的输出为零，平行旋转导向机构也处于稳定状态（即反作用力矩等于零），此状态即为测力传感器1的初始状态，此时线圈17悬浮状态的电流定为零位电流。当受力器受到外力作用时，可动装置便有微小位移，带动遮挡光阑26产生相应的位移，由于遮挡光阑26的移动使红外发光管25入射到差动光电池27上的光通量失去原有对称，于是差动光电池27输出一个差动电信号，此信号经差动放大器3、前置放大器4和电流放大器5进行放大后，其输出分成两路，一路经PID网络6反馈回前置放大器4的输入端，改善回路动态过渡过程。另一路的补偿电流反馈回可动装置的线圈17。补偿电流产生的电磁力使可动装置复位，达到新的力平衡，即完成了电磁力平衡的闭环随动调节过程。

补偿电流的大小反映了被测量的大小，通过接在电流放大器5电路中的采样电阻R10，即可得到与被测力相应的电信号输出，将此信号送至信号处理电路。同时利用测温传感器2实时探测水介质声场的温度，也将此信号送至信号处理电路，对以温度为自变量的各超声参数进行计算显示。这样，本仪器就可实现宽温度变化范围的超声参数测量。功率伺服器的输出信号和测温信号放大器7输出信号那一路送至信号处理电路，以及显示器12显示超声功率、平均声强、声速、声场温度和力值的那一个量值都是受键盘11、程控电子开关8和单板机10的控制。

由于采用V型弹性簧片21和张丝22的复合结构弹性元件的可动装置，因而产生的反作用力矩甚微，几乎趋近于零，又由于可动装置固接在上下两个V型的性簧片21上，在被测信号作用下可动装置发生位移时，它们之间没有相对移动，避免摩擦对测量灵敏度的影响，可动装置也不会出现横向移动和倾斜，只有一维的轴向移动，保证了可动装置的稳定性，从而进一步提高了测量灵敏度。

受力器包括砝码盘19和声接收靶20，安装在可动装置中心杆16的两端，超声功率计可实现双向检测，利用声接收靶20进行超声信号参量的检测，利用砝码盘19进行力的测量。这样一来，本发明的超声功率计可以利用砝码进行校准。数据处理和测量的智能化程度高。

Claims (3)

1、一种超声功率计，通常由传感器和电路两部分组成，传感器采用电磁力悬浮式测力传感器(1)，它由磁路系统、可动装置和红外差动平衡检测器组成，磁路系统由环形永磁体(13)、极靴(14)和轭铁(15)组成，可动装置由中心杆(16)、线圈(17)、线圈架(18)和受力器组成，可动装置的中心杆(16)穿过环形永磁体(13)、极靴(14)和轭铁(15)的中心通道，带有线圈(17)的线圈架(18)安装在中心杆(16)上，线圈(17)位于极靴(14)和轭铁(15)形成的磁路气隙中，受力器装在中心杆(16)的一端，电路包括差动放大器(3)、前置放大器(4)、电流放大器(5)、比例积分微分网络(6)、程控电子开关(8)、A/D转换器(9)、单板机(10)、键盘(11)和显示器(12)，本发明的特征在于：测力传感器(1)中增加了与可动装置相连的平行旋转导向机构，平行旋转导向机构有上下两组相同的结构，并彼此呈平行装配，它们由上下两个V型弹性簧片(21)、上下两组张丝(22)和张丝架(23)、张丝架基座(24)组成，上下两个V型弹性簧片(21)的尖部固接在中心杆(16)上，其V型弹性簧片(21)的两脚分别固接在张丝(22)的中部，张丝(22)的两端分别固定在张丝架(23)上，张丝架(23)固定在张丝架基座(24)上。

2、根据权利要求1所述的超声功率计，其特征在于增加了实时测量声场水介质温度的测温传感器（2）及其测温信号放大器（7）。

3、根据权利要求1所述的超声功率计，其特征在于上述受力器为安装在可动装置中心杆（16）两端的砝码盘（19）和声接收靶（20）。

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